淺談電磁兼容控制、設(shè)計及其測試

摘要: 本文提出了對電磁兼容性的控制方法，以及針對不同的設(shè)備或系統(tǒng)不同的設(shè)計方案，并介紹了電磁兼容性的測試。

關(guān)鍵詞: 電磁兼容性;控制;設(shè)計;測試

自從電子系統(tǒng)降噪技術(shù)在70 年代中期出現(xiàn)以來，美國聯(lián)邦通訊委員會在1990 年和歐盟在1992年提出了對商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章，這些規(guī)章要求各個公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。所謂的電磁兼容性是設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)和正在制定EMC 的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。我國在這方面的起步雖然較晚，但發(fā)展很快。隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國要參與世界技術(shù)市場的競爭，進(jìn)出口的電子產(chǎn)品都必須通過EMC檢驗。我國98 年已立法強(qiáng)制對六類進(jìn)口電子產(chǎn)品(計算機(jī)、顯示器、打印機(jī)、開關(guān)電源、電視機(jī)和音響)及通信終端產(chǎn)品施行EMC 檢測。同時，國內(nèi)也正在審定和驗收正式的EMC 認(rèn)證機(jī)構(gòu)和實驗室。產(chǎn)品的EMC 檢測是實現(xiàn)電磁兼容不可缺少的技術(shù)手段，強(qiáng)制貫徹電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，則是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高市場競爭力的先決條件。

電磁兼容性的控制方法

EMC 學(xué)科是在早期單純的抗干擾方法基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，兩者的目標(biāo)都是為了使設(shè)備和系統(tǒng)達(dá)到在共存的環(huán)境中互不發(fā)生干涉，最大限度地發(fā)揮其工作效率。但是，早期的抗干擾方法和現(xiàn)代的EMC 技術(shù)在控制電磁干擾策略思想上有著本質(zhì)的差別。

單純的抗干擾方法在抑制干擾的思想方法上比較簡單，或者認(rèn)識比較膚淺，主要的思路集中在怎樣設(shè)法抑制干擾的傳播上，因此工程技術(shù)人員處于極為被動的地位，哪里有干擾就在哪里就事論事的給予解決，當(dāng)然經(jīng)驗豐富的工程師也會采取預(yù)防措施，但這僅僅是根據(jù)經(jīng)驗局部的應(yīng)用，解決問題的方法也是單純的對抗式的措施。

EMC 技術(shù)在控制干擾的策略上采取了主動預(yù)防、整體規(guī)劃和“對抗”與“疏導(dǎo)”相結(jié)合的方針。人類在征服大自然各種災(zāi)難性危害中，總結(jié)出的預(yù)防和救治、對抗和疏導(dǎo)等一系列策略，在控制電磁危害中同樣是極其有效的思維方法。

首先EMC 控制是一項系統(tǒng)工程，應(yīng)該在設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計、研制、生產(chǎn)、使用與維護(hù)的各階段都充分的予以考慮和實施才可能有效?？茖W(xué)而先進(jìn)的EMC 工程管理是有效控制技術(shù)的重要組成部分。在控制方法，除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術(shù)，如屏蔽、接地、答接、合理布線等方法

以外，還可以采取回避和疏導(dǎo)的技術(shù)處理，如空間方位分離、頻率劃分與回避、濾波、吸收和旁路等等，有時這些回避和疏導(dǎo)技術(shù)簡單而巧妙，可以代替成本費用昂貴而質(zhì)量體積較大的硬件措施，收到事半功倍的效果。

在解決電磁干擾問題的時機(jī)上，應(yīng)該由設(shè)備研制后期暴露出不兼容問題而采取挽救修補(bǔ)措施的被動控制方法，轉(zhuǎn)變成在設(shè)備設(shè)計初始階段就開展預(yù)測分析和設(shè)計，預(yù)先檢驗計算，并全面規(guī)劃實施細(xì)則和步驟，做到防患于未然。把EMC 設(shè)計和可靠性設(shè)計，維護(hù)性、維修性設(shè)計與產(chǎn)品的基本功能結(jié)構(gòu)設(shè)計同時進(jìn)行，并行開展。EMC 控制技術(shù)是現(xiàn)代并行工程的組成內(nèi)容之一。

EMC 控制策略與控制技術(shù)方案可分為如下幾類：

a.傳輸通道抑制：具體方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、布線。

b.空間分離：地點位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場矢量方向控制。

c.時間分隔：時間共用準(zhǔn)則、雷達(dá)脈沖同步、主動時間分隔、被動時間分隔。

d.頻率管理：頻率管制、濾波、頻率調(diào)制、數(shù)字傳輸、光電轉(zhuǎn)換。

e.電氣隔離：變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、ＤＣ/ＤＣ變換。

電磁兼容性的設(shè)計方法

EMC 設(shè)計的基本原則和方法，首先是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計對EMC 提出的要求和相應(yīng)指標(biāo)，然后，依據(jù)EMC 的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，將設(shè)計產(chǎn)品的EMC 指標(biāo)要求分解成元器件級、電路級、模塊級和產(chǎn)品級的指標(biāo)要求，再按照各級要實現(xiàn)的功能要求，逐級分層次的進(jìn)行設(shè)計。

EMC 設(shè)計應(yīng)考慮的問題很多，但從根本上講，就是如何提高設(shè)備的抗擾度和防止電磁泄漏。通常采取的措施，一方面設(shè)備或系統(tǒng)本身應(yīng)選用互相干擾最小的設(shè)備、電路和部件，并進(jìn)行合理的布局。再就是通過接地、屏蔽及濾波技術(shù)，抑制與隔離電磁騷擾。對不同的設(shè)備或系統(tǒng)有不同的設(shè)計方法和措施。

下面具體談點粗淺認(rèn)識。

元器件的選擇和電路的分析是EMC 設(shè)計基礎(chǔ)

以計算機(jī)為例.它是以數(shù)字電路為主，以低電平傳輸信號的設(shè)備。所用的數(shù)字集成電路既是干擾源，又是干擾的敏感器件，以存儲器為代表的MOS器件就是一個典型例子。存儲器瞬間工作時能產(chǎn)生很大電流，加之工作頻率可達(dá)百兆以上，因而易產(chǎn)生竄擾，造成誤動作或通過公共阻抗干擾其它電路。但另一方面，MOS 器件本身的抗擾性又很差。數(shù)字電路傳送脈沖信號，產(chǎn)生的輻射頻率范圍很寬，如時鐘產(chǎn)生器、高速邏輯電路等都會產(chǎn)生高頻干擾和電磁泄漏，同時也會受通信、電視等頻段的電磁騷擾。因此，在設(shè)計時要考慮選用抗干擾器件，合理確定指標(biāo)和運用接地、屏蔽等技術(shù)。

電源系統(tǒng)的EMC 設(shè)計

無論是信息技術(shù)設(shè)備還是無線電電子、電氣產(chǎn)品都要有電源供電。電源有外電源和內(nèi)電源，電源是典型的也是危害嚴(yán)重的電磁干擾源。如電網(wǎng)的沖擊，尖峰電壓可高達(dá)千伏以上，會給設(shè)備或系統(tǒng)帶來毀滅性的破壞。另外，電源干線是多種干擾信號侵人設(shè)備的途徑。因此，電源系統(tǒng)，特別是開關(guān)電源的EMC 設(shè)計是部件級設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。其措施多種多樣，諸如供電電纜直接從電網(wǎng)總閘引出，電網(wǎng)引出的交流經(jīng)穩(wěn)壓、低通濾波、電源變壓器繞組間的隔離、屏蔽以及浪涌抑制和過壓過流保護(hù)等。

接地系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

良好的接地可以保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)的正常操作以及人身安全?？梢韵鞣N電磁干擾和雷擊等。所以接地設(shè)計是非常重要的，但也是難度較大的課題。地線的種類很多，有邏輯地、信號地、屏蔽地、保護(hù)地等。接地的方式也可分單點接地、多點接地、混合接地和懸浮地等。理想的接地面應(yīng)為零電位，各接地點之間無電位差。但實際上，任何“地”或接地線都有電阻。當(dāng)有電流通過時，就會產(chǎn)生壓降，使地線上的電位不為零，兩個接地點之間就會存在地電壓。當(dāng)電路多點接地，井有信號聯(lián)系時，就將構(gòu)成地環(huán)路干擾電壓。因此，接地技術(shù)十分講究，如信號接地與電源接地要分開，復(fù)雜電路采用多點接地和公共地等。

印制電路板的EMC 設(shè)計

元器件、電路和地線引起的騷擾都會在印制電路板上反映出來。因此，印制電路板的EMC 工程設(shè)計非常關(guān)鍵。印制電路板的布線要合理，如采用多層板，電源線與地線靠近，時鐘線、信號線與地線的距離要近等，以減少電路工作時引起內(nèi)部噪聲。嚴(yán)格執(zhí)行印制電路板的工藝標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，模擬和數(shù)字電路分層布局，以達(dá)到板上各電路之間的相互兼容。

另外，值得注意的是在進(jìn)行EMC 設(shè)計時，一定不能忽略對靜電放電(ESD)的防護(hù)。ESD 防護(hù)的關(guān)鍵，一是防止靜電核的產(chǎn)生和積累，再就是阻隔ESD 效應(yīng)的發(fā)生。阻止靜電的方法和措施很多，這里不做贅述。

電磁兼容性的測試方法

EMC 設(shè)計與EMC 測試是相輔相成的。EMC設(shè)計的好壞是要通過EMC 測試來衡量的。只有在產(chǎn)品的EMC 設(shè)計和研制的全過程中，進(jìn)行EMC 的相容性預(yù)測和評估，才能及早發(fā)現(xiàn)可能存在的電磁干擾，并采取必要的抑制和防護(hù)措施，從而確保系統(tǒng)的EMC。否則，當(dāng)產(chǎn)品定型或系統(tǒng)建成后再發(fā)現(xiàn)不兼容的題，則需在人力、物力上花很大的代價去修改設(shè)計或采用補(bǔ)救的措施。然而，往往難以徹底的解決問題，而給系統(tǒng)的使用帶來許多麻煩。

EMC 測試包括測試方法、測量儀器和試驗場所，測試方法以各類標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，測量儀器以頻域為基礎(chǔ)，試驗場地是進(jìn)行EMC 測試的先決條件，也是衡量EMC 工作水平的重要因素。EMC 檢測受場地的影響很大，尤其以電磁輻射發(fā)射、輻射接收與輻射敏感度的測試對場地的要求最為嚴(yán)格。目前，國內(nèi)外常用的試驗場地有：開闊場、半電波暗室、屏蔽室和橫電磁波小室等。

作為EMC 測試的實驗室大體有兩種類型：一種是經(jīng)過EMC 權(quán)威機(jī)構(gòu)審定和質(zhì)量體系認(rèn)證，而且具有法定測試資格的綜合性設(shè)計與測試實驗室。或稱檢測中心。它包括進(jìn)行傳導(dǎo)干擾、傳導(dǎo)敏感度及靜電放電敏感度測試的屏蔽室，進(jìn)行輻射敏感度測試的消聲屏蔽室，用來進(jìn)行輻射發(fā)射測試的開闊場地和配備齊全的測試與控制儀器設(shè)備。要建立這樣一套完善的實驗室需投入幾百萬甚至數(shù)千萬元人民幣。目前，國內(nèi)已有數(shù)家已建成或正在投資興建。

另一種類型就是根據(jù)本單位的實際需要和經(jīng)費情況而建立的具有一定測試功能的EMC實驗室。比起大型的綜合實驗室，這類測試實驗室規(guī)模小，造價低。主要適用于預(yù)相容測試和EMC 評估。也就是為了使產(chǎn)品在最后進(jìn)行EMC 認(rèn)證之前，具有自測試和評估的手段。如有不足，還可以充分利用社會成果，內(nèi)外合作，進(jìn)行相互比對和交流，以達(dá)節(jié)約開支，改進(jìn)設(shè)計，不斷提高產(chǎn)品的EMC 之目的。

在測試儀器方面，以頻譜分析儀為核心的自動檢測系統(tǒng)，可以快捷、準(zhǔn)確地提供EMC 有關(guān)參數(shù)。新型的EMC 掃描儀與頻譜儀相結(jié)合，實現(xiàn)了電磁輻射的可視化?？蓪ο到y(tǒng)的單個元器件，PCB 板、整機(jī)與電纜等進(jìn)行全方位的三維測試，顯示真實的電磁輻射狀況。

EMC 測試必須依據(jù)EMC 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范給出的測試方法進(jìn)行，并以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限值作為判據(jù)。對于預(yù)相容測試，盡管不可能保證產(chǎn)品通過所有項目的標(biāo)準(zhǔn)測試，但至少可以消除絕大部分的電磁干擾，從而提高產(chǎn)品的可信度。而且能夠指出你如何改進(jìn)設(shè)計、抑制EMI 發(fā)射。

結(jié)束語

本文僅概略的介紹了一些產(chǎn)生電磁干擾的來源及其產(chǎn)品設(shè)計抑制方法。EMC 作為一門多學(xué)科的高新技術(shù)，以其在質(zhì)量保證體系中的重要作用而逐漸被人們所認(rèn)識。堅持EMC 性設(shè)計，提高貫徹EMC標(biāo)準(zhǔn)的意識性。消除電磁干擾，實現(xiàn)EMC，從根本上提高產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。