電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)的淺析

電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)的淺析--ControlEngineeringChina2005-12-31點(diǎn)擊:94

1.概述

隨著微處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息通信技術(shù)、多媒體技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、電力電子技術(shù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。使得各類系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不斷的提高，這就要求以微處理器為核心的智能化的系列產(chǎn)品具有高的可靠性，而智能化產(chǎn)品的可靠性，在很大程度上取決于其抗干擾能力，因此也決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

一般侵入系統(tǒng)的干擾有時(shí)能直接造成系統(tǒng)的硬件損壞，有時(shí)雖不能損壞系統(tǒng)的硬件，但常使微處理器的系統(tǒng)程序運(yùn)行失控，導(dǎo)致控制失靈，從而造成設(shè)備和生產(chǎn)事故。電磁干擾已成為研究微電子裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要課題。因此，如何提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性是自動(dòng)化裝置研制和應(yīng)用中不可忽視的重要內(nèi)容，也是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵之一。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾措施設(shè)計(jì)中，從總體方案、器件選擇、電路板的布局及布線到軟件程序的設(shè)計(jì)，都要把抗干擾技術(shù)貫穿于應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。

2.電子設(shè)備的電磁兼容性

電磁兼容性技術(shù)又稱環(huán)境電磁學(xué)，在開(kāi)始的時(shí)候它僅僅考慮的是對(duì)無(wú)線電廣播帶來(lái)的射頻干擾。但當(dāng)今電子產(chǎn)品的數(shù)量越來(lái)越多，各種電子設(shè)備發(fā)射功越來(lái)越大，電子設(shè)備系統(tǒng)的靈敏度越來(lái)越高，并且接收微弱信號(hào)能力越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)電子產(chǎn)品頻帶也越來(lái)越寬，尺寸越來(lái)越小，相互影響也越來(lái)越大。因此電磁騷擾不再局限于輻射，還要考慮感應(yīng)、耦合和傳導(dǎo)等引起的電磁干擾，如電磁輻射照射對(duì)生物的危害、靜電、雷電等都屬于電磁兼容性范疇。但本文只討論電子設(shè)備及由電子設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)、分系統(tǒng)的電磁兼容性問(wèn)題。

電磁兼容三要素是干擾源（騷擾源）、耦合通路和敏感體。切斷以上任何一項(xiàng)都可解決電磁兼容問(wèn)題,RE為輻射發(fā)射，RS為輻射敏感度，CE為傳導(dǎo)發(fā)射，CS為傳導(dǎo)敏感度。電磁兼容的解決方案常用的方法主要有屏蔽、接地和濾波，但是這三者或者這三者以外的方案有著必然的聯(lián)系。

2.1電磁兼容性定義

2.1.1電磁兼容性；電磁兼容是電子設(shè)備系統(tǒng)工程重要指標(biāo)，也是質(zhì)量可靠性的重要指標(biāo)，其定義為設(shè)備或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

2.1.2電磁干擾；電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。它的主要要素有自然和人為的騷擾源、通過(guò)公共地線阻抗、內(nèi)阻的耦合、沿電源線傳導(dǎo)的電磁騷擾和輻射干擾等。電子系統(tǒng)受干擾路經(jīng)為經(jīng)過(guò)電源，經(jīng)過(guò)信號(hào)線或控制電纜，場(chǎng)滲透，經(jīng)過(guò)天線直接進(jìn)入；并且有電纜耦合，從其它設(shè)備來(lái)的傳導(dǎo)干擾，電子系統(tǒng)內(nèi)部場(chǎng)耦合，其它設(shè)備的輻射干擾，其它設(shè)備的輻射干擾，電子外部耦合到內(nèi)部場(chǎng)，電子外部耦合到內(nèi)部場(chǎng)，寬帶發(fā)射機(jī)天線系統(tǒng)，外部環(huán)境場(chǎng)等等。

2.1.3電磁輻射；電磁波形式由源發(fā)射到空間的現(xiàn)象?！半姶泡椛洹币辉~的含義有時(shí)也可引申，將電磁感應(yīng)現(xiàn)象也包含在內(nèi)。RFI/EMI可以通過(guò)任何一種設(shè)備機(jī)殼的開(kāi)口、通風(fēng)孔、出入口、電纜、測(cè)量孔、門(mén)框、艙蓋、抽屜和面板，以及機(jī)殼的非理想連接面等進(jìn)行輻射。RFI/EMI也可由進(jìn)入敏感設(shè)備的導(dǎo)線和電纜進(jìn)行輻射，任何一個(gè)良好的電磁能量輻射器也可以作為良好的接收器。

2.1.4脈沖；在短時(shí)間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值的物理量。

2.2電磁環(huán)境評(píng)價(jià)

一種明顯不傳送信息的時(shí)變電磁現(xiàn)象，它可能與有用信號(hào)疊加或組合。通過(guò)實(shí)測(cè)或數(shù)字仿真等手段，對(duì)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)可能受到的電磁干擾水平（幅值、頻率、波形等）進(jìn)行估計(jì)電磁環(huán)境評(píng)價(jià)是電磁兼容技術(shù)的重要組成部分，是抗干擾設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

弄清電磁騷擾是通過(guò)何種路徑到達(dá)被干擾對(duì)象，一般來(lái)說(shuō)，干擾可分為傳導(dǎo)（Conducted)型干擾和輻射(Radiated)型干擾兩大類，傳導(dǎo)型干擾是指電磁騷擾通過(guò)電源線路、接地線和信號(hào)線傳播到對(duì)象所造成的干擾，例如，通過(guò)電源線傳入的雷電沖擊源產(chǎn)生的干擾，輻射干擾是指通過(guò)電磁源空間傳播到敏感設(shè)備的干擾，例如，輸電線路電暈產(chǎn)生的無(wú)線電干擾或電視干擾即屬于輻射型干擾，研究干擾的耦合途徑，對(duì)制定抗干擾的措施、消除或抑制干擾具有重要的意義。

2.3電磁干擾評(píng)價(jià)

研究系統(tǒng)中各類微電子設(shè)備的耐受電磁干擾能力，一般是采用試驗(yàn)來(lái)模擬運(yùn)行中可能出現(xiàn)的干擾，并在設(shè)備盡可能接近工作條件下，試驗(yàn)被試設(shè)備是否產(chǎn)生誤動(dòng)或永久性損壞，設(shè)備的抗干擾性決定于設(shè)備的工作原理，電子線路布置，工作信號(hào)電平，以及所采取的抗干擾措施，隨著強(qiáng)電設(shè)備和微電子設(shè)備一體化進(jìn)程的加快，任何評(píng)價(jià)這些設(shè)備耐受干擾的能力，研究實(shí)用有效的試驗(yàn)方法，制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將成為控制系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的重要課題。

2.3.1抗擾度電平:將某給定的電磁騷擾施加于某一裝置、設(shè)備或者系統(tǒng)而其仍然能夠正常工作并保持所需性能等級(jí)時(shí)的最大騷擾電平。也就是說(shuō)，超過(guò)此電平時(shí)該裝置的系統(tǒng)、設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)性能降低。而敏感性電平是指剛剛開(kāi)始出現(xiàn)性能降低的電平。所以對(duì)某一裝置、設(shè)備或者系統(tǒng)而言，擾性電平與敏感性電平是同一個(gè)數(shù)值。

2.3.2抗擾度裕量:裝置、設(shè)備或者系統(tǒng)的抗擾度限值與電磁兼容電平之間的差值。

2.4電能質(zhì)量

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議36學(xué)術(shù)委員會(huì)（電力系統(tǒng)電磁兼容）把電能質(zhì)量控制也列入電磁兼容的范疇，研究頻率變化、諧波、電壓閃變、電壓豫降等對(duì)用戶設(shè)備性能的影響。

3.電磁兼容控制技術(shù)

技術(shù)雖然進(jìn)步了，但電磁兼容的問(wèn)題卻越來(lái)越尖銳。可能產(chǎn)生的干擾耦合作用可能是來(lái)源于導(dǎo)線和低頻或高頻場(chǎng)的干擾。箱柜對(duì)機(jī)器或裝置在電磁兼容方面所做的貢獻(xiàn)就在于屏蔽了無(wú)限制的干擾場(chǎng)。設(shè)備柜內(nèi)部或其附近，外部或內(nèi)部的干擾源（例如，自然出現(xiàn)的火花、靜電放電或者人為造成的干擾源）都可能引起電磁效應(yīng)。所引起的高達(dá)幾百兆赫的高頻電磁場(chǎng)的周期性持續(xù)干擾源有SPS（脈沖重復(fù)頻率）、快速順序控制器、整流器、變頻器、快速開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)零件等。脈沖干擾是由于雷電或低壓電網(wǎng)、斷路裝置、高頻焊接機(jī)、感應(yīng)加熱、淬火裝置、電火花、變壓器或電感、線圈、電動(dòng)機(jī)接通產(chǎn)生的，也可能是由處于兆赫頻率范圍的熒光燈的接通產(chǎn)生的。

屏蔽、濾波、合理接地合理布局等抑制干擾的措施都是很有效的，在工程實(shí)踐中被廣泛采用。但是隨著電子系統(tǒng)的集成化、綜合化，以上措施的應(yīng)用往往會(huì)與成本、質(zhì)量、功能要求產(chǎn)生矛盾，必須權(quán)衡利弊研究出最合理的措施來(lái)滿足電磁兼容性要求。

3.1EMI濾波技術(shù)

3.1.1.濾波器結(jié)構(gòu)

3.2物理隔離技術(shù)

加大受擾電路、器件或裝置與干擾源之間的距離，是降低干擾的一種行之有效的措施，因?yàn)楦蓴_與距離的平方成反比，距離增加一倍干擾則降低四倍，因此，周密完善地考慮器件或設(shè)備的布置及布線，并盡量增大干擾源與受擾電路之間的距離，將大大降低干擾的傳播，減少系統(tǒng)的故障率。在實(shí)際安裝布線時(shí)，應(yīng)按其對(duì)干擾的靈敏度或按其本身功率的大小分門(mén)別類的進(jìn)行處理，布置的順序是：低電平模擬信號(hào)，一般數(shù)字信號(hào)，交流控制裝置，直流動(dòng)力裝置，交流動(dòng)力裝置等.

按照這樣的順序布置使其相互隔開(kāi)，保持一定距離，但有時(shí)要求設(shè)備之間，裝置的各種布線之間保持一定距離，在安裝場(chǎng)合受到限制、設(shè)備要求體積小的情況下，這種要求往往很難得到滿足。因此，尚需考慮其他措施。

3.3屏蔽技術(shù)

電子設(shè)備中某些元器件或電路中有電流流過(guò)時(shí)，其周圍空間將建立磁場(chǎng)；同時(shí)，電路某一部分所存儲(chǔ)的電荷，又在其周圍建立磁場(chǎng)；電能與磁場(chǎng)的相互急劇轉(zhuǎn)化將形成電磁干擾，這種電場(chǎng)與磁場(chǎng)，對(duì)設(shè)備本身來(lái)講屬于內(nèi)生干擾，降低了設(shè)備的抗擾容限。

嚴(yán)重時(shí)會(huì)使設(shè)備經(jīng)常發(fā)生故障。又如電焊機(jī)進(jìn)行焊接時(shí)，高頻加熱爐投入運(yùn)行時(shí)，以及大型用電設(shè)備的突然起停等都將對(duì)自動(dòng)化裝置產(chǎn)生干擾，這些屬于外生干擾。為了將產(chǎn)生的電場(chǎng)或磁場(chǎng)限制在某一規(guī)定的空間范圍內(nèi)，或?yàn)榱耸乖O(shè)備或元器件不受外部電磁場(chǎng)的影響，常常采用隔離屏蔽措施，其方法是將有關(guān)電路、元器件、或設(shè)備安裝在銅、鋁等低電阻材料或是磁性材料制成的屏蔽物內(nèi)，不使電場(chǎng)和磁場(chǎng)穿透這些屏蔽物。屏蔽一般分為以下幾類：

3.3.1.靜電屏蔽。

靜電屏蔽主要是為了消除兩個(gè)或幾個(gè)電路之間由于分布電容耦合而產(chǎn)生的干擾，如變壓器初次級(jí)線圈之間接地的屏蔽層即屬于這一類。導(dǎo)體A上載有交變正弦電動(dòng)勢(shì)E，在導(dǎo)體A附近有通過(guò)阻抗Z接地的導(dǎo)體B，A與B之間的電容為CAB，則電流I=E/（Z+1/jωCAB）,當(dāng)電動(dòng)勢(shì)E的角頻率ω小時(shí)，容抗1/jωCAB很大，所以電流I很小，但當(dāng)ω很高時(shí)，則I所產(chǎn)生的作用，就有可能破壞B的正常工作。如果將一接地導(dǎo)電平板置于A、B之間，導(dǎo)體S將從A到B的電力線截?cái)?，設(shè)在設(shè)在某一瞬間，導(dǎo)體A充有正電荷，這時(shí)平板S上將感應(yīng)負(fù)電荷，在導(dǎo)體S與B之間就不存在電場(chǎng)或使靜電場(chǎng)大大減弱。即由于S的存在，消除了導(dǎo)體A的電場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體B的影響，起到了電場(chǎng)屏蔽的作用，必須指出的是導(dǎo)體S接地是電場(chǎng)屏蔽的必要條件。

3.3.2低頻磁場(chǎng)屏蔽。

設(shè)有兩個(gè)相互靠近的電路，其中一個(gè)電路所產(chǎn)生磁通的一部分與另一電路相交鏈，其頻率越高感應(yīng)電壓越大，為避免這種相互影響，采取磁場(chǎng)屏蔽。對(duì)于恒定磁場(chǎng)和低頻磁場(chǎng)，利用高導(dǎo)磁率的鐵磁材料來(lái)實(shí)現(xiàn)屏蔽，即將磁力線限制在磁阻很小的磁屏蔽導(dǎo)體內(nèi)部，可獲得良好的屏蔽效果。

3.3.3電磁屏蔽。

對(duì)于高頻電磁干擾的屏蔽是通過(guò)反射或吸收的方法來(lái)承受或排除電磁能的，電磁干擾穿過(guò)一種介質(zhì)而進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，其中一部分被反射。電磁波在空氣和屏蔽交界面上未被反射的電磁能量將進(jìn)入屏蔽層，感應(yīng)出電流I2R損耗而被吸收。

屏蔽層所能吸收的能量A，取決于干擾場(chǎng)的頻率、屏蔽材料的厚度、導(dǎo)電率以及導(dǎo)磁率。其可用下式表示：

式中；A——為吸收能量（分貝）t——為屏蔽層的厚度F——為干擾場(chǎng)的頻率G——為相對(duì)于銅的導(dǎo)電率q——為相對(duì)于磁鐵的導(dǎo)磁率

任何結(jié)構(gòu)的金屬都是良好的電磁干擾吸收材料，增加屏蔽物的厚度，可以增加電磁干擾的吸收量。在低頻時(shí)其反射量小，且不受屏蔽層厚度的影響，故只能增加屏蔽層的吸收量來(lái)增大總屏蔽量。在高頻時(shí)，銅及鋁等導(dǎo)電材料制成的屏蔽層的反射量大于鋼，另外，由于鐵磁材料屏蔽物在高頻時(shí)，鐵磁介質(zhì)損耗很大，而銅和鋁等導(dǎo)電材料的吸收量大，磁力線穿過(guò)導(dǎo)電屏蔽層時(shí)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此電勢(shì)在屏蔽層內(nèi)部短路而產(chǎn)生渦流，渦流又產(chǎn)生反向磁力線，以抵消穿過(guò)屏蔽層的磁力線，從而起到了屏蔽作用。

3.4接地技術(shù)

目前在我國(guó)應(yīng)用的各種自動(dòng)化裝置的接地種類繁多,歸納起可分為以下幾類:

3.4.1.供電電源中性點(diǎn)的工作地，是指穩(wěn)定的供電系統(tǒng)中性點(diǎn)電位的接地。

3.4.2.防雷保護(hù)接地,是指在雷雨季節(jié)為防止雷電過(guò)電壓的保護(hù)接地。

3.4.3.安全保護(hù)地，是指為防止接觸電壓及跨步電壓危害人身和設(shè)備安全，而設(shè)置的自動(dòng)化裝置的金屬外殼的接地。

3.4.4.直流系統(tǒng)地(又稱為邏輯地、工作地)，它為自動(dòng)化裝置各個(gè)部分、各個(gè)環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位（一般是零點(diǎn)位）。這個(gè)地可以接大地，也可以僅僅是一個(gè)公共點(diǎn)。系統(tǒng)地如果與大地不相連，即系統(tǒng)地處于懸浮工作狀態(tài)，稱之為浮空地。3.4.5.屏蔽地，屏蔽地是為抑制各種干擾信號(hào)而設(shè)置的，屏蔽的種類很多，但都需要可靠的接地，屏蔽地就是屏蔽網(wǎng)絡(luò)的接地。

盡管由自動(dòng)化裝置構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，其自動(dòng)化裝置是由不同公司生產(chǎn)的，各公司的產(chǎn)品對(duì)接地的種類規(guī)定及接地電阻的阻值要求不盡相同，但設(shè)備的系統(tǒng)地要求比其它幾種接地要求要嚴(yán)格得多，并有越來(lái)越高的趨勢(shì)。為了避免諸“地”間相互干擾，上述幾種地都應(yīng)設(shè)置各自獨(dú)立的接地網(wǎng)絡(luò)。其接地線必須采用絕緣銅導(dǎo)線，連接到統(tǒng)一的接地點(diǎn)，以形成一個(gè)共同的電位點(diǎn)。

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)中必須要遵循一點(diǎn)地的原則：因系統(tǒng)有多臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)必須只能在一處接地，因?yàn)橄到y(tǒng)接地線和接地電阻都不可能為零，尤其是在高頻或瞬變狀態(tài)下更是如此；另外，當(dāng)有大電流從接地極注入大地時(shí)，接地極極其附近的大地電位升高，如有多點(diǎn)地則會(huì)出現(xiàn)接地點(diǎn)間的電位差，形成干擾。即使是同一臺(tái)設(shè)備中的系統(tǒng)地線，也應(yīng)遵守一點(diǎn)地原則，否則形成接地環(huán)路，各點(diǎn)之間的接地電位差將會(huì)形成干擾被引入其它電路。為了研究上述各種接地系統(tǒng)間的關(guān)系，分析接地網(wǎng)體系的諸