淺談電磁兼容控制、設計及其測試

中心論題：

1、電磁兼容的控制方法和設計方法

2、元器件的選擇和電路的分析

3、電源系統的EMC設計

4、接地系統的抗干擾設計

5、印制電路板的EMC設計

6、電磁兼容的測試方法

解決方案：

EMC控制策略與控制技術(shù)方案：傳輸通道抑制、空間分離、時(shí)間分隔、頻率管理、電氣隔離。

EMC設計首先提出要求和相應指標，然后將其分解成元器件級、電路級、模塊級和產(chǎn)品級的指標要求，逐級分層次的進(jìn)行設計。

EMC測試必須依據EMC標準和規范給出的測試方法進(jìn)行，并以標準規定的極限值作為判據。

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不同的設計方案，并介紹了電磁兼容性的測試。

關(guān)鍵詞: 電磁兼容性;控制;設計;測試

        自從電子系統降噪技術(shù)在70 年代中期出現以來(lái)，美國聯(lián)邦通訊委員會(huì )在1990年和歐盟在1992年提出了對商業(yè)數碼產(chǎn)品的有關(guān)規章，這些規章要求各個(gè)公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴格的磁化系數和發(fā)射準則。符合這些規章的產(chǎn)品稱(chēng)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(guān)標準和規范。我國在這方面的起步雖然較晚，但發(fā)展很快。隨著(zhù)市場(chǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，我國要參與世界技術(shù)市場(chǎng)的競爭，進(jìn)出口的電子產(chǎn)品都必須通過(guò)EMC檢驗。我國98年已立法強制對六類(lèi)進(jìn)口電子產(chǎn)品(計算機、顯示器、打印機、開(kāi)關(guān)電源、電視機和音響)及通信終端產(chǎn)品施行EMC檢測。同時(shí)，國內也正在審定和驗收正式的EMC認證機構和實(shí)驗室。產(chǎn)品的EMC檢測是實(shí)現電磁兼容不可缺少的技術(shù)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(chǎng)競爭力的先決條件。

電磁兼容性的控制方法

        EMC學(xué)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達到在共存的環(huán)境中互不發(fā)生干涉，*大限度地發(fā)揮其工作效率。但是，早期的抗干擾方法和現代的EMC技術(shù)在控制電磁干擾策略思想上有著(zhù)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(jiǎn)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(shù)人員處于極為被動(dòng)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(huì )采取預防措施，但這僅僅是根據經(jīng)驗局部的應用，解決問(wèn)題的方法也是單純的對抗式的措施。

       EMC 技術(shù)在控制干擾的策略上采取了主動(dòng)預防、整體規劃和“對抗”與“疏導”相結合的方針。人類(lèi)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 控制是一項系統工程，應該在設備和系統設計、研制、生產(chǎn)、使用與維護的各階段都充分的予以考慮和實(shí)施才可能有效?？茖W(xué)而先進(jìn)的EMC 工程管理是有效控制技術(shù)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(shù)，如屏蔽、接地、答接、合理布線(xiàn)等方法以外，還可以采取回避和疏導的技術(shù)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(shí)這些回避和疏導技術(shù)簡(jiǎn)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(wèn)題的時(shí)機上，應該由設備研制后期暴露出不兼容問(wèn)題而采取挽救修補措施的被動(dòng)控制方法，轉變成在設備設計初始階段就開(kāi)展預測分析和設計，預先檢驗計算，并**規劃實(shí)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(shí)進(jìn)行，并行開(kāi)展。EMC 控制技術(shù)是現代并行工程的組成內容之一。

EMC 控制策略與控制技術(shù)方案可分為如下幾類(lèi)：

a.傳輸通道抑制：具體方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、布線(xiàn)。

b.空間分離：地點(diǎn)位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場(chǎng)矢量方向控制。

c.時(shí)間分隔：時(shí)間共用準則、雷達脈沖同步、主動(dòng)時(shí)間分隔、被動(dòng)時(shí)間分隔。

d.頻率管理：頻率管制、濾波、頻率調制、數字傳輸、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，首先是根據產(chǎn)品設計對EMC 提出的要求和相應指標，然后，依據EMC 的有關(guān)標準和規范，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(shí)現的功能要求，逐級分層次的進(jìn)行設計。

       EMC 設計應考慮的問(wèn)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，一方面設備或系統本身應選用互相干擾*小的設備、電路和部件，并進(jìn)行合理的布局。再就是通過(guò)接地、屏蔽及濾波技術(shù)，抑制與隔離電磁騷擾。對不同的設備或系統有不同的設計方法和措施。

下面具體談點(diǎn)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.它是以數字電路為主，以低電平傳輸信號的設備。所用的數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(gè)典型例子。存儲器瞬間工作時(shí)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(dòng)作或通過(guò)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。數字電路傳送脈沖信號，產(chǎn)生的輻射頻率范圍很寬，如時(shí)鐘產(chǎn)生器、高速邏輯電路等都會(huì )產(chǎn)生高頻干擾和電磁泄漏，同時(shí)也會(huì )受通信、電視等頻段的電磁騷擾。因此，在設計時(shí)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(shù)。

電源系統的EMC 設計

       無(wú)論是信息技術(shù)設備還是無(wú)線(xiàn)電電子、電氣產(chǎn)品都要有電源供電。電源有外電源和內電源，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(huì )給設備或系統帶來(lái)毀滅性的破壞。另外，電源干線(xiàn)是多種干擾信號侵人設備的途徑。因此，電源系統，特別是開(kāi)關(guān)電源的EMC 設計是部件級設計的重要環(huán)節。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(guò)壓過(guò)流保護等。

接地系統的抗干擾設計

        良好的接地可以保護設備或系統的正常操作以及人身**?？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(xiàn)的種類(lèi)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(diǎn)接地、多點(diǎn)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(diǎn)之間無(wú)電位差。但實(shí)際上，任何“地”或接地線(xiàn)都有電阻。當有電流通過(guò)時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生壓降，使地線(xiàn)上的電位不為零，兩個(gè)接地點(diǎn)之間就會(huì )存在地電壓。當電路多點(diǎn)接地，井有信號聯(lián)系時(shí)，就將構成地環(huán)路干擾電壓。因此，接地技術(shù)十分講究，如信號接地與電源接地要分開(kāi)，復雜電路采用多點(diǎn)接地和公共地等。

印制電路板的EMC 設計

        元器件、電路和地線(xiàn)引起的騷擾都會(huì )在印制電路板上反映出來(lái)。因此，印制電路板的EMC 工程設計非常關(guān)鍵。印制電路板的布線(xiàn)要合理，如采用多層板，電源線(xiàn)與地線(xiàn)靠近，時(shí)鐘線(xiàn)、信號線(xiàn)與地線(xiàn)的距離要近等，以減少電路工作時(shí)引起內部噪聲。嚴格執行印制電路板的工藝標準和規范，模擬和數字電路分層布局，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(jìn)行EMC 設計時(shí)，一定不能忽略對靜電放電(ESD)的防護。ESD 防護的關(guān)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(guò)EMC 測試來(lái)衡量的。只有在產(chǎn)品的EMC 設計和研制的全過(guò)程中，進(jìn)行EMC 的相容性預測和評估，才能及早發(fā)現可能存在的電磁干擾，并采取必要的抑制和防護措施，從而確保系統的EMC。否則，當產(chǎn)品定型或系統建成后再發(fā)現不兼容的題，則需在人力、物力上花很大的代價(jià)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(wèn)題，而給系統的使用帶來(lái)許多麻煩。

        EMC 測試包括測試方法、測量?jì)x器和試驗場(chǎng)所，測試方法以各類(lèi)標準為依據，測量?jì)x器以頻域為基礎，試驗場(chǎng)地是進(jìn)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(chǎng)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(chǎng)地的要求*為嚴格。目前，國內外常用的試驗場(chǎng)地有：開(kāi)闊場(chǎng)、半電波暗室、屏蔽室和橫電磁波小室等。

        作為EMC 測試的實(shí)驗室大體有兩種類(lèi)型：一種是經(jīng)過(guò)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(shí)驗室?；蚍Q(chēng)檢測中心。它包括進(jìn)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(jìn)行輻射敏感度測試的消聲屏蔽室，用來(lái)進(jìn)行輻射發(fā)射測試的開(kāi)闊場(chǎng)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(shí)驗室需投入幾百萬(wàn)甚至數千萬(wàn)元人民幣。目前，國內已有數家已建成或正在投資興建。

        另一種類(lèi)型就是根據本單位的實(shí)際需要和經(jīng)費情況而建立的具有一定測試功能的EMC實(shí)驗室。比起大型的綜合實(shí)驗室，這類(lèi)測試實(shí)驗室規模小，造價(jià)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*后進(jìn)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(huì )成果，內外合作，進(jìn)行相互比對和交流，以達節約開(kāi)支，改進(jìn)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(dòng)檢測系統，可以快捷、準確地提供EMC 有關(guān)參數。新型的EMC 掃描儀與頻譜儀相結合，實(shí)現了電磁輻射的可視化?？蓪ο到y的單個(gè)元器件，PCB 板、整機與電纜等進(jìn)行全方位的三維測試，顯示真實(shí)的電磁輻射狀況。

       EMC 測試必須依據EMC 標準和規范給出的測試方法進(jìn)行，并以標準規定的極限值作為判據。對于預相容測試，盡管不可能保證產(chǎn)品通過(guò)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(jìn)設計、抑制EMI 發(fā)射。

        本文僅概略的介紹了一些產(chǎn)生電磁干擾的來(lái)源及其產(chǎn)品設計抑制方法。EMC 作為一門(mén)多學(xué)科的高新技術(shù)，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(shí)現EMC，從根本上提高產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。