[科普中国]-电磁兼容性

历史

过去在军事领域之外，对于电磁兼容性的研究并不严谨，而且大多数设备制造商并不关心电磁兼容性问题。但随着使用更低信号电压的现代数字设备的时钟频率迅速增高，电磁兼容性问题变得越来越重要。许多国家意识到这个凸现的问题，并对相关设备制造商颁布了政令，要求只有满足基本条件的设备才能够销售。

各国的相应的组织机构开始制定标准并维护政府指令，其中较为知名的国家组织有：美国的FCC、欧洲的CEN、CENELEC和ETSI及英国的BSI。还有众多国际组织致力于“推进各项标准化问题的国际合作”，当然也包含电磁兼容性标准。

其中最重要国际组织是国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC），它拥有多个电磁兼容性问题的全职分会。在IEC中协调这些分会的是ACEC，电磁兼容性问题的顾问委员会。

干扰的形成电磁干扰介绍电磁干扰(Electromagnetic Interference)，简称EMI，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰；辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。为了防止一些电子产品产生的电磁干扰影响或破坏其它电子设备的正常工作，各国政府或一些国际组织都相继提出或制定了一些对电子产品产生电磁干扰有关规章或标准，符合这些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。电磁兼容性EMC标准不是恒定不变的，而是天天都在改变，这也是各国政府或经济组织，保护自己利益经常采取的手段。1

干扰源与受干扰源无论何种情况下电磁相容的问题出现总是存在两个互补的方面：

一个是干扰发射源和一个为此干扰敏感的受干扰设备。

如果一个干扰源与受干扰设备都处在同一设备中称为系统内部的EMC 情况。

不同设备间所产生的干扰状况称为系统间的EMC 情况。

大多数的设备中都有类似天线的特性的零件如电缆线、PCB 布线、内部配线、机械结构等这些零件透过电路相耦合的电场、磁场或电磁场而将能量转移。

实际情况下设备间和设备内部的耦合受到了屏蔽与绝缘材料的限制而绝缘材料的吸收与导体相比的影响是微不足道的。

电缆线对电缆线的耦合既可以是电容性也可以是电感性并且取决于方位、长度及接近程度的影响。

公共阻抗的耦合公共阻抗耦合线路是干扰源与受干扰设备共用电路阻抗所引起的。

公共导线也因两个电流环之间的互感而引起或因两个电压节点之间的互容耦合而引起。

对于传导性的公共阻抗耦合的解决是将连接线分离使系统各自独立避免形成公共阻抗。

发射来自PCB 的发射：在大多数设备中主要的电流源是流入PCB 板上的电路中这些能量借由PCB 板所模拟成的天线而将干扰辐射出去。

来自电缆线的辐射：干扰电流以共模形式产生于在PCB 和设备内部其他位置形成的对地噪声并沿着导体或者屏蔽电缆的屏蔽层流动。

传导发射：干扰也可能从其他电缆以感性或容性方式偶合到电缆线上。

产生的干扰可能以差模(在火线与中线或在信号线之间)或共模(在火线/中线/信号线与接地间)或者以二者的混合形式出现。

对于电源部埠需要测量每一个相线/中线与在电源电缆远端地之间的电压。

差模发射通常与来自电源的低频开关噪声联系在一起。

共模发射则是由于更高频率的开关元件、内部电路源或电缆的内部偶合引起的。

电路的分布电容分布广泛。若没有屏蔽物体的话,取决于与其他物体接近的程度。由于周围环境有较高的电容,部分屏蔽的机壳实际上会使耦合更加严重恶化。

电磁兼容性分析角度电磁兼容性包括两方面：EMI(电磁干扰)，EMS(电磁敏感性)两方面。

EMI分类CE（传导干扰），RE（辐射干扰），PT(干扰功率测试)等等。

EMS分类ESD(静电放电），RS（辐射耐受），EFT/B(快速脉冲耐受)，surge（雷击），CS（传导耐受）等等

以上的各种试验都要由专门的实验室进行测试。是电子类商品进入市场前要取得认证的必要条件。中国这样的实验室很多，大部分集中在深圳等地。

电磁兼容性试验与检测的试验室有环境可靠性与电磁兼容试验服务中心、航天环境可靠性试验中心等机构。

电磁兼容性的重要规律规律一、EMC费效比关系规律：EMC问题越早考虑、越早解决，费用越小、效果越好。2

在新产品研发阶段就进行EMC设计，比等到产品EMC测试不合格才进行改进，费用可以大大节省，效率可以大大提高；反之，效率就会大大降低，费用就会大大增加。

经验告诉我们，在功能设计的同时进行EMC设计，到样板、样机完成则通过EMC测试，是最省时间和最有经济效益的。相反，产品研发阶段不考虑EMC，投产以后发现EMC不合格才进行改进，非但技术上带来很大难度、而且返工必然带来费用和时间的大大浪费，甚至由于涉及到结构设计、PCB设计的缺陷，无法实施改进措施，导致产品不能上市。

规律二、高频电流环路面积S越大,EMI辐射越严重。

高频信号电流流经电感最小路径。当频率较高时，一般走线电抗大于电阻，连线对高频信号就是电感，串联电感引起辐射。电磁辐射大多是EUT被测设备上的高频电流环路产生的，最恶劣的情况就是开路之天线形式。对应处理方法就是减少、减短连线，减小高频电流回路面积，尽量消除任何非正常工作需要的天线，如不连续的布线或有天线效应之元器件过长的插脚。

减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要任务之一，就是想方设法减小高频电流环路面积S。

规律三、环路电流频率f越高，引起的EMI辐射越严重，电磁辐射场强随电流频率f的平方成正比增大。减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力的最重要途径之二，就是想方设法减小骚扰源高频电流频率f，即减小骚扰电磁波的频率f。

电磁兼容性对策由于微电脑的依存度正不断提高，设备的大量使用，复杂了我们的电磁环境，因此外来的干扰如脉冲噪声、放射电磁场、静电、雷击、电压变动等，所引发的误动作产生当机甚至破坏的情形，如无线电的通讯、雷达、大哥大、电视游乐器⋯⋯等，往往干扰到电视，甚至于造成医疗器材使用中的误动作，影响到飞航的安全。3

国际上对于电子、电器、工业设备产品的抗扰性测试日渐重视，且趋向整合以IEC（International Electrotechnical Commission）国际规格为测试标准，欧 洲共同体率先制定EMC防治法规，于1996 年起全面实施抗扰测试。3

电源方面三相入力电源在NFB（无熔丝断路器）与变压器间装噪声滤波器（Noise Filter），此滤波器的输入线愈短愈好。

电源及大电流导线紧贴电气箱之底部，并沿着边角布线。

开关式电源供应器加装隔离罩以防辐射性发射干扰，滤波器选用器选用π型或T 型可抑制宽波段噪声，陶铁磁体（Ferrite）材质可抑制射频噪声。

电源线两端考虑采隔离接地，以免接地回路（Ground Loop）形成共同阻抗耦合（Common Impedance Coupling）将噪声耦合至信号线。

电源线与信号线尽量采用隔离或分开配线。

电源变压器应加隔离（Shielding），外壳须接地良好。

单相AC 控制线建议采用绞线。

直流导线建议使用绞线来配线。

避免将电源与信号线接至同一接头。

信号线方面信号输入线与输出线应避免排在一起造成干扰。

应将CABLE剩余不用之线单端接地，以避免形成感应回路。

接近电源线附近的信号线考虑采用捻合（Twist）。

不同类别的信号线避免混杂接在一个连接头上，宜按类别分类并加地线隔离。

输入信号线与输出线尽量避免同在一个接头上，如不能避免时应将输入与输出信号错开。

敏感性较高之低准位信号线，除采用绞线外可加隔离遮蔽。

模拟信号方面高频的类比信号及脉波信号线建议采用隔离线。

高频类比信号线采用同轴式隔离线，低频之类比信号线采用绞线，必要时可外加隔离遮蔽，绝不可使用同轴隔离线。

连接头安装位置须清洁处理，接头及金属面的接触电阻须小于2.5m欧姆。

类比电路干扰以波形失真为主，抑制方法主要在滤波器选用的特性，例如；带宽、频率响应值。

类比信号线与数位排线必须相互垂直。

数字信号避免使用未隔离遮蔽的导线来传送数位信号，宜使用多股绞线外加隔离线。

数位电路干扰以外在磁场干扰为主，应加隔离措施。

数位电路易受高能电场干扰，须使用隔离线隔离，以能防止1∼10MHz频段之高能电场200V/m 干扰为最佳隔离选择。

数位电路以抑制邻近电路脉波与尖波（Spikes）干扰为主。

数位电路传送避免使用过长且未加隔离之导线。

电路设计方面具干扰性的回路，如时脉、驱动器、交换式电源的ON和OFF、振荡器式控制信号，应加隔离遮蔽。

各型PCB电路设计尽可能选用低噪声零组件，且须考虑噪声变化与环境温度变化之关系。

陶铁磁体铁芯（Ferrite core）适用于高频滤波，但须注意经由此线圈负载功率损耗。

稳压器须考虑抑制线路间共通阻抗耦合（Common Impedance Coupling）EMI问题。

振荡器本身输出越小越好，如须要较大输出，宜由放大器放大。

功率放大应予隔离以防止辐射性发射。

电解质电容器适于清除高涟波（High Ripple）及暂态电压（Transient Voltage）变化。

动力线的干扰有低压（或瞬间断电）超压及突波，这些干扰通常来自于电力开关的动作、重负载的开与关之瞬间、功率半导体动作、保险丝烧断时、雷电感应…等。

须考虑下述项目来抑制：

使用电源滤波器。

适当的电力分配。

受干扰的装置改用另一电路。

将电子零件及滤波器适当的包装。

使用隔离变压器。

装置压敏电阻。

交流电磁接触器线圈、电磁阀，皆须联结火花消除器。

电磁开关之热电驿输出侧须联结三相火花消除器。

直流继电器线圈联结二极管，以供反相电压保护。

火花消除器距离负载侧愈近愈好。

把突波吸收器装于电路开关和噪声滤波器之间，线与线间，线与接地之间，将能有效吸收突波。

配电箱设计配电箱采用金属制，如焊接技术没有问题（不会变形），采用接缝全焊方式，假使无法全焊接合面的空隙尽可能缩小。假使配电箱是用螺丝组立方式，须把接触的面漆刮掉，以便取得较佳的导电性。

配电箱难免会开孔来做电缆线的出入口，电波会通过这些孔就无法通过测试，因此开孔应尽可能的缩小，没有使用到的孔须用金属做的盖子盖起来，金属与金属的接触面漆须刮掉，且须用工业环境用的导电垫片。

配电箱的门在关闭时，和配电箱本体的接触面，须用工业环境用的导电垫片，使其紧密的接触，如基于成本的考虑可用分布紧凑的间距采用固定式的螺丝锁紧。

配电箱门须留接地用的端点，接地面必须防漆。