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電磁兼容設(shè)計實用技術(shù)Practical Technology Of EMC【摘要】論述電磁兼容（EMC）設(shè)計中的實用技術(shù)：接地技術(shù)、濾波和吸收技術(shù)、屏蔽和隔離技術(shù)、合理布局等技術(shù)，及其設(shè)計要點。關(guān)鍵詞 電磁兼容（EMC）接地技術(shù) 濾波和吸收技術(shù) 屏蔽和隔離技術(shù) 合理布局Keywords electronmagnetic compatibility（EMC），grounding technology，filter and absorption technology，shielding and insulation technology，reasonable placement1電磁兼容設(shè)計概述電磁兼容（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何其他事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力?，F(xiàn)代電子技術(shù)中，來自輻射場的干擾，線路內(nèi)部的公共阻抗、導(dǎo)線中的瞬態(tài)沖擊、高頻時的反射作用、電路結(jié)構(gòu)等都對其他電路有影響。因而存在電磁兼容問題。實踐證明，由各個單元組成的系統(tǒng)中，即使各個單元滿足性能指標(biāo)要求，但作為一個系統(tǒng)，由于相互間的電磁干擾，性能就要降低。系統(tǒng)不合格的的修理費用或?qū)θ钟绊戇h(yuǎn)比單元設(shè)備不合格大的多，所以相互間的干擾是關(guān)系到系統(tǒng)本身成敗的大問題。為了避免這類事情的發(fā)生，在各個單元設(shè)計時，就要從系統(tǒng)著眼，切實的考慮電磁兼容問題。解決電磁兼容問題，較為實用的技術(shù)為：接地技術(shù)、濾波和吸收技術(shù)、屏蔽和隔離技術(shù)、合理布局等技術(shù)，這些技術(shù)在實踐中已取得良好的使用效果。2接地技術(shù)接地屬于線路設(shè)計的范疇，對產(chǎn)品電磁兼容性有著至關(guān)重要的意義?？梢哉f，合理的接地是最經(jīng)濟(jì)有效的電磁兼容設(shè)計技術(shù)。在設(shè)計的一開始就考慮布局與地線是解決電磁干擾問題最廉價和有效的方法。良好設(shè)計的地線系統(tǒng)并不會增加一分錢的成本。90%的電磁兼容問題是由于布線和接地不當(dāng)造成，良好的布線和接地既能夠提高抗擾度，又能夠減小干擾發(fā)射。21電子設(shè)備接地的實用方式電子設(shè)備接地的實用方式為：單點接地、多點接地、混合接地。導(dǎo)體材料應(yīng)選導(dǎo)電性能良好的銅、鋁材料，并表面鍍銀。若為射頻電阻，應(yīng)采用寬/厚比值大的扁銅帶制作地線，這樣可減小導(dǎo)體的射頻電阻。211單點接地單點接地是把整個電路系統(tǒng)中某一結(jié)構(gòu)點作為接地基準(zhǔn)點，其他各單元的信號地連接到這一點上。工作頻率低于100KHz時應(yīng)采用單點接地，以防兩點接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合。多個電路的單點接地方式又分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種。由于串聯(lián)接地產(chǎn)生共地阻抗干擾，所以低頻電路最好采用并聯(lián)的單點接地，如圖1 所示。并聯(lián)接地的缺點是接地的導(dǎo)線過多。因此在實際中，沒有必要所有電路都并聯(lián)單點接地，對于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點接地。例如，可以將電路按照強(qiáng)信號，弱信號，模擬信號，數(shù)字信號等分類，然后在同類電路內(nèi)部用串聯(lián)單點接地，不同類型的電路采用并聯(lián)單點接地，如圖2 所示。并聯(lián)式單點接地在低頻時可有效避免各單元間的阻抗干擾，但在高頻時，相臨地線間的耦合增強(qiáng)，則易造成各單元間的干擾，因此，高頻時應(yīng)采取多點就近接地。電路1電路2電路3電路4圖1并聯(lián)單點接地電路1電路2電路3電路4電路5圖2串、并聯(lián)單點接地2.1.2多點接地多點接地是指設(shè)備或分系統(tǒng)中各個接地點都直接接到距它最近的接地面上，使引線長度最短。工作頻率高于1MHz時應(yīng)采用多點接地，如圖3所示。因為接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，所以要求地線的長度盡量短。采用多點接地時，盡量找最接近的低阻值接地面接地。電路1電路2電路3圖3多點接地2.1.3混合接地由于多點接地系統(tǒng)中存在著各種地線回路，它們對于設(shè)備內(nèi)較低電平的信號單元可能產(chǎn)生不良影響。為此需要采取混合接地，如圖4 所示。根據(jù)不同的工作頻率采用相應(yīng)的接地方式:頻率高于1MHz或接地線的長度大于工作信號波長的1/20時采用多點接地；頻率低于100KHz或接地線的長度小于工作信號波長的1/20時采用單點接地。 射(中)頻電路1低頻電路1射(中)頻電路2射(中)頻電路3低頻電路2低頻電路3圖4混合接地3.濾波和吸收技術(shù)濾波是抑制傳導(dǎo)干擾最直接有效的辦法。另外，由于良好的濾波抑制了干擾源的泄漏，所以對輻射干擾的抑制也會起到良好的效果。對于瞬態(tài)脈沖干擾，最有效的辦法則是使用脈沖吸收技術(shù)。實際使用中，應(yīng)根據(jù)濾波器的特性：插入損耗、頻率特性、阻抗、額定電壓、額定電流、絕緣電阻及體積、重量、溫升及可靠性等來選擇濾波器。L-C濾波器、吸收式濾波器是通常采用的濾波器。穿心電容是常用的L-C濾波器，具有連接、安裝方便等優(yōu)點，但是屬于反射式濾波器，當(dāng)它和信號源不匹配時，一部分有用能量會被反射回信號源，導(dǎo)致干擾電平的增加。為拓寬抑制帶寬，可采用鐵氧體等損耗材料制成的吸收式濾波器，使有用信號能有效通過，而將干擾能量轉(zhuǎn)化成熱能。市場上有理想高頻特性的電纜濾波器、濾波連接器等，可滿足各種需要。濾波器的安裝質(zhì)量對實際衰減特性影響很大，只有正確的安裝才能獲得預(yù)期的衰減特性。濾波器的安裝應(yīng)遵循：（1）電源供電線的濾波器應(yīng)安裝在設(shè)備或屏蔽殼體的電源入口處，并予以屏蔽。（2）濾波器中電容器引線應(yīng)盡可能短，以免其感抗與容抗在較低頻率上諧振。電容器和其他元件間應(yīng)正交安裝，減小相互耦合。（3）濾波器要進(jìn)行良好的接地。（4）焊接在同一插座上的每根導(dǎo)線都必須進(jìn)行濾波，否則會破壞濾波器的有效性。（5）濾波器的輸入和輸出引線之間應(yīng)予以屏蔽，更不得往返交叉，否則輸入和輸出引線之間的耦合將導(dǎo)致濾波器抑制特性下降。4.屏蔽和隔離技術(shù)屏蔽是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽是抑制輻射干擾的有效辦法。應(yīng)用時應(yīng)注意，屏蔽措施經(jīng)常要與接地共同使用才能發(fā)揮作用。屏蔽可理解為隔離的一種方法，但隔離所包含的內(nèi)容不止于此，它還包括位置的遠(yuǎn)離和傳導(dǎo)干擾路徑的切斷等。屏蔽的方法有電屏蔽、磁屏蔽、電磁屏蔽。要獲得良好屏蔽效果，取得理想的效/費比，首先要確定干擾源的類型、場強(qiáng)的方向、干擾源與感受器的距離，有針對地采取屏蔽方法及選擇合適的材料。通過分析波阻抗和能量密度，可知電偶極子在近場(r377)，近場的能量主要為電場分量，可忽略磁場分量；磁偶極子在近場的波阻抗為低阻抗(/2)的波阻抗相等(均為377)，此時電場和磁場分量相等。這就是說兩類源在近場的差別較大，因此可根據(jù)其波阻抗和能量性質(zhì)，將上述兩種源稱為高阻抗電場源和低阻抗磁場源。注意，上述近場和遠(yuǎn)場的條件即r的大小，是與頻率f有關(guān)的。所以又可以說，在較低的頻率范圍內(nèi)，干擾一般發(fā)生在近場。高阻抗電場源的近場主要為電場分量，低阻抗磁場源的近場主要為磁場分量。當(dāng)頻率增高時，干擾趨于遠(yuǎn)場，此時電場和磁場分量均不可忽略。對應(yīng)于三種情況的屏蔽分別稱為：電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。靜電屏蔽和恒定磁場的屏蔽分別是電屏蔽和磁屏蔽的特例。4.1電屏蔽設(shè)計要點首先，選擇銅、鋁合金材料作屏蔽體材料，高頻時表面鍍上銀層，同時屏蔽體必須良好的接地，并要正確選擇接地點，合理設(shè)計屏蔽體形狀。用螺釘接地時應(yīng)加內(nèi)齒墊圈，用導(dǎo)線接地時應(yīng)盡量縮短導(dǎo)線長度，而導(dǎo)線兩端最好用焊接。屏蔽體接地點應(yīng)靠近被屏蔽的低電平元件的入地點。要獲得高的屏蔽效能，可采用盒形結(jié)構(gòu)，盡量減小開孔面積和減少開孔數(shù)量，合理設(shè)計屏蔽盒雙層蓋、共蓋、分蓋結(jié)構(gòu)，妥善選用合適的彈性件，減小接觸電阻。4.2磁屏蔽設(shè)計要點低頻磁場干擾是一個棘手的問題。對于低頻磁場屏蔽，渦流的屏蔽作用很小，主要有賴于高磁導(dǎo)率材料所具有的高磁導(dǎo)率起磁分路作用。屏蔽體的磁導(dǎo)率越高、壁層越厚，則磁分路作用愈明顯，磁屏蔽效能愈好。通常情況下，磁屏蔽采用鋼板作屏蔽體，必要時可采用雙層屏蔽，鐵鎳合金等高磁導(dǎo)率材料。磁屏蔽的結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)仔細(xì)考慮屏蔽體的接縫與孔洞的處理：必須使屏蔽體的接縫與壁內(nèi)磁通的流經(jīng)方向盡可能平行、正確布置通風(fēng)孔，以盡可能減小屏蔽體磁阻的上升。高導(dǎo)磁率材料在機(jī)械沖擊的條件下會極大地?fù)p失磁性，導(dǎo)致屏蔽效能下降。因此，屏蔽體在經(jīng)過機(jī)械加工后，如敲擊、焊接、折彎、鉆孔等，必須經(jīng)過熱處理以恢復(fù)磁性。內(nèi)部空心的屏蔽盒，是常用的屏蔽結(jié)構(gòu)形式，其磁屏蔽效能可按下式近似計算：SE=0.22r1-（1-t/r）3+1式中 r相對磁導(dǎo)率；t屏蔽體壁厚；r與屏蔽盒相等容積的等效球半徑。4.3電磁屏蔽設(shè)計要點對于電磁屏蔽，因為金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)磁能力越好，金屬吸收電磁場的能力越強(qiáng)；電磁場的頻率越高，越易于被金屬吸收。因此對于電磁屏蔽，采用銅、鋁合金材料作屏蔽體表面鍍上銀層，可取得良好的屏蔽效果。電磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽體具有良好的導(dǎo)電連續(xù)性，各根據(jù)實際情況，選擇合適的導(dǎo)電襯墊、梳形簧片、屏蔽顯示窗、截止波導(dǎo)、導(dǎo)電涂料等，實現(xiàn)電磁密封。4.4電磁屏蔽設(shè)計程序 電磁屏蔽設(shè)計是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分，科學(xué)、合理地進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計，是設(shè)計師必須仔細(xì)斟酌的問題。其設(shè)計程序為：一、根據(jù)設(shè)備和電路單元、部件的工作環(huán)境和電磁兼容性要求，提出確保正常運行所需的屏蔽效能值。二、按所需的屏蔽效能值確定屏蔽的類型。三、由屏蔽體的功能（機(jī)箱或設(shè)備內(nèi)部的屏蔽）、容許的屏蔽空間確定屏蔽體的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)形式。四、針對干擾場強(qiáng)的特性和所處的場區(qū)，根據(jù)實心型屏蔽理論合理選擇屏蔽體的材料，并按屏蔽體的機(jī)械特性（剛度和強(qiáng)度）和屏蔽效能值確定屏蔽體的壁厚，并應(yīng)留有足夠的富余值。五、進(jìn)行屏蔽體的完善性設(shè)計，即根據(jù)設(shè)備的具體要求和生產(chǎn)工藝條件選擇相應(yīng)的措施，以抑制屏蔽體上所有電氣不連續(xù)處造成