EMC的分析與可靠性設計 1 引言 隨著當前電子技術的飛速發展，現代的電子設備已經越來越多地應用于人類生活的各個方面。隨著人類社會的持續進步和發展，電子設備的發展過程仍以日益增長的速度持續著。電子設備的廣泛應用和發展，必然導致它們在其周圍空間中產生的電磁場電平的不斷增加。電子設備不可避免地在日益惡化的電磁環境（EME）中工作。因此，必須改善電子設備在電磁環境中的適應能力以使其更好地工作。，也就是對相應的電磁兼容性設計提出更可靠的解決方案，從而zui大限度地抑制和消除空間中的電磁干擾，使電子設備或系統與其他設備在一起工作時，整個系統任何部分的工作性能都不會出現惡化或者較大幅度的降低。 當前比較普遍使用的電磁兼容設計技術包括屏蔽、濾波、合理接地及合理布局等方法，并在工程實踐中被廣泛采用。但是隨著電子系統的集成化、綜合化，以上措施的應用往往會與產品或者系統的成本、質量、功能要求產生矛盾，因此必須權衡利弊研究出zui合理的措施來滿足電磁兼容性要求。隨著新的導電和屏蔽材料以及工藝方法的出現，電磁兼容性的設計技術又有了新的措施。無論如何，電磁干擾的抑制技術始終都是電磁兼容科學中zui活躍的研究課題。 2 電磁干擾的來源和傳播途徑 2.1 電磁干擾的來源 各種形式的電磁干擾是影響電子設備電磁兼容性的主要因素，因此，了解其來源是電磁兼容設計的先決條件之一。一般的來源分為內部和外部兩種。 1. 內部干擾-------電子設備內部各元部件之間的相互干擾。 （1） 工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產生漏電而造成的干擾； （2） 信號通過地線、電源和傳輸導線的阻抗互相耦合，或導線之間的互感造成的干擾； （3） 設備或系統內部某些元件發熱，影響元件本身或其他元件的穩定性造成的干擾； （4） 大功率和高電壓部件產生的磁場、電場通過耦合影響其它部件造成的干擾。 2. 外部干擾------電子設備或系統以外的因素對線路、設備或系統的干擾。 （1） 外部的高電壓、電源通過絕緣漏電而干擾電子線路、設備或系統； （2） 外部大功率的設備在空間產生很強的磁場，通過互感耦合干擾電子線路、設備或系統； （3） 空間電磁對電子線路或系統產生的干擾； （4） 工作環境溫度不穩定，引起電子線路、設備或系統內部元器件參數改變造成的干擾； （5） 由工業電網供電的設備和由電網電壓通過電源變壓器所產生的干擾。 2.2電磁干擾的傳播途徑 1. 當干擾源的頻率較高、干擾信號的波長又比被干擾的對象結構尺寸小，或者干擾源與倍感繞者之間的距離r>>λ/2π時，則干擾信號可以認為是輻射場，它以平面電磁波形式向外輻射電磁場能量進入被干擾對象的通路 2. 干擾信號以漏電和耦合形式，通過絕緣支撐物（包括空氣）為媒介，經公共阻抗的耦合進入被干擾的線路、設備或系統。 3. 干擾信號可以通過直接傳導方式進入線路、設備或系統。 3 電磁干擾的控制策略分析 電磁兼容學科實在早期單純的抗干擾方法基礎上發展形成的，兩者的目標都是為了使設備和系統達到在共存的環境中互不發生干涉并zui大限度地發揮其工作效率。但是早期的抗干擾性方法和現代的電磁兼容技術在控制電磁干擾策略思想上有著本質的差別。 單純的抗干擾性方法在抑制干擾的思想方法上比較簡單，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，因此工程技術人員處于被動的地位，哪里有干擾哪里就事論事的給予解決，當然經驗豐富的工程師也會采取預防措施，但這僅僅是根據經驗局部的應用，解決問題的方法也是單純的對抗式的措施。 電磁兼容技術在控制干擾的策略上采取了主動預防、整體規劃和“對抗”與“疏導“相結合的方針。電磁兼容性控制是一項系統工程，應該在設備和系統設計、研制、生產、使用與維護的各階段都充分給予考慮和實施才可能有效?？茖W而*的電磁兼容工程管理是有效控制技術的重要組成部分。 在控制方法，除了采用*的抑制干擾傳播的技術，如屏蔽、接地、搭接、合理布線等方法以外，還可以采取回避和疏導的技術處理，如空間方位分離、頻率劃分與回避、濾波、吸收和旁路等等，有時采用這些簡單而巧妙的回避和疏導技術能夠代替昂貴且質量、體積都較大的硬件措施，從而取得較好的抑制效果。 在解決電磁干擾問題的時機上，以前往往是設備研制后期暴露出不兼容問題后，再采取挽救修補的措施進行被動的EMC控制，這種情況在電子設備發展精度日益增高的今天應當極力避免，因此必須在設備設計的初始階段就開展預測分析和設計，預*行詳細的論證和檢驗計算，并盡可能全面地規劃實施細則和步驟，把涉及到相關系統的電磁兼容性設計和可靠性設計，產品的維護性與產品的基本功能結構設計和軟硬件設計綜合考慮并同步進行，只有這樣才有可能zui大限度地減小電磁干擾，實現更高層次上的電磁兼容設計策略?？傊姶偶嫒菁夹g是現代并行工程的組成部分之一。 4 電磁兼容的可靠性設計方法 4.1 接地 不管在任何系統中，電子設備的接地都是該設備電磁兼容設計的一個很重要的問題。一般的實際系統中接地情況如圖1所示，其作用如下： （1） 接地可以使整個電路系統的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統能穩定地工作。 （2） 防止外界電磁場的干擾。機殼接地可以使得由于靜電感應而積累在機殼上得大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成得高壓可能引起設備內部得火花放電而造成干擾。另外對于電路得屏蔽體，若選擇合適得接地，也可獲得良好得屏蔽效果。 （3） 保證安全工作。當發生直接雷電得電磁感應時，可避免電子設備得損壞；當工頻交流電源得輸入電壓因絕緣不良或其他原因直接與機殼相通時，可避免操作人員得觸電事故發生。此外，很多醫療設備都與病人的人體直接相連，當機殼帶有110V或者220V電壓時，將可能發生致命危險。 實際電子系統的接地示意圖 總之，接地是抑制噪聲并防止干擾的主要方法之一。一般的接地可以理解為一個等電位點或等電位面，屬于電路或系統的基準電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊或其他高電壓可能造成的損壞或者工作人員的人身安全，電子設備的機殼和己方的金屬構件等必須與大地相連界，而且接地電阻一般很小，不能超過規定值。 4.2 屏蔽 屏蔽就是對兩個空間區域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射。具體地講，就是用屏蔽體將電子元部件、電路、組合件、電纜或整個系統的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設備或系統包圍起來，防止它們收到外界電磁場的影響。屏蔽體對來自導線、電纜、元部件以及電路或系統等外部的干擾電磁波和內部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應在屏蔽層上產生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以利用屏蔽體可以非常有效地減弱電磁干擾。 屏蔽材料選擇的原則如下： （1） 當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率（高電導率）的金屬材料中產生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果。 （2） 當干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內部，防止擴散到屏蔽的空間去。 （3） 在某些特定場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的評比效果時，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。 4.3 濾波 正確而合理的濾波是解決電磁干擾的一個非常重要的技術方法。電磁干擾濾波器是以能夠有效抑制電磁干擾為目標的濾波器，常常分為信號線EMI濾波器、電源TMI濾波器、印制板Emi濾波器、反射Emi濾波器以及隔離EMI濾波器等幾類，這里主要分析一下前兩種濾波器的情況。 線路板上的導線是zui有效的接收和輻射天線，由于導線的存在，往往會使線路板上產生過強的電磁輻射。同時由于這些導線又能接收外部的電磁干擾，使得電路對干擾很敏感。針對這種情況使用信號濾波器是一種結局高頻電磁干擾輻射和接收很有效的方法。脈沖信號的高頻部分很豐富，這些高頻成分可以借助導線輻射，使線路板的輻射超標。而信號濾波器的使用可以使脈沖信號的高頻成分大打減少，從而使線路板的輻射大大改善。 電源線是電磁干擾傳入設備和傳出設備的主要途徑。通過電源線，電網上的干擾可以傳入設備，干擾設備的正常工作。同樣，設備的干擾也可以通過電源線傳到電網上，對網上其他設備造成干擾。為了防止這兩種情況的發生，必須在設備的電源入口處安裝一個低通濾波器，這個濾波器只容許設備的正常工作頻率通過，而對較高頻率的干擾有很大的損耗，從而達到了濾除高頻干擾的目的，這種濾波器即為電源線濾波器。當然由于電源線上的干擾雖工作頻率的高低而不有所同，低頻時通常是差模干擾成分占多，而高頻時主要是共模干擾成分，因此設計電源線濾波器時又要仔細考慮并區別對待。 4.4 其他抑制干擾方法 （1） 正確地選擇無源器件 實用的無源器件并不是“理想“的，其特性和理想的特性本身肯定是有差異的。實用的元件本身就是一個干擾源，因此正確地選用無源元件非常重要。應當充分利用這一特性對電磁干擾進行抑制和防止。 （2） 恰當設計電路 有時候單純地采用屏蔽并不能很好地滿足抑制和防止干擾的要求，此時可以結合屏蔽并采取平衡措施等電路技術。平衡電路是指雙線電路中的兩根導線與連接到這兩根導線的所有電路，對地或對其它導線都具有相同的阻抗。其目的在于使兩根導線所收到的干擾信號相等。這時的干擾信號噪聲由于是共態信號，可在負載上自行消失，除此之外，還有恰當地設計接點網絡、整形電路、積分電路及選通電路等方法來抑制干擾。 5 一些典型電磁兼容性問題的解決 由于電子技術在各行業的廣泛應用，在人類社會的空間中無處不充斥著電磁波。在實際的電子設備應用中，人們在研究抗干擾技術方面逐漸積累了大量的經驗，不斷研究出許多實用的方法來消除電磁干擾。 （1） 汽車行業的電磁兼容 實驗發現：汽車工作時，電磁干擾相當突出，嚴重時會影響電子儀表的指示精度甚至損壞電子元器件，因此汽車電子設備的電磁環境極為惡劣。技術人員采取了如下的措施來抑制電磁干擾： 1） 在汽車點火時，采用帶阻尼的屏蔽線作為點火線，可以很有效地減小產生的高頻輻射，從而減輕了汽車電氣噪聲對環境的污染。 2） 針對微電子技術在汽車上應用時產生的電磁干擾問題，可以通過針對實際應用情況設計出適當的濾波電路和隔離電路，恰當地選擇元器件和安排電路系統，設置能量吸收回路等，從而使EMI被抑制到zui小。 （2）微機設備的軟件抗EMI措施 微機設備是一個可編程控制裝置，通過合理的軟件編程可以支持和加強硬件的抗*力。當微機系統中隨機內存即RAM主要用于測量和控制時數據的暫時存放，內存空間較小，對存放的數據而言，若將采集到的幾組數據求平均值作為采樣結果，可以有效地避免采集時因干擾而破壞了數據的真實性；如果存放在隨機內存中的數據因干擾而丟失或者數據發生變化，可以在隨機內存區設置檢驗標志，同時在隨機存儲器芯片的寫信號線上加觸發裝置，保證只在CPU寫數據時才發。另外，數字濾波程序、抗窄脈沖的延時程序、邏輯狀態的真偽判別程序等，都屬于軟件抗干擾的有效措施。 （3）高速電路板的電磁兼容設計 EMI（電磁干擾）隨著電路速度的提高會變得越來越嚴重，同時告訴器件容易對干擾敏感，因此在高速電路板設計和調試的過程中，對 EMC的設計要求往往都很高。通常的抑制高速電路板EMI的途徑為：電磁屏蔽、濾波、消除電流環路和在規定要求下盡可能降低器件的速度。尤其在消除高頻噪聲時必須注意以下原則： 1） 電源和地的統一和穩定 2） 仔細考慮布線與合適地端接以消除反射和容性、感性串擾 3） 避免電流環路 4） 采用適當的EMI濾波器 6 結語 由于電子技術的廣泛應用，并且各種干擾設備的輻射很復雜，要真正*消除電磁干擾是不可能完成的任務。但是可以根據電磁兼容性的基本原理來采取許多措施zui大限度地減小電磁干擾使之控制在系統可容納的范圍之內，從而保證系統或設備良好的電磁兼容性。隨著EMC學科的日益發展，相信越來越多的抗EMI措施會涌現出來。針對不同的電子系統具體分析論證，一定可以總結出針對該系統的zui有效zui合適的EMC方案。