電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計

1 引言

電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，必然導(dǎo)致它們在其周圍空間產(chǎn)生的電磁場電平的不斷增加，電子設(shè)備不可避免的在電磁環(huán)境中工作，因此，必須要解決電子設(shè)備在電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力。如果不解決好電子設(shè)備系統(tǒng)的電磁兼容性問題，整個系統(tǒng)將無法正常工作，所以電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計的重要性應(yīng)該得到我們的充分重視。電磁兼容性的研究是圍繞構(gòu)成電磁干擾的三要素進行的，即干擾源、干擾傳輸途徑和干擾接受器。電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計主要包括：限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播以及增強敏感設(shè)備的抗干擾能力。

2 電子設(shè)備電磁兼容性

電磁兼容性是指器件、設(shè)備或系統(tǒng)在所處電磁環(huán)境中良好運行，并且不對其所在環(huán)境產(chǎn)生任何難以承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容涵蓋了電磁干擾和電磁敏感度。為實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備互不干擾、兼容運行，即要控制騷擾源的電磁發(fā)射，又要提高受騷擾對象的抗擾度。

電磁兼容性設(shè)計依據(jù)為系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的電磁敏感度。設(shè)系統(tǒng)內(nèi)干擾源N的作用功率為Pn(n=1，2，…)，而被干擾設(shè)備M能夠承受的電磁干擾的容限為Pm(m=1，2，…)，則干擾功率Pamn可用下式?jīng)Q定：

式中：Kmn干擾源N對被干擾源設(shè)備M產(chǎn)生干擾作用的有效作用系數(shù);Kpmn干擾源N對被干擾源設(shè)備M產(chǎn)生干擾的耦合作用系數(shù);Kmn被干擾源設(shè)備M對電磁干擾的敏感度。

當干擾功率Pamn大于受干擾設(shè)備的容限Pm時，就需要采取措施改善電磁兼容性。當Pamn>Pm時，可以采取措施減小干擾源作用功率Pm或減小干擾源對被干擾設(shè)備M的干擾的有效作用的成分(即減小Kmn)，也可以采取措施降低干擾源N對被干擾設(shè)備M產(chǎn)生干擾的耦合作用系數(shù)Kpmn，如減小耦合電容，減小耦合電感或切斷公共阻抗的耦合渠道;也可以采取措施降低被干擾設(shè)備M的電磁干擾敏感度Kmn或提高被干擾設(shè)備的承受干擾的容限Pm。

3 電磁干擾方式及傳播途徑

電磁干擾按干擾來源可分為自然騷擾源和人為騷擾源，兩種形式的電磁干擾都是影響電子設(shè)備電磁兼容性的主要因素。同時搞清電磁干擾的能源和傳播途徑是電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計的一項主要研究內(nèi)容。

3.1 內(nèi)部干擾

內(nèi)部干擾是指電子設(shè)備內(nèi)部各元器件之間的相互干擾，主要包括以下幾種情況：

1)工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產(chǎn)生漏電造成的干擾;

2)信號通過地線、電源和傳輸導(dǎo)線的阻抗互相耦合或?qū)Ь€之間的互感造成的干擾;

3)設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部某些元件發(fā)熱，影響元器件本身或者其它元器件的穩(wěn)定性造成的干擾;

4)大功率和高電壓部件產(chǎn)生的磁場、電場通過耦合影響其它部件造成的干擾。

3.2 外部干擾

外部干擾是指電子設(shè)備或系統(tǒng)以外的因素對線路、設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，主要包括以下幾種情況：

1)外部高電壓和電源通過絕緣漏電對線路、設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾;

2)外部大功率設(shè)備在空間產(chǎn)生很強的磁場，通過互相耦合對電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾;

3)外部空間電磁波對電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾;

4)工作環(huán)境溫度不穩(wěn)定，引起電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部元器件參數(shù)改變造成的干擾;

5)由工業(yè)電網(wǎng)供電的設(shè)備和由電網(wǎng)電壓通過電源變壓器產(chǎn)生的干擾。

3.3 電磁干擾的傳播途徑

1)沿電源線或信號線傳輸?shù)碾姶膨}擾稱為傳導(dǎo)干擾。電子系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備之間或電子設(shè)備內(nèi)各單元之間存在各種連線。如電源線、信號互連線及公用地線等，這樣就有可能使一個設(shè)備(或單元電路)的電磁能量沿著這類導(dǎo)線傳輸?shù)脚徳O(shè)備或單元電路，造成干擾;

2)輻射干擾是指通過空間傳播的電磁騷擾。騷擾源的周圍空間可劃分兩個區(qū)域：緊靠騷擾源的區(qū)域稱作近場區(qū)或感應(yīng)場區(qū);距離大于λ/(2π)的區(qū)域稱作遠場區(qū)或輻射場區(qū)。

4 電磁兼容性設(shè)計

干擾源、耦合途徑和感受器(敏感裝置)構(gòu)成了電磁干擾的三要素，三者缺一不可。電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計的目的是使電子設(shè)備既能抑制各類外來的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時又能減少電子設(shè)備本身對其它電子設(shè)備的電磁干擾。電磁兼容性設(shè)計內(nèi)容包括：限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播及增強敏感設(shè)備的抗干擾能力。

4.1 PCB設(shè)計

PCB是電子設(shè)備的基石，PCB的電磁兼容設(shè)計是設(shè)備電磁兼容設(shè)計的基石。PCB設(shè)計時，主要是在抑制傳導(dǎo)和輻射兩方面采取措施，減輕電磁騷擾產(chǎn)生的影響。電子設(shè)備PCB的電磁兼容設(shè)計，關(guān)鍵在于模擬和邏輯有源器件固有的電磁敏感特性，由于方波信號具有高階諧波成分，因此在數(shù)字電路設(shè)計時，應(yīng)在滿足產(chǎn)品設(shè)計要求的情況下，盡量選擇低的邊沿變化速度。除元器件選擇外，還要綜合運用去耦電容、鐵氧體端接、線路排布、地和電源設(shè)計等有效手段，增強去耦效果，優(yōu)化抗擾性能。

4.2 屏蔽設(shè)計

屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽體是用以阻止或減小電磁能傳輸而對裝置進行封閉或遮蔽的一種阻擋層，它可以是導(dǎo)電、導(dǎo)磁、介質(zhì)的，或帶有非金屬吸收填料的。在設(shè)備的元器件和布局一定的前提下。屏蔽在電磁兼容性設(shè)計中就成為一項非常重要的內(nèi)容。在屏蔽設(shè)計時，重點考慮以下幾項措施：

1)屏蔽體材料的選取。屏蔽材料主要分為電屏蔽和磁屏蔽兩種。在電磁兼容性設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的具體使用環(huán)境合理的選取屏蔽材料。常用金屬材料的相對電導(dǎo)率σr和相對磁導(dǎo)率ur，見表1。

2)縫隙的電磁屏蔽設(shè)計。實踐證明，當縫隙的最大線形尺寸等于干擾源半波長的整數(shù)倍時，縫隙的電磁泄漏最大，一般要求縫隙的最大線形尺寸小于λ/100波長，至少不大于λ/IO波長?？p隙的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路如圖1所示。工程設(shè)計中，為減小縫隙的長度，主要采用了以下設(shè)計：

(1)合理布置螺釘;

(2)采用導(dǎo)電柔性介質(zhì)的屏蔽設(shè)計;

(3)增大接觸面的屏蔽設(shè)計。

表1 常用金屬材料對銅的相對電導(dǎo)率σr和相對磁導(dǎo)率ur

圖1 縫隙示意圖及其等效電路圖

3)孔洞的電磁屏蔽設(shè)計。電子設(shè)備因通風散熱、調(diào)控軸、表頭安裝及連接電纜等不可避免的會開制一些孔洞，電磁能量經(jīng)孔洞泄漏，是屏蔽體屏蔽效能下降的重要原因之一。且屏蔽效果會隨著孔洞的增大而變小，一般來說，孔洞的尺寸應(yīng)小于λ/50，且不得大于λ/20。

4.3 接地技術(shù)

在電子設(shè)備中，接地是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段，其中包括接地點的選擇，電路組合接地的設(shè)計和抑制接地干擾措施的應(yīng)用等方面都應(yīng)全面考慮。以下為減小電磁干擾所采取的接地技術(shù)設(shè)計：

1)減少接地點之間電位差;

2)管形接地線;

3)保證接地線的電氣連接可靠性;

4)接地方式的選擇。在電子設(shè)備中有三種基本接地方式：懸浮地、單點接地和多點接地。單點接地適用于低頻，多點接地適用于高頻。一般來說。頻率在1MHz以下可采用單點接地方式，頻率高于10MHz應(yīng)采用多點接地方式，頻率在1MHz～10MHz之間，可以采用混合接地。

4.4 濾波技術(shù)

濾波技術(shù)是抑制電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)干擾的主要手段之一，也是提高電子設(shè)備抗傳導(dǎo)干擾能力的重要措施。電磁干擾濾波器可以顯著地減小傳導(dǎo)干擾電平，利用阻抗失配原理，使電磁干擾信號受到衰減。濾波器的安裝對其性能影響非常大，在使用濾波器時應(yīng)注意以下事項：

1)濾波器金屬殼與機箱殼必須保證良好面接觸，并將地線界好;

2)濾波器輸入線、輸出線必須拉開距離，切忌并行，以免濾波器效能降低;

3)濾波器的連接線以選用雙絞線為佳，它可有效消除部分高頻干擾信號;

4)濾波器的安裝位置應(yīng)選在電源人口處，以縮短輸入線在機箱內(nèi)的長度，減少輻射干擾。

4.5合理布局

合理布局包括系統(tǒng)內(nèi)各單元之間的相對位置和電纜走線等，其基本原則是使感受器和干擾源盡可能遠離，輸出與輸入端口妥善分隔，高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設(shè)。通過合理布局能使相互干擾減小到最小程度而費用又不多。

5 電磁兼容性預(yù)評估及建模

5.1 電磁兼容性預(yù)評估

電磁兼容的管理和計劃往往并不包括在電子設(shè)備或系統(tǒng)的設(shè)計中，目前比較流行的做法就是依賴傳統(tǒng)的設(shè)計實踐，在設(shè)計完成后，付出更高的代價來解決試驗中出現(xiàn)的電磁干擾問題。但隨著電磁干擾問題的影響范圍及程度的不斷增加，傳統(tǒng)的設(shè)計實踐已不再總能滿足電磁兼容要求，必須采取電磁兼容性預(yù)評估技術(shù)。

對電磁兼容預(yù)估應(yīng)在設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)一級設(shè)計時就盡可能早的加以考慮，然后在隨后的設(shè)計中不斷的改進完善。電磁兼容預(yù)評估的主要目的可歸納為下列的一個或幾個：盡早使有問題的區(qū)域暴露出來，并據(jù)此使設(shè)計從經(jīng)濟上更為合算;縮短設(shè)備推向市場的周期等。

5.2 電磁兼容性計算機建模

電磁兼容性是一門非常復(fù)雜的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，要想對某設(shè)備或系統(tǒng)進行電磁兼容性預(yù)評估，必須先將該設(shè)備或系統(tǒng)簡化成一個比較簡單的數(shù)學(xué)模型。建模方法通常主要受制于頻率和被建模幾何體。用計算機程序來輔助電磁兼容性分析，不僅可以節(jié)省大量時間，還能盡可能減少計算誤差和加速計算進程。計算機建模過程主要由以下五個步驟：

1)幾何圖形描述的定義;

2)電氣描述的定義;

3)模型的有效性;

4)求解結(jié)果描述的定義;

5)輸出顯示。

不管使用什么類型的程序，必不可少的是要將計算結(jié)果與實際測量結(jié)果或根據(jù)工程經(jīng)驗得出的結(jié)果進行比較，以檢查它們的一致性。

6 結(jié)語

電子設(shè)備在設(shè)計過程和實際應(yīng)用及維護的各階段，都充分地予以考慮和實施才是有效電子設(shè)備的電磁兼容控制策略，科學(xué)而先進的電磁兼容工程管理是有效控制技術(shù)的重要組成部分。電子設(shè)備運行過程中各種干擾是隨機的，在設(shè)計之前應(yīng)對其進行預(yù)評估，在設(shè)計過程中合理運用屏蔽、濾波、接地及合理布局等技術(shù)，通過科學(xué)試驗檢驗設(shè)備的電磁兼容性，以其能夠?qū)Ω鞣N干擾進行定位消除等。