淺談電磁兼容控制、設計及其測試

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

關鍵詞: 電磁兼容性;控制;設計;測試

自從電子系統(tǒng)降噪技術在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)品符合嚴格的磁化系數(shù)和發(fā)射準則。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)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

國際標準化組織已經(jīng)和正在制定EMC 的有關標準和規(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)濟的發(fā)展，我國要參與世界技術市場的競爭，進出口的電子產(chǎn)品都必須通過EMC檢驗。我國98 年已立法強制對六類進口電子產(chǎn)品(計算機、顯示器、打印機、開關電源、電視機和音響)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 認證機構和實驗室。產(chǎn)品的EMC 檢測是實現(xiàn)電磁兼容不可缺少的技術手段，強制貫徹電磁兼容標準，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 學科是在早期單純的抗干擾方法基礎上發(fā)展形成的，兩者的目標都是為了使設備和系統(tǒng)達到在共存的環(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，或者認識比較膚淺，主要的思路集中在怎樣設法抑制干擾的傳播上，因此工程技術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，當然經(jīng)驗豐富的工程師也會采取預防措施，但這僅僅是根據(jù)經(jīng)驗局部的應用，解決問題的方法也是單純的對抗式的措施。

EMC 技術在控制干擾的策略上采取了主動預防、整體規(guī)劃和“對抗”與“疏導”相結合的方針。人類在征服大自然各種災難性危害中，總結出的預防和救治、對抗和疏導等一系列策略，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，應該在設備和系統(tǒng)設計、研制、生產(chǎn)、使用與維護的各階段都充分的予以考慮和實施才可能有效。科學而先進的EMC 工程管理是有效控制技術的重要組成部分。在控制方法，除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術，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的技術處理，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技術簡單而巧妙，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上，應該由設備研制后期暴露出不兼容問題而采取挽救修補措施的被動控制方法，轉變成在設備設計初始階段就開展預測分析和設計，預先檢驗計算，并全面規(guī)劃實施細則和步驟，做到防患于未然。把EMC 設計和可靠性設計，維護性、維修性設計與產(chǎn)品的基本功能結構設計同時進行，并行開展。EMC 控制技術是現(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：時間共用準則、雷達脈沖同步、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。

電磁兼容性的設計方法

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

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

下面具體談點粗淺認識。

元器件的選擇和電路的分析是EMC 設計基礎

以計算機為例.它是以數(shù)字電路為主，以低電平傳輸信號的設備。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，在設計時要考慮選用抗干擾器件，合理確定指標和運用接地、屏蔽等技術。

電源系統(tǒng)的EMC 設計

無論是信息技術設備還是無線電電子、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重的電磁干擾源。如電網(wǎng)的沖擊，尖峰電壓可高達千伏以上，會給設備或系統(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備的途徑。因此，電源系統(tǒng)，特別是開關電源的EMC 設計是部件級設計的重要環(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等。

接地系統(tǒng)的抗干擾設計

良好的接地可以保護設備或系統(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。當電路多點接地，井有信號聯(lián)系時，就將構成地環(huán)路干擾電壓。因此，接地技術十分講究，如信號接地與電源接地要分開，復雜電路采用多點接地和公共地等。

印制電路板的EMC 設計

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 工程設計非常關鍵。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。嚴格執(zhí)行印制電路板的工藝標準和規(guī)范，模擬和數(shù)字電路分層布局，以達到板上各電路之間的相互兼容。

另外，值得注意的是在進行EMC 設計時，一定不能忽略對靜電放電(ESD)的防護。ESD 防護的關鍵，一是防止靜電核的產(chǎn)生和積累，再就是阻隔ESD 效應的發(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 設計與EMC 測試是相輔相成的。EMC設計的好壞是要通過EMC 測試來衡量的。只有在產(chǎn)品的EMC 設計和研制的全過程中，進行EMC 的相容性預測和評估，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措施，從而確保系統(tǒng)的EMC。否則，當產(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計或采用補救的措施。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，測試方法以各類標準為依據(jù)，測量儀器以頻域為基礎，試驗場地是進行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 權威機構審定和質(zhì)量體系認證，而且具有法定測試資格的綜合性設計與測試實驗室。或稱檢測中心。它包括進行傳導干擾、傳導敏感度及靜電放電敏感度測試的屏蔽室，進行輻射敏感度測試的消聲屏蔽室，用來進行輻射發(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。主要適用于預相容測試和EMC 評估。也就是為了使產(chǎn)品在最后進行EMC 認證之前，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，進行相互比對和交流，以達節(jié)約開支，改進設計，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、準確地提供EMC 有關參數(shù)。新型的EMC 掃描儀與頻譜儀相結合，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、整機與電纜等進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 標準和規(guī)范給出的測試方法進行，并以標準規(guī)定的極限值作為判據(jù)。對于預相容測試，盡管不可能保證產(chǎn)品通過所有項目的標準測試，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設計、抑制EMI 發(fā)射。

結束語

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)品設計抑制方法。EMC 作為一門多學科的高新技術，以其在質(zhì)量保證體系中的重要作用而逐漸被人們所認識。堅持EMC 性設計，提高貫徹EMC標準的意識性。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。