電子設備電磁兼容性設計

1 引言

電子設備的廣泛應用和發(fā)展，必然導致它們在其周?chē)臻g產(chǎn)生的電磁場(chǎng)電平的不斷增加，電子設備不可避免的在電磁環(huán)境中工作，因此，必須要解決電子設備在電磁環(huán)境中的適應能力。如果不解決好電子設備系統的電磁兼容性問(wèn)題，整個(gè)系統將無(wú)法正常工作，所以電子設備的電磁兼容設計的重要性應該得到我們的充分重視。電磁兼容性的研究是圍繞構成電磁干擾的三要素進(jìn)行的，即干擾源、干擾傳輸途徑和干擾接受器。電子設備的電磁兼容性設計主要包括：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備的抗干擾能力。

2 電子設備電磁兼容性

電磁兼容性是指器件、設備或系統在所處電磁環(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(shí)現系統內設備互不干擾、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。

電磁兼容性設計依據為系統內電磁環(huán)境及系統內設備的電磁敏感度。設系統內干擾源N的作用功率為Pn(n=1，2，…)，而被干擾設備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對被干擾源設備M產(chǎn)生干擾作用的有效作用系數;Kpmn干擾源N對被干擾源設備M產(chǎn)生干擾的耦合作用系數;Kmn被干擾源設備M對電磁干擾的敏感度。

當干擾功率Pamn大于受干擾設備的容限Pm時(shí)，就需要采取措施改善電磁兼容性。當Pamn>Pm時(shí)，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對被干擾設備M產(chǎn)生干擾的耦合作用系數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備M的電磁干擾敏感度Kmn或提高被干擾設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(lái)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備電磁兼容性的主要因素。同時(shí)搞清電磁干擾的能源和傳播途徑是電子設備電磁兼容性設計的一項主要研究?jì)热荨?/p>

3.1 內部干擾

內部干擾是指電子設備內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(guò)線(xiàn)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(guò)地線(xiàn)、電源和傳輸導線(xiàn)的阻抗互相耦合或導線(xiàn)之間的互感造成的干擾;

3)設備或系統內部某些元件發(fā)熱，影響元器件本身或者其它元器件的穩定性造成的干擾;

4)大功率和高電壓部件產(chǎn)生的磁場(chǎng)、電場(chǎng)通過(guò)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備或系統以外的因素對線(xiàn)路、設備或系統產(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(guò)絕緣漏電對線(xiàn)路、設備或系統產(chǎn)生的干擾;

2)外部大功率設備在空間產(chǎn)生很強的磁場(chǎng)，通過(guò)互相耦合對電子線(xiàn)路、設備或系統產(chǎn)生的干擾;

3)外部空間電磁波對電子線(xiàn)路、設備或系統產(chǎn)生的干擾;

4)工作環(huán)境溫度不穩定，引起電子線(xiàn)路、設備或系統內部元器件參數改變造成的干擾;

5)由工業(yè)電網(wǎng)供電的設備和由電網(wǎng)電壓通過(guò)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(xiàn)或信號線(xiàn)傳輸的電磁騷擾稱(chēng)為傳導干擾。電子系統內各設備之間或電子設備內各單元之間存在各種連線(xiàn)。如電源線(xiàn)、信號互連線(xiàn)及公用地線(xiàn)等，這樣就有可能使一個(gè)設備(或單元電路)的電磁能量沿著(zhù)這類(lèi)導線(xiàn)傳輸到毗鄰設備或單元電路，造成干擾;

2)輻射干擾是指通過(guò)空間傳播的電磁騷擾。騷擾源的周?chē)臻g可劃分兩個(gè)區域：緊靠騷擾源的區域稱(chēng)作近場(chǎng)區或感應場(chǎng)區;距離大于λ/(2π)的區域稱(chēng)作遠場(chǎng)區或輻射場(chǎng)區。

4 電磁兼容性設計

干擾源、耦合途徑和感受器(敏感裝置)構成了電磁干擾的三要素，三者缺一不可。電子設備電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各類(lèi)外來(lái)的干擾，使電子設備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少電子設備本身對其它電子設備的電磁干擾。電磁兼容性設計內容包括：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備的抗干擾能力。

4.1 PCB設計

PCB是電子設備的基石，PCB的電磁兼容設計是設備電磁兼容設計的基石。PCB設計時(shí)，主要是在抑制傳導和輻射兩方面采取措施，減輕電磁騷擾產(chǎn)生的影響。電子設備PCB的電磁兼容設計，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，因此在數字電路設計時(shí)，應在滿(mǎn)足產(chǎn)品設計要求的情況下，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(xiàn)路排布、地和電源設計等有效手段，增強去耦效果，優(yōu)化抗擾性能。

4.2 屏蔽設計

屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸的一種措施。屏蔽體是用以阻止或減小電磁能傳輸而對裝置進(jìn)行封閉或遮蔽的一種阻擋層，它可以是導電、導磁、介質(zhì)的，或帶有非金屬吸收填料的。在設備的元器件和布局一定的前提下。屏蔽在電磁兼容性設計中就成為一項非常重要的內容。在屏蔽設計時(shí)，重點(diǎn)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。在電磁兼容性設計時(shí)，應根據設備的具體使用環(huán)境合理的選取屏蔽材料。常用金屬材料的相對電導率σr和相對磁導率ur，見(jiàn)表1。

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

(1)合理布置螺釘;

(2)采用導電柔性介質(zhì)的屏蔽設計;

(3)增大接觸面的屏蔽設計。

表1 常用金屬材料對銅的相對電導率σr和相對磁導率ur

圖1 縫隙示意圖及其等效電路圖

3)孔洞的電磁屏蔽設計。電子設備因通風(fēng)散熱、調控軸、表頭安裝及連接電纜等不可避免的會(huì )開(kāi)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(huì )隨著(zhù)孔洞的增大而變小，一般來(lái)說(shuō)，孔洞的尺寸應小于λ/50，且不得大于λ/20。

4.3 接地技術(shù)

在電子設備中，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(diǎn)的選擇，電路組合接地的設計和抑制接地干擾措施的應用等方面都應全面考慮。以下為減小電磁干擾所采取的接地技術(shù)設計：

1)減少接地點(diǎn)之間電位差;

2)管形接地線(xiàn);

3)保證接地線(xiàn)的電氣連接可靠性;

4)接地方式的選擇。在電子設備中有三種基本接地方式：懸浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地適用于低頻，多點(diǎn)接地適用于高頻。一般來(lái)說(shuō)。頻率在1MHz以下可采用單點(diǎn)接地方式，頻率高于10MHz應采用多點(diǎn)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、電子設備傳導干擾的主要手段之一，也是提高電子設備抗傳導干擾能力的重要措施。電磁干擾濾波器可以顯著(zhù)地減小傳導干擾電平，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(shí)應注意以下事項：

1)濾波器金屬殼與機箱殼必須保證良好面接觸，并將地線(xiàn)界好;

2)濾波器輸入線(xiàn)、輸出線(xiàn)必須拉開(kāi)距離，切忌并行，以免濾波器效能降低;

3)濾波器的連接線(xiàn)以選用雙絞線(xiàn)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選在電源人口處，以縮短輸入線(xiàn)在機箱內的長(cháng)度，減少輻射干擾。

4.5合理布局

合理布局包括系統內各單元之間的相對位置和電纜走線(xiàn)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(xiàn)與低電平電纜分別敷設。通過(guò)合理布局能使相互干擾減小到最小程度而費用又不多。

5 電磁兼容性預評估及建模

5.1 電磁兼容性預評估

電磁兼容的管理和計劃往往并不包括在電子設備或系統的設計中，目前比較流行的做法就是依賴(lài)傳統的設計實(shí)踐，在設計完成后，付出更高的代價(jià)來(lái)解決試驗中出現的電磁干擾問(wèn)題。但隨著(zhù)電磁干擾問(wèn)題的影響范圍及程度的不斷增加，傳統的設計實(shí)踐已不再總能滿(mǎn)足電磁兼容要求，必須采取電磁兼容性預評估技術(shù)。

對電磁兼容預估應在設備、分系統或系統一級設計時(shí)就盡可能早的加以考慮，然后在隨后的設計中不斷的改進(jìn)完善。電磁兼容預評估的主要目的可歸納為下列的一個(gè)或幾個(gè)：盡早使有問(wèn)題的區域暴露出來(lái)，并據此使設計從經(jīng)濟上更為合算;縮短設備推向市場(chǎng)的周期等。

5.2 電磁兼容性計算機建模

電磁兼容性是一門(mén)非常復雜的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，要想對某設備或系統進(jìn)行電磁兼容性預評估，必須先將該設備或系統簡(jiǎn)化成一個(gè)比較簡(jiǎn)單的數學(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(lái)輔助電磁兼容性分析，不僅可以節省大量時(shí)間，還能盡可能減少計算誤差和加速計算進(jìn)程。計算機建模過(guò)程主要由以下五個(gè)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)求解結果描述的定義;

5)輸出顯示。

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

6 結語(yǔ)

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