電磁兼容技術(shù)及應用

電磁兼容的中心議題：

電磁兼容技術(shù)簡(jiǎn)述

電磁兼容實(shí)例應用分析

電磁兼容的解決方案：

接地、屏蔽、濾波

將電磁兼容技術(shù)融入產(chǎn)品研發(fā)流程

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹電磁兼容相關(guān)的各項技術(shù)，通過(guò)對接地、屏蔽、濾波等技術(shù)的分析，說(shuō)明產(chǎn)品如何實(shí)現良好的電磁兼容性，如何將電磁兼容技術(shù)融入產(chǎn)品研發(fā)流程。對實(shí)例分析，結合電磁兼容理論，說(shuō)明實(shí)際測試中的處理方法，從干擾源、耦合路徑、敏感源方面逐步分析驗證，提高產(chǎn)品可靠性。

目前，電磁兼容技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為專(zhuān)門(mén)的針對電子產(chǎn)品抗電磁干擾和電磁輻射的技術(shù)，成為考察電子產(chǎn)品的安全可靠性的一個(gè)重要指標，覆蓋所有電子產(chǎn)品。

各個(gè)電子設備在同一空間工作時(shí)，會(huì )在其周?chē)a(chǎn)生一定強度的電磁場(chǎng)，這些電磁場(chǎng)通過(guò)一定的途徑(輻射、傳導)耦合給其他的電子設備，影響其他設備的正常工作，可能使通訊出錯或者系統死機等，設備間相互干擾相互影響，這種影響不僅僅存在設備間，同時(shí)也存在元件與元件之間，系統與系統之間。甚至存在與集成芯片內部。

電磁兼容技術(shù)主要包括接地、濾波、屏蔽技術(shù)等，在特定場(chǎng)合需要注意的是不一樣的，在結構方面，需要注意屏蔽和接地，在線(xiàn)纜方面注意接地和濾波，在PCB設計方面，需要注意信號布局布線(xiàn)、濾波等。

一、電磁兼容技術(shù)

首先從構成電磁干擾的三要素入手，即干擾源、敏感源、耦合路徑，干擾源是產(chǎn)生電磁干擾的設備，通過(guò)電纜、空間輻射等耦合路徑影響干擾敏感源設備。高頻電壓 /電流是產(chǎn)生干擾的根源，電磁能量在設備之間傳播有兩種方式：傳導發(fā)射和輻射發(fā)射，傳導發(fā)射是以導線(xiàn)為媒體，以電流為現象，輻射發(fā)射是以空間輻射為媒體，以電磁波為現象。常見(jiàn)干擾源有雷電、無(wú)線(xiàn)通訊、脈沖電路、靜電、感性負載通斷、天線(xiàn)、電纜導線(xiàn)等。任何電路都可能成為敏感源，數字電路抗干擾性較好，但是風(fēng)險大，大的脈沖尖峰可能是數字電路誤動(dòng)作，音頻模擬電路對射頻信號敏感。耦合路徑分為空間耦合和傳導性耦合，空間耦合包括互感耦合、電容耦合、天線(xiàn)輻射，傳導性耦合包括地線(xiàn)和電源線(xiàn)上的傳導。

電磁兼容設計主要包括接地設計、屏蔽設計、濾波設計方面的知識。地線(xiàn)分為安全地、交流地、直流地、數字地、模擬地、機殼地、防雷地等，地線(xiàn)從電壓概念說(shuō)是提供一個(gè)等電位體，從電流概念上說(shuō)是提供一個(gè)電流通路。地線(xiàn)阻抗決定了線(xiàn)路的抗干擾性，其中導線(xiàn)阻抗決定了地線(xiàn)的電位差，回路阻抗決定了實(shí)際的地線(xiàn)電流，地環(huán)路的存在是電路受干擾的主要原因，減小地環(huán)路的面積，降低對線(xiàn)路的影響，使用屏蔽線(xiàn)或同軸電纜都可能減小信號回路的面積，從而達到降低干擾的影響。地線(xiàn)電流總是走地線(xiàn)阻抗比較小的路徑，高頻低頻時(shí)線(xiàn)路的阻抗是不一樣的，可以根據需要設計信號路徑。多層板比雙層板的抗干擾性要好，因為多層板有專(zhuān)門(mén)的地層和電源層，保證每個(gè)信號回路都具有最小的信號回路面積，如果是雙層板，最好鋪地線(xiàn)網(wǎng)格，來(lái)保證最小的回路面積。

單端接地是為了降低電場(chǎng)對設備的影響，兩端接地是降低磁場(chǎng)對設備的影響，兩端接地形成磁場(chǎng)環(huán)路，外界磁場(chǎng)在原來(lái)信號與地線(xiàn)構成的回路中產(chǎn)生感應電流的同時(shí)，也在屏蔽層與地線(xiàn)構成的回路中產(chǎn)生感應電流Is，Is也會(huì )感應出磁場(chǎng)，但是這個(gè)磁場(chǎng)與原來(lái)的磁場(chǎng)磁場(chǎng)方向相反，相互抵消，導致總磁場(chǎng)減小，減小了干擾。

屏蔽技術(shù)，主要是應用在系統的結構上的，也有對線(xiàn)路關(guān)鍵電路進(jìn)行屏蔽的，如時(shí)鐘電路、CPU等?？疾煜到y的屏蔽效能可以利用靜電測試，如果系統屏蔽做的好，靜電會(huì )沿著(zhù)屏蔽體進(jìn)行泄放，不會(huì )對內部線(xiàn)路造成影響。良好的電磁屏蔽的關(guān)鍵因素是屏蔽體的導線(xiàn)連續性，如果必須開(kāi)孔引導線(xiàn)，采用屏蔽電纜，屏蔽層一定要采用360度環(huán)接方式進(jìn)行接地，保證屏蔽的完整性。根據不同屏蔽層傳輸阻抗的頻率特性和信號工作頻率，來(lái)選擇屏蔽電纜。

濾波包括電源線(xiàn)濾波與信號濾波。電纜是一個(gè)很好的天線(xiàn)，有時(shí)候即使屏蔽做的很好，仍然不能通過(guò)輻射發(fā)射和輻射敏感度的試驗，這是因為電纜產(chǎn)生的輻射遠高于線(xiàn)路板本身及機箱屏蔽不完整發(fā)生泄漏所產(chǎn)生的輻射。解決這種問(wèn)題的一個(gè)方法是在電纜的端口處安裝濾波器，將干擾電流濾除掉。根據干擾的頻率選擇濾波器的截止頻率，才能有效的濾除干擾。一個(gè)系統使用了二階LC低通濾波器，做輻射試驗還是過(guò)不去，將前級電容去掉，輻射發(fā)射就不超標了，說(shuō)明了需要降低截止頻率才能濾除一部分干擾，增加濾波器的級數增加了曲線(xiàn)的陡度，提高了在工作頻率內的濾波性能，并不能將更低頻率的干擾濾除。濾波電容引線(xiàn)要短，可以采用“V”形接法，減小高頻時(shí)的回路阻抗，也可以在引線(xiàn)上增加安裝磁珠，加大了引線(xiàn)上的電感，增強了濾波效果。薄膜電容的電阻成分大，應采用陶瓷電容來(lái)進(jìn)行濾波，陶瓷電容的阻抗特性好。

電磁兼容技術(shù)應貫穿產(chǎn)品研發(fā)始終，包括產(chǎn)品的概要設計、詳細設計、原理圖印制板設計、結構、組裝調試等每個(gè)環(huán)節，都應該考慮電磁兼容設計，概要設計中需要調研產(chǎn)品應用環(huán)境，分析現場(chǎng)干擾類(lèi)型，評估干擾風(fēng)險，詳細設計中需要針對具體的干擾，采取相應的對策，需要全面設計。原理圖印制板圖設計需要將各項措施體現在原理圖中，必要時(shí)進(jìn)行仿真，印制板圖設計時(shí)需要按照模塊化設計，注意布局布線(xiàn)，敏感電路的電磁兼容防護。結構也是電磁兼容設計中主要的一部分，產(chǎn)品的結構對靜電、群脈沖、輻射等有很大的關(guān)系，結構要求具有良好的屏蔽性和接地。裝配調試環(huán)節需要注意信號完整性，保證接地的連續性，注意面板接觸問(wèn)題，在測試環(huán)節根據遇到的實(shí)際情況，采取相應的措施。

二、電磁兼容實(shí)例應用分析

學(xué)習電磁兼容技術(shù)的整體目標是系統地學(xué)習電磁兼容方面的知識，通過(guò)學(xué)習電磁兼容設計理論，使這些方法、規則、措施等融入實(shí)際工作中，來(lái)保證產(chǎn)品盡可能可靠。

1、接地問(wèn)題

實(shí)例一：某系統設備在做422通訊串口的射頻場(chǎng)感應傳導測試，采用雙絞屏蔽線(xiàn)，開(kāi)始采用的是單端接地，測試時(shí)出現的誤碼率高，幾乎沒(méi)有正確的數據，后來(lái)采用雙端可靠接地，通訊正常。

實(shí)例二：某系統設備在做視頻鼠標線(xiàn)的射頻場(chǎng)感應傳導的試驗時(shí)，在較低頻段(3M以下)時(shí)顯示器有波紋，上下閃動(dòng)，后來(lái)將視頻線(xiàn)的顯示器側可靠接地，干擾明顯降低，幾乎不影響顯示。

分析：這兩種現象都是在做射頻場(chǎng)的感應傳導試驗時(shí)出現的，射頻場(chǎng)的感應傳導抗擾度試驗實(shí)質(zhì)是：設備引線(xiàn)變成被動(dòng)天線(xiàn)，接受射頻場(chǎng)的感應，變成傳導干擾入侵設備內部，最終以射頻電壓電流形成的近場(chǎng)電磁場(chǎng)影響設備工作 ，以低頻磁場(chǎng)為主。

雙絞線(xiàn)能夠有效地抑制磁場(chǎng)干擾，這不僅是因為雙絞線(xiàn)的兩根線(xiàn)之間具有很小的回路面積，而且因為雙絞線(xiàn)的每?jì)蓚€(gè)相鄰的回路上感應出的電流具有相反的方向，因此相互抵銷(xiāo)。雙絞線(xiàn)的絞節越密，則效果越明顯。

屏蔽層兩端接地時(shí)，外界磁場(chǎng)在原來(lái)信號與地線(xiàn)構成的回路中產(chǎn)生感應電流的同時(shí)，也在屏蔽層與地線(xiàn)構成的回路中產(chǎn)生感應電流Is，Is也會(huì )感應出磁場(chǎng)，但是這個(gè)磁場(chǎng)與原來(lái)的磁場(chǎng)磁場(chǎng)方向相反，相互抵消，導致總磁場(chǎng)減小，減小了干擾。

2、屏蔽問(wèn)題

實(shí)例三：某系統為機柜、機箱式結構，其中控制部分為機箱結構，子板總線(xiàn)板結構，子板均安裝面板。做靜電試驗時(shí)，接觸放電+5.5kv時(shí)，對主板面板及左右相鄰的面板進(jìn)行靜電試驗時(shí)，控制板重啟或死機，后來(lái)在控制板附近的面板之間安裝指形簧片，系統在接觸放電±6.6kv時(shí)運行正常。

實(shí)例四：某系統試驗，用普通機柜，系統很敏感，對機柜引出線(xiàn)(通訊線(xiàn))進(jìn)行群脈沖試驗，采用耦合夾耦合方式，干擾一加上去，系統就不正常，在通訊線(xiàn)兩端增加磁環(huán)，效果不明顯，后來(lái)沒(méi)有辦法了，更換了屏蔽機柜，進(jìn)行試驗，有明顯效果，做幾輪后，系統才會(huì )出現倒機想象，在通訊線(xiàn)進(jìn)機柜處增加安裝磁環(huán)后，系統工作正常，幾輪試驗后，沒(méi)有出現倒機現象，系統工作都正常。

分析：現在很多系統都是機箱結構，即控制板、采集板、驅動(dòng)板等都安裝在同一機箱中，進(jìn)行數據交換與控制。安裝完成后各電路板會(huì )有一定的縫隙，靜電脈沖通過(guò)面板縫隙，分布電容向主板耦合，使電源失真或控制發(fā)生故障系統重啟、死機。在面板之間安裝指形簧片，使機箱成為一個(gè)良好的屏蔽體，由于電荷的“趨膚效應”，當有靜電干擾時(shí)，靜電會(huì )沿著(zhù)表面泄放至大地，對內部電路的影響減小或者消失。

屏蔽機柜對機柜的縫隙和門(mén)都進(jìn)行了處理，縫隙處安裝導電簧片，門(mén)與機柜接觸位置安裝導電布襯墊，提高機柜的屏蔽效能，提高機柜整體的抗干擾性，群脈沖干擾的實(shí)質(zhì)是對線(xiàn)路分布電容能量的積累效應，當能量積累到一定程度時(shí)就可能引起線(xiàn)路(乃至設備)工作出錯。通常測試設備一旦出錯，就會(huì )連續不斷的出錯，即使把脈沖電壓稍稍降低，出錯情況依然不斷的現象加以解釋。脈沖成群出現，脈沖重復頻率較高，波形上升時(shí)間短暫，能量較小，一般不會(huì )造成設備故障，使設備產(chǎn)生誤動(dòng)作的情況多見(jiàn)。

3、磁環(huán)的作用

實(shí)例五：對一個(gè)機箱結構系統做群脈沖實(shí)驗，機箱內含有控制板、采集板、驅動(dòng)板等，采集線(xiàn)、驅動(dòng)線(xiàn)出機柜，需要做信號線(xiàn)群脈沖實(shí)驗，當干擾施加在采集線(xiàn)上時(shí)，所有的采集板上指示燈都閃爍，對采集回路進(jìn)行分析，采集輸入有光電隔離器件，采集回線(xiàn)為動(dòng)態(tài)的12V輸出，當干擾施加時(shí)，可能造成采集回線(xiàn)上的電壓失真，造成指示燈閃爍，找了一個(gè)閉合磁環(huán)，安裝在采集回線(xiàn)上，進(jìn)行實(shí)驗，在某一極性下指示燈閃爍，說(shuō)明磁環(huán)有作用，然后根據其阻抗特性，繞制2圈，實(shí)驗效果不明顯，后來(lái)試驗一下繞制3圈，結果，采集指示燈顯示正常，多次試驗，系統均正常。

分析：磁環(huán)對群脈沖干擾有很好的抑制作用，根據實(shí)際情況安裝在通訊線(xiàn)的兩端或一端，磁環(huán)有不同的阻抗特性，對干擾信號進(jìn)行頻率分析，設計磁環(huán)的截止頻率正好落在干擾信號頻率附近，使磁環(huán)體現較大的阻抗性，來(lái)抑制干擾。

磁環(huán)的圈數影響磁環(huán)的阻抗特性，圈數越多，阻抗特性曲線(xiàn)向低頻率方向移動(dòng)，即較低頻率下的阻抗越大，若此頻率比較接近干擾頻率時(shí)，就能起到很好的抑制干擾的作用。

電磁兼容技術(shù)融入電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計中，可以提高產(chǎn)品的安全可靠性，如果在實(shí)際測試中，某一方面存在缺陷，可以從電磁干擾的方式上入手進(jìn)行一步一步測試，電磁干擾有兩種形式：傳導發(fā)射和輻射發(fā)射，從各自的耦合路徑進(jìn)行查找。一個(gè)系統指標超標，可以先從輻射發(fā)射上解決，設備是否屏蔽良好，機殼上孔用導電布封住，導電布要與機殼良好接觸，再進(jìn)行試驗，如果還超標，那就是干擾主要是傳導發(fā)射引起的，在設備機殼出口處安裝信號濾波器和電源濾波器，進(jìn)行試驗，如果還超標，那就是干擾是通過(guò)電纜輻射和傳導發(fā)射出來(lái)，通過(guò)對屏蔽層的接地，減小地環(huán)路等措施必定能查找到原因并解決。

三、結語(yǔ)

產(chǎn)品需要逐步更新完善，才能達到一定的安全可靠，電磁兼容技術(shù)需要不斷的積累，才能保證產(chǎn)品的安全可靠，產(chǎn)品應用場(chǎng)合不同，遇到的電磁干擾有所不同，產(chǎn)品的性能也不同，需要根據實(shí)際應用環(huán)境，分析干擾源，查找耦合路徑，明確敏感源，對干擾源采取隔離措施，切斷耦合路徑或者疏導干擾，對敏感源采取屏蔽、濾波等措施，保證產(chǎn)品安全可靠工作。