電磁兼容基本概念

問：什么是EMI？與EMS及EMC有何區(qū)別？

答：在電氣干擾領(lǐng)域有許多英文縮寫。這里所提EMI(ElectroMagneticInterference)直譯是電磁干擾。這是合成詞，我們應(yīng)該分別考慮“電磁”和“干擾”。

所謂“干擾”，指設(shè)備受到干擾后性能降低以及對(duì)設(shè)備產(chǎn)生干擾的干擾源這二層意思。第一層意思如雷電使收音機(jī)產(chǎn)生雜音，摩托車在附近行駛后電視畫面出現(xiàn)雪花，拿起電話后聽到無線電聲音等，這些可以簡稱其為與“BCI”“TVI”“TelI”，這些縮寫中都有相同的“I”（干擾）（BC：廣播）

那么EMI標(biāo)準(zhǔn)和EMI檢測(cè)是EMI的哪部分呢？理所當(dāng)然是第二層含義，即干擾源，也包括受到干擾之前的電磁能量。

其次是“電磁”。電荷如果靜止，稱為靜電。當(dāng)不同的電位向一致移動(dòng)時(shí)，便發(fā)生了靜電放電，產(chǎn)生電流，電流周圍產(chǎn)生磁場。如果電流的方向和大小持續(xù)不斷變化就產(chǎn)生了電磁波。

電以各種狀態(tài)存在，我們把這些所有狀態(tài)統(tǒng)稱為電磁。所以EMI標(biāo)準(zhǔn)和EMI檢測(cè)是確定所處理的電的狀態(tài)，決定如何檢測(cè)，如何評(píng)價(jià)。

與EMS和EMC的區(qū)別在哪里？

EMS（ElectroMagneticSusceptibility）直譯是“電磁敏感度”。其意是指由于電磁能量造成性能下降的容易程度。為通俗易懂，我們將電子設(shè)備比喻為人，將電磁能量比做感冒病毒，敏感度就是是否易患感冒。如果不易患感冒，說明免疫力強(qiáng)，也就是英語單詞Immunity，即抗電磁干擾性強(qiáng)。

EMC（ElectroMagneticCompatibility）直譯是“電磁兼容性”。意指設(shè)備所產(chǎn)生的電磁能量既不對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生干擾，也不受其他設(shè)備的電磁能量干擾的能力。

EMC這個(gè)術(shù)語有其非常廣的含義。如同盲人摸象，你摸到的與實(shí)際還有很大區(qū)別。特別是與設(shè)計(jì)意圖相反的電磁現(xiàn)象，都應(yīng)看成是EMC問題。

電磁能量的檢測(cè)、抗電磁干擾性試驗(yàn)、檢測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理、電磁能量輻射抑制技術(shù)、雷電和地磁等自然電磁現(xiàn)象、電場磁場對(duì)人體的影響、電場強(qiáng)度的國際標(biāo)準(zhǔn)、電磁能量的傳輸途徑、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及限制等均包含在EMC之內(nèi)。

問：最近出現(xiàn)很多帶有干擾這個(gè)名詞的東西，請(qǐng)問什么是干擾？

答：最近“干擾”的概念使用越來越廣泛，與必須存在的東西相對(duì)應(yīng)，一切不希望有的東西都可稱做“干擾”。

具體到“電磁干擾”，可以按照下面所列七類進(jìn)行劃分：

按照發(fā)生源劃分
按照傳播路徑劃分
按照輻射干擾的產(chǎn)生原因劃分
按照不同設(shè)備的工作原理劃分
按照發(fā)生的頻率劃分
按照頻率范圍劃分
不同的交流電源
而且可以在每一類中進(jìn)一步分類。根據(jù)發(fā)生源可將干擾細(xì)分如圖1～圖4。



圖1電磁干擾源類別


圖2自然干擾源類別



圖3人為干擾源類別



圖4內(nèi)部干擾源類別

從受干擾方面來看，外來噪聲是外界干擾，內(nèi)部噪聲是機(jī)內(nèi)噪聲。

除此之外，噪聲按傳遞途徑分類如圖5所示。


圖5按照干擾傳輸路徑分類

干擾傳播的途徑如圖6所示。有通過電源線、信號(hào)線、地線、大地等途徑傳播的“傳導(dǎo)干擾”，也有通過空間直接傳播的“空間干擾”。

這些噪聲并不獨(dú)立存在，在傳播過程中又會(huì)出現(xiàn)新的復(fù)雜噪聲。



圖6干擾傳播路徑

造成數(shù)字電路工作不正常的干擾可分為：①電源干擾，②反射，③振鈴（LC共振）：上沖、下沖，④狀態(tài)翻轉(zhuǎn)干擾，⑤串?dāng)_干擾（相互干擾、串音），⑥直流電壓跌落。

造成開關(guān)電源質(zhì)量下降的干擾分為：①出現(xiàn)在輸出入端子上的干擾（電流交流聲，尖峰脈沖噪聲，回流噪聲）；②影響內(nèi)部工作的干擾（開關(guān)干擾，振蕩，再生噪聲）。

按發(fā)生的頻率分為：突發(fā)干擾，脈沖干擾，周期性干擾，瞬時(shí)干擾，隨機(jī)干擾，跳動(dòng)干擾。

造成交流電源質(zhì)量下降的干擾分為：高次諧波干擾，保護(hù)繼電器，開關(guān)的震顫干擾，雷電涌，尖峰脈沖干擾，噴射環(huán)電弧，瞬時(shí)浪涌。

將來可能會(huì)將下面這些項(xiàng)目歸入到交流干擾內(nèi)：瞬時(shí)停電，瞬時(shí)下降，頻率變化，電壓變化，高次諧波失真。

另外還干擾按頻率分為：低頻干擾，高頻干擾。

如上所述，干擾可以分成很多類別，這些干擾既產(chǎn)生于電氣電子設(shè)備，又干擾電氣電子設(shè)備，造成設(shè)備的故障和停用，帶來經(jīng)濟(jì)和人員傷害。為了使各種設(shè)備能夠互不干擾，正常工作，應(yīng)運(yùn)而生了EMC技術(shù)。

簡而言之，EMC是“不發(fā)干擾，不受干擾”。現(xiàn)在國內(nèi)外都在研究開發(fā)EMC技術(shù)，并應(yīng)用于電氣電子設(shè)備的制造中。

問：什么是共模干擾和差模干擾？為什么有二種？

答：從干擾源發(fā)出的干擾泄漏到外部的途徑、或者是干擾侵入到受干擾的設(shè)備中的途徑，有電壓、電流通過電源線或信號(hào)線的傳導(dǎo)傳輸和靠電磁波在空間輻射傳輸二種途徑。

電壓電流的變化通過導(dǎo)線傳輸時(shí)有二種形態(tài)，我們將此稱做“共模”和“差?！?。設(shè)備的電源線、電話等的通信線、與其它設(shè)備或外圍設(shè)備相互交換的通訊線路，至少有兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線作為往返線路輸送電力或信號(hào)。但在這兩根導(dǎo)線之外通常還有第三導(dǎo)體，這就是“地線”。干擾電壓和電流分為兩種：一種是兩根導(dǎo)線分別做為往返線路傳輸；另一種是兩根導(dǎo)線做去路，地線做返回路傳輸。前者叫“差?！保笳呓小肮材！薄?BR>
如圖1所示，電源、信號(hào)源及其負(fù)載通過兩根導(dǎo)線連接。流過一邊導(dǎo)線的電流與另一邊導(dǎo)線的電流幅度相同，方向相反。但是干擾源并不一定連接在兩根導(dǎo)線之間。由于噪聲源有各種形態(tài)，所以也有在兩根導(dǎo)線與地線之間的電壓。其結(jié)果是流過兩根導(dǎo)線的干擾電流幅度不同。


圖1差模干擾

請(qǐng)看圖2，在加在兩線之間的干擾電壓的驅(qū)動(dòng)下，兩根導(dǎo)線上有幅度相同但方向相反的電流（差模電流）。但如果同時(shí)在兩根導(dǎo)線與地線之間加上干擾電壓，兩根線就會(huì)流過幅度和方向都相同的電流，這些電流（共模）合在一起經(jīng)地線流向相反方向。我們來考察流過兩根導(dǎo)線的電流。一根導(dǎo)線上的差模干擾電流與共模干擾同向，因此相加；另一根導(dǎo)線上的差模噪聲與共模噪聲反向，因此相減。因此，流經(jīng)兩根導(dǎo)線的電流具有不同的幅度。

我們?cè)賮砜紤]一下對(duì)地線的電壓。如圖2，對(duì)于差模電壓，一根導(dǎo)線上是（線間電壓）/2，而另一根導(dǎo)線上是-（線間電壓）/2，因而是平衡的。但共模電壓兩根導(dǎo)線上相同。所以當(dāng)兩種模式同時(shí)存在時(shí)，兩根導(dǎo)線對(duì)地線的電壓也不同。


圖2對(duì)地電壓/電流與差模、共模電壓/電流之間的關(guān)系

因此，當(dāng)兩根導(dǎo)線對(duì)地線電壓或電流不同時(shí)，可通過下列方法求出兩種模式的成分：

ＶN=（Ｖ1-Ｖ2）/2Ｖc=（Ｖ1+Ｖ2）/2

ＩN=（Ｉ1-Ｉ2）/2Ｉc=（Ｉ1+Ｉ2）/2

通過被連接的電路，兩根導(dǎo)線終端與地線之間存在著阻抗。這兩條線的阻抗一旦不平衡，在終端就會(huì)出現(xiàn)模式的相互轉(zhuǎn)換。即通過導(dǎo)線傳遞的一種模式在終端反射時(shí)，其中一部分會(huì)變換成另一種模式。

另外，通常兩根導(dǎo)線之間的間隔較小，導(dǎo)線與地線導(dǎo)體之間距離較大。所以若考慮從導(dǎo)線輻射的干擾，與差模電流產(chǎn)生的輻射相比，共模電流輻射的強(qiáng)度更大。

與此相反，可以說因外部電磁場干擾在導(dǎo)線上產(chǎn)生的干擾電壓/電流，或附近的導(dǎo)線等產(chǎn)生的靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等的耦合是一樣的。

問：傳導(dǎo)噪聲與輻射噪聲的區(qū)別是什么？

答：當(dāng)我們開空調(diào)時(shí)，室內(nèi)的熒光燈會(huì)出現(xiàn)瞬間變暗的現(xiàn)象，這是因?yàn)榇罅侩娏髁飨蚩照{(diào)，電壓急速下降，利用同一電源的熒光燈受到影響。還有使用吸塵器時(shí)收音機(jī)會(huì)出現(xiàn)啪啦啪啦的雜音。原因是吸塵器的馬達(dá)產(chǎn)生的微弱（低強(qiáng)度高頻的）電壓/電流變化通過電源線傳遞進(jìn)入收音機(jī)，以雜音的形式放了出來。

這種由一個(gè)設(shè)備中產(chǎn)生的電壓/電流通過電源線、信號(hào)線傳導(dǎo)并影響其它設(shè)備時(shí)，將這個(gè)電壓/電流的變化叫做“傳導(dǎo)干擾”。所以為對(duì)癥下藥，通常采用的方法是給發(fā)生源及被干擾設(shè)備的電源線等安裝濾波器，阻止傳導(dǎo)干擾的傳輸。另外，當(dāng)當(dāng)信號(hào)線上出現(xiàn)噪聲時(shí)，將信號(hào)線改為光纖，也可隔斷傳輸途徑。

當(dāng)摩托車從附近道路通過時(shí)，電視會(huì)出現(xiàn)雪花狀干擾。這是因?yàn)槟ν熊圏c(diǎn)火裝置的脈沖電流產(chǎn)生了電磁波，傳到空間再傳給附近的電視天線、電路上，產(chǎn)生了干擾電壓/電流。

象這種通過空間傳播，并對(duì)其它設(shè)備電路產(chǎn)生無用電壓/電流，造成危害的干擾稱為“輻射干擾”。由于傳播途徑是空間，解決輻射干擾的方法除前面所講的濾波之外，還要對(duì)設(shè)備進(jìn)行屏蔽方能有效。

如上所述，干擾的根源是電壓/電流產(chǎn)生不必要的變化，這種變化通過導(dǎo)線直接傳遞給其它設(shè)備，造成危害，這叫“傳導(dǎo)干擾”。另外，由于電壓電流變化而產(chǎn)生的電磁波通過空間傳播到其它設(shè)備中，在電路或?qū)Ь€上產(chǎn)生不必要的電壓/電流，并造成危害的干擾叫“輻射干擾”。但是，實(shí)際上并不能這樣簡單區(qū)分。

例如：文字處理機(jī)或計(jì)算機(jī)等計(jì)算設(shè)備的干擾源，雖然是在設(shè)備內(nèi)部電路上流動(dòng)的數(shù)字信號(hào)的電壓/電流，但這些干擾以傳導(dǎo)干擾的方式通過電源線或信號(hào)線泄漏，直接傳遞給其他設(shè)備。同時(shí)這些導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁波以輻射干擾的形式危及附近的設(shè)備。而且計(jì)算設(shè)備本身內(nèi)部電路也產(chǎn)生電磁波，以輻射干擾的形式危及其他設(shè)備。

最后，就輻射干擾再做一些較詳細(xì)的說明。

根據(jù)天線原理，如果導(dǎo)線的長度與波長相等，則容易產(chǎn)生電磁波。例如：數(shù)米長的電源線會(huì)產(chǎn)生VHF頻帶（30M-300MHz）的輻射干擾。在比此頻率低的頻帶內(nèi)，因波長較長，當(dāng)電源線中流過同樣的電流時(shí)，不會(huì)輻射太強(qiáng)的電磁波。所以在30MZz以下的低頻帶主要是傳導(dǎo)干擾。但是，伴隨著傳導(dǎo)干擾會(huì)在電源線周圍產(chǎn)生干擾磁場，給AM廣播等帶來干擾。

另外，如前所述，由于在VHF寬帶內(nèi)電源線泄漏的干擾能轉(zhuǎn)變成電磁波擴(kuò)散到空間，因此輻射干擾成為比傳導(dǎo)干擾更主要的問題。在比此更高的頻率上，比電源線尺寸更小的設(shè)備內(nèi)部電路會(huì)產(chǎn)生輻射干擾，危害其它設(shè)備。

總而言之，當(dāng)設(shè)備和導(dǎo)線的長度比波長短時(shí)，主要問題是傳導(dǎo)干擾，當(dāng)它們的尺寸比波長長時(shí)，主要問題是輻射干擾。

問：為何要對(duì)電磁干擾發(fā)射加以規(guī)范？實(shí)際中真會(huì)出現(xiàn)危害嗎？

答：無線電頻譜是人類共有的有限資源。為了有效利用這些資源、保護(hù)為開展必要的無線電業(yè)務(wù)（如：廣播，移動(dòng)、固定、無繩電話，無線導(dǎo)航業(yè)務(wù)等）而使用的無線電頻譜，必須限制無用的干擾波（如：電子望遠(yuǎn)鏡泄漏的基波及高次諧波，接收機(jī)本地振蕩器的輻射，信息技術(shù)設(shè)備泄漏的高頻信號(hào)，冰箱、洗衣機(jī)、食品絞汁機(jī)、烤面包器等工作時(shí)輻射的無線電頻譜）的輻射。而且為了今后進(jìn)一步合理利用、開展無線電業(yè)務(wù)，必須確保頻率頻譜不被侵占。

首先，要決定應(yīng)該保護(hù)的無線電業(yè)務(wù)電場強(qiáng)度水平及檢測(cè)干擾的臨界值，考慮干擾源和受擾設(shè)備位置關(guān)系（保護(hù)距離）等能夠容許的干擾強(qiáng)度。其次，應(yīng)以所有容許的干擾強(qiáng)度為基準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使即使有干擾波侵入也不發(fā)生誤動(dòng)作。

因此，首先要保證無用的干擾波發(fā)射不要超過限制規(guī)定；其次必須預(yù)先掌握能夠容許的干擾波強(qiáng)度。

當(dāng)然，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就要非常關(guān)注能使用的頻率頻譜。使用廣播接收機(jī)時(shí)事前就要考慮本地振蕩頻率，工業(yè)、科研及醫(yī)用無線頻譜設(shè)備事前都要確認(rèn)能使用的頻率頻譜。但對(duì)數(shù)字設(shè)備、馬達(dá)應(yīng)用設(shè)備及有開關(guān)觸點(diǎn)的設(shè)備（烤面包機(jī)等使用恒溫器的設(shè)備），由于其頻率頻譜帶寬，有可能進(jìn)入規(guī)定的頻譜中。所以主管電波管理的行政部門要制定限制對(duì)電磁發(fā)射的容許值。

但其中重要的是在計(jì)算容許值時(shí)，沒有考慮自家同時(shí)使用有可能成為干擾源的設(shè)備和受擾設(shè)備的情況。以不會(huì)給第三者帶來干擾為前提確定的容許值。

為此，我們引進(jìn)了一個(gè)概念——保護(hù)距離。即應(yīng)該知曉在某種條件下使用設(shè)備時(shí)，仍可能會(huì)產(chǎn)生干擾。

如前所述，在高度發(fā)達(dá)的信息社會(huì)，為了保護(hù)廣義上的信息傳輸設(shè)備，為了有效利用所需的頻率頻譜，應(yīng)該盡可能地限制無用的干擾波。

問：輻射干擾及傳導(dǎo)干擾的規(guī)定值是如何確定的？

答：通過電源線傳導(dǎo)的“傳導(dǎo)干擾”和通過空間傳播的“輻射干擾”會(huì)影響其它設(shè)備，當(dāng)這些干擾較強(qiáng)時(shí)，便被TV、收音機(jī)接收，成為干擾波。這里要研究的是多強(qiáng)的干擾可以不與理會(huì)。如表1、2所列，在FCCPart15中規(guī)定了傳導(dǎo)干擾限值和非功能輻射器輻射出的電磁波的限值。

順便說一下，即使是符合FCC及VCCI的輻射干擾規(guī)定的設(shè)備，在其附近的地方放置收音機(jī)也能聽到雜音。例如：將符合3m法規(guī)定的設(shè)備放在AM收音機(jī)附近，如30cm時(shí)，由于20log（3/0.3）=20[dB]，因此輻射干擾增加20dB，收音機(jī)受到干擾的機(jī)會(huì)增大。

舉例來說：A級(jí)設(shè)備在80MHz頻率處，即使以80μV/m的輻射強(qiáng)度合格，當(dāng)距離減小為30cm時(shí)，其輻射強(qiáng)度便成為800μV/m，是標(biāo)準(zhǔn)值100μV/m的8倍（高出18.1dB）。作為干擾足以被收音機(jī)接收到。

再者，干擾電波具有一種特性，當(dāng)從發(fā)生源很近的地方附近移開時(shí)，先以距離三次方的速率衰減，稍遠(yuǎn)些時(shí)，以距離的二次方速率衰減，最后隨距離線性衰減。相反，隨著距離的減小，當(dāng)靠近干擾源時(shí)，干擾強(qiáng)度就會(huì)急劇增加。

具有法律約束的“EMI標(biāo)準(zhǔn)”主要著眼點(diǎn)是抑制對(duì)分配的無線頻率產(chǎn)生干擾的RFI干擾。也就是說，要對(duì)廣播電視、飛機(jī)導(dǎo)航、緊急無線等國家認(rèn)可的“無線通訊”產(chǎn)生干擾的電波加以限制。

可以這樣解釋，受到干擾的“無線通訊”能夠忍受的最大限值。即使?jié)M足了工作需要，因使用條件不同，仍存在著引起干擾的危險(xiǎn)性，因此可以理解是“限度值”。

將此與以將國際標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容統(tǒng)一為目標(biāo)的CISPR相比較略有不同。CISPR是各國代表自由審議產(chǎn)生的。各國EMI標(biāo)準(zhǔn)反映了各自國家的具體情況，最終要由各國自己制定（德國、美國以法律形式，日本的VCCI自行制定）。CISPR公布的內(nèi)容無法律約束力。


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雖說如此，但最近各國仍在協(xié)商妥協(xié)，這種傾向今后還會(huì)繼續(xù)下去。



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