電磁兼容基礎(chǔ)知識全面詳解

什么是電磁兼容

電磁兼容性(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值;另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

電磁干擾源種類

電磁干擾源種類繁多，可按不同的方法進行分類。對測量環(huán)境中直接影響測量及測量設(shè)備的干擾來源可分為自然干擾源和人為干擾源。

自然干擾源包括：

(1)大氣噪聲干擾：如雷電產(chǎn)生的火花放電、屬于脈沖寬帶干擾，其覆蓋從數(shù)Hz到100MHz以上.傳播的距離相當(dāng)遠。

(2)太陽噪聲干擾：指太陽黑子的輻射噪聲。在太陽黑子活動期.黑子的爆發(fā).可產(chǎn)生比平穩(wěn)期高數(shù)千倍的強烈噪聲.致使通信中斷。

(3)寧宙噪聲：指來自宇宙天體的噪聲。

(4)靜電放電：人體、設(shè)備上所積累的靜電電壓可高達幾萬伏直到幾十萬伙.常以電暈或火花方式放掉，稱為靜電放電。靜電放電產(chǎn)生強大的瞬間電流和電磁脈沖，會導(dǎo)致靜電敏感器件及設(shè)備的損壞。靜電放電屬脈沖寬帶干擾、頻譜成分從直流一直連續(xù)劍中頻頻段。

人為干擾源指而電氣電子設(shè)備和其他人工裝置產(chǎn)生的電磁干擾。這里所說的人為干擾源都是指無意識的干擾。至于為了達到某種目的而有意施放的干擾，如電子對抗等不屬于本文討論范圍。

任何電子電氣設(shè)備都可能產(chǎn)生人為干擾。在此，只是提到一些常見的干擾測量環(huán)境的干擾源。

(1)無線電發(fā)射設(shè)備：包括移動通信系統(tǒng)、廣播、電視、雷達、導(dǎo)航及無線電接力通信系統(tǒng).如微波接力，衛(wèi)星通信等。因發(fā)射的功率大，其基波信號可產(chǎn)生功能性干擾;諧波及亂真發(fā)射構(gòu)成非功能性的無用信號干擾。

(2)工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療(ISM)設(shè)備：如感應(yīng)加熱設(shè)備、高頻電焊機、X光機、高頻理療設(shè)備等.強大的輸出功率除通過空間輻射干擾外，還通過工頻電力網(wǎng)干擾遠方的設(shè)備。

(3)電力設(shè)備：包括伺服電機、電鉆、繼電器、電梯等設(shè)備通、斷產(chǎn)生的電流劇變及伴隨的電火花成為干擾源：電力系統(tǒng)中的非線性負載(如電弧爐等)、間斷電源(UPS)等同態(tài)電源轉(zhuǎn)換設(shè)備產(chǎn)生大量諧波涌入電網(wǎng)成為干擾源：日光燈等照明設(shè)備也產(chǎn)生輝光放電噪聲干擾。

(4)汽車、內(nèi)燃機點火系統(tǒng)：汽車點火系統(tǒng)產(chǎn)生寬帶干擾，從幾百千赫到幾百兆赫干擾強度幾乎不變。

(5)電網(wǎng)干擾：指由50Hz交流電網(wǎng)強大的電磁場和大地漏電流產(chǎn)生的干擾，以及高壓輸電線的電暈和絕緣斷裂等接觸不良產(chǎn)生的微弧和受污染導(dǎo)體表面的電火花。

(6)高速數(shù)字電子設(shè)備：包括計算機和相關(guān)設(shè)備。

上述電磁干擾源就產(chǎn)生的機理而言，有：放電噪聲(雷電、靜電放電、輝光放電等).接觸噪聲，電路的過渡現(xiàn)象，電磁波反射現(xiàn)象等。傳輸線中電磁波反射足高頻測量與數(shù)字設(shè)備必須認真對待的干擾源。

電磁干擾的危害

干擾電視的收看、廣播收音機的收聽。

數(shù)字系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)的丟失。

在設(shè)備分系統(tǒng)或系統(tǒng)級正常工作的破環(huán)。

醫(yī)療電子設(shè)備的工作失常。

自動化微處理器控制系統(tǒng)的工作失控。

導(dǎo)航系統(tǒng)的工作失常。

起爆裝置的無意爆炸。

工業(yè)過程控制功能的失效。

除上以外強電場還會對生物體造成影響，一般可以分為熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)。對于熱效應(yīng)，隨著射頻入射功率密度的逐漸增加，可以出現(xiàn)血流加快、血液分布較少部位的局部體溫升高、酶活性降低、蛋百質(zhì)變性、心率改變甚至體溫調(diào)節(jié)能力受抑制、局部組織受損直至死亡等。而對于非熱效應(yīng)，其影響就廣泛的多。包括對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、血液免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)與胚胎發(fā)育的影響等。這些影響不僅反應(yīng)在個體級、器官級而且影響到細胞級。

電磁兼容設(shè)計要求

在進行電磁兼容設(shè)計時要求：①明確系統(tǒng)的電磁兼容指標(biāo)。電磁兼容設(shè)計包括本系統(tǒng)能保持正常工作的電磁干擾環(huán)境和本系統(tǒng)干擾其它系統(tǒng)的允許指標(biāo)。②在了解本系統(tǒng)干擾源、被干擾對象、干擾途徑的基礎(chǔ)上，通過理論分析將這些指標(biāo)逐級分配到各分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、電路和元件、器件上。③根據(jù)實際情況，采取相應(yīng)措施抑制干擾源，消除干擾途徑，提高電路的抗干擾能力。④通過實驗來驗證是否達到了原定的指標(biāo)要求，如未達到則進一步采取措施，循環(huán)多次，直至達到原定指標(biāo)為止。

電磁兼容主要研究對象

①各種人為噪聲，如輸電線電暈噪聲、汽車噪聲、接觸器自身噪聲及導(dǎo)體開臺時放電引起的噪聲、電氣機車噪聲、城市噪聲等。

②共用走廊內(nèi)各種公用事業(yè)設(shè)備(輸電線、通信、鐵路、公路、石油金屬管線等)相互間的影響。

③超高層建筑、輸電線、鐵塔等大型建筑物引起的反射問題。

④電磁環(huán)境對人類及各種生物的作用。其中包括強電線等工頻場，中、短波及微波電磁輻射的影響。

⑤核電磁脈沖的影響。高空核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖能大面積破壞地面上的指揮、控制、通信、計算機及報系統(tǒng)。

⑥探譜(TEMPEST)技術(shù)。其實質(zhì)內(nèi)容是針對信息設(shè)備的電磁輻射與信息泄漏問題，從信息接收和防護兩方面所開展的一系列研究工作。

⑦電子設(shè)備的誤動作。為了防止誤動作，必須采取措施以提高設(shè)備的抗干擾能力。

⑧頻譜分配與管理。無線電頻譜是一種有限的資源，但不是消耗性的，既要科學(xué)地管理，又要充分地利用。

⑨電磁兼容與測量。

⑩自然界影響等。

電磁兼容測量的基本方法

1、電磁輻射發(fā)射測量系統(tǒng)

電磁場輻射測量是測量電氣、電子設(shè)備的電磁輻射強度

2、電磁輻射敏感度測試系統(tǒng)：其測量方法主要由以下幾種

1)用發(fā)射天線產(chǎn)生騷擾電磁場，

2)用TEM小室或GTEM小室產(chǎn)生騷擾電磁場，

3)用混響室產(chǎn)生騷擾電磁場，

4)用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場

3、傳導(dǎo)發(fā)射測量系統(tǒng)：有以下幾種測量方法

1)通過線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN，

2)用電流探頭測量電源線上的干擾電源，

3)通過功率吸收鉗來測量電源線上的干擾功率

4、傳導(dǎo)敏感度測試系統(tǒng)：往入干擾信號有以下幾種方法

1)通過變壓器向被測線路往入干擾信號，

2)通過耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)向被測線路往入干擾信號，

3)通過注入探頭向被測線往入干擾信號.

提高電磁兼容性的措施

①使用完善的屏蔽體可防止外部輻射進入本系統(tǒng)，也可防止本系統(tǒng)的干擾能量向外輻射。屏蔽體應(yīng)保持完整性，對必不可少的門、縫、通風(fēng)孔和電纜孔等須妥善處理，屏蔽體要有可靠的接地。

②設(shè)計合理的接地系統(tǒng)，小信號、大信號和產(chǎn)生干擾的電路盡量分開接地，接地電阻盡可能小。

③使用合適的濾波技術(shù)，濾波器的通帶經(jīng)過合理選擇，盡量減小漏電損耗。

④使用限幅技術(shù)，限幅電平應(yīng)高于工作電平，并且應(yīng)雙向限幅。

⑤正確選用連接電纜和布線方式，必要時可用光纜代替長電纜。

⑥采用平衡差動電路、整形電路、積分電路和選通電路等技術(shù)。

⑦系統(tǒng)頻率分配要恰當(dāng)。當(dāng)一個系統(tǒng)中有多個主頻信號工作時，盡量使各信號頻率避開，甚至避開對方的諧振頻率。⑧共用走廊的各種設(shè)備，在條件許可時，應(yīng)保持較大的隔距，以減輕相互之間的影響。

電磁兼容課程的特點

1、電磁兼容以電磁理論為基礎(chǔ)。因此電磁兼容原理是以電磁場理論為基礎(chǔ)的。

2、電磁兼容是一門綜合性邊緣學(xué)科。因此，掌握電磁兼容需要多學(xué)科知識基礎(chǔ)。

3、電磁兼容實踐性較強。因此，要掌握并靈活運用電磁兼容技術(shù)需要設(shè)計者不斷地去實踐，積累經(jīng)驗。

4、大量引用無線電技術(shù)的概念和術(shù)語。

5、計量單位的特殊性。電磁兼容工程中最常用的度量單位是分貝(dB)

電磁兼容的實施

1.電源供電：由于很多電磁干擾都是通過電源耦合到電子設(shè)備中的，所以在系統(tǒng)供電上做專門的電磁兼容性設(shè)計。增加有效的變壓、穩(wěn)壓、濾波電路，使用高效率的開關(guān)電源芯片和穩(wěn)壓濾波效果很好的低壓差線性電源芯片為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。

2.使用去耦電容：每個集成電路的電源，地之間都加一個去耦電容。去耦電容有兩個作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能;另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。

3.地線分隔：采用4層電路板設(shè)計以減小電源，地的寄生電感，有效增強系統(tǒng)的EMC性能。單獨的電源層和地層可以有效防止器件之間通過地線和電源的相互耦合，另外對于有不同性質(zhì)的地線采用分割隔離的方法，使不同屬性的地線的電流走不同的路徑，可防止信號串?dāng)_。

通信接口：系統(tǒng)的485、232、USB等通訊接口外接線纜，且與外部設(shè)備有直接聯(lián)系，所以也易于受到各種電磁干擾，為了增強這些通訊接口的抗擾能力，在通訊信號線上串連磁珠和并聯(lián)壓敏電阻，以及濾波電容;

另外，為了增強抗擾度，同時降低騷擾度，在布置PCB板時要遵循以下原則：

1.石英晶體振蕩器盡量靠近到用該時鐘的器件，時鐘線盡量短，外殼要接地，用地線將時鐘區(qū)圈起來。

石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。

2.I/O驅(qū)動電路盡量靠近印刷板邊，讓其盡快離開印刷板。對進入印制板的信號要加濾波，從高噪聲區(qū)來的信號也要加濾波，同時用串終端電阻的辦法，減小信號反射。

3.MCU無用端要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。閑置不用的門電路不要懸空。

4.印制板盡量使用45折線而不用90折線布線以減小高頻信號對外的發(fā)射與耦合。

5.正確選擇單點接地與多點接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點接地。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點接地法。

6.將數(shù)字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。

7.盡量加粗接地線。若接地線很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm。

8.將接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路組件，尤其遇有耗電多的組件時，因受接地線粗細的限制，會在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路，則會縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。

9.選擇合理的導(dǎo)線寬度。由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感成分造成的，因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量。印制導(dǎo)線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導(dǎo)線對抑制干擾是有利的。時鐘引線、行驅(qū)動器或總線驅(qū)動器的信號線常常載有大的瞬變電流，印制導(dǎo)線要盡可能地短。對于分立組件電路，印制導(dǎo)線寬度在1.5mm左右時，即可完全滿足要求;對于集成電路，印制導(dǎo)線寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。

10.采用正確的布線策略。采用平等走線可以減少導(dǎo)線電感，但導(dǎo)線之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，具體做法是印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。為了抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_，在設(shè)計布線時應(yīng)盡量避免長距離的平等走線。