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1、电磁兼容的理论研究常云鹏中原工学院 电子信息学院 信息084摘要：随着现代科学技术的发展, 电子设备的数量及种类不断增加使电磁环境( E ME ) 日益复杂在这种复杂的电磁环境中, 如何减少相互间的电磁骚扰, 使各种设备正常运转, 是一个急待解决的问题电磁兼容正是解决这类问题的一门新兴学科。电和磁是互相关联的。每一台电子设备都不可避免电磁兼容问题。因此，为了使电子设备可靠运行，必须研究电磁兼容技术。以实例说明了电磁兼容的思路和设计方法。通过对电磁干扰源的明确认识，对电磁干扰引入路径的清楚了解，针对电磁干扰敏感的接收电路进行重点保护。关键词：电磁兼容；电磁干扰；设计；屏蔽Theoretical
2、Study of Electromagnetic CompatibilityChang Yun-pengElectronic Information School of Information 084Abstract: With the development of modern science and technology, the number and types of electronic equipment, increasing the electromagnetic environment (E ME) complex in this increasingly complex el
3、ectromagnetic environment, how to reduce electromagnetic interference between each other, so that normal operation of equipment is a pressing problem is to solve such problems of electromagnetic compatibility of a new discipline. Electricity and magnetism are interrelated. Every electronic device is
4、 inevitable electromagnetic compatibility. Therefore, in order to make reliable operation of electronic equipment, electromagnetic compatibility technology must be studied. EMC examples illustrate the idea and design methods. Through a clear understanding of the source of electromagnetic interferenc
5、e, electromagnetic interference into the path of a clear understanding of the sensitive receiver for electromagnetic interference protection circuit. Key words: electromagnetic compatibility; electromagnetic interference; design; shield 1、引言1822年安培提出了一切磁现象的根源是电流的假说。1831年法拉第发现变化的磁场在导线中产生感应电动势的规律。1864
6、年麦克斯韦全面论述了电和磁的相互作用，提出了位移电流的理论，总结出麦克斯韦方程，预言电磁波的存在，麦克斯韦的电磁场理论是研究电磁兼容的理论基础。1881年英国科学家希维赛德发表了“论干扰”的文章，标志着电磁兼容性研究的开端。电磁兼容一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。现在电磁兼容科技工作者又进一步探讨电磁环境对人类及生物的影响，学科范围已不仅限于设备与设备间的问题，而进一步涉及到人类本身，因此某些国内外学者也把电磁兼容学科称作环境电磁学。由于试验技术是电磁兼容学科中的一项重要支撑技术电磁干
7、扰是现代电路工业面对的一个主要问题。为了克服干扰，电路设计者不得不移走干扰源，或设法保护电路不受干扰。其目的都是为了使电路按照预期的目标来工作即达到电磁兼容性。通常，仅仅实现板级的电磁兼容性这还不够。虽然电路是在板级工作的，但是它会对系统的其它部分辐射出噪声，从而产生系统级的问题。另外，系统级或是设备级的电磁兼容性必须要满足某种辐射标准，这样才不会影响其他设备或装置的正常工作。许多发达国家对电子设备和仪器有严格的电磁兼容性标准；为了适应这个要求，设计者必须从板级设计开始就考虑抑制电子干扰。2、电磁感应与电磁干扰2.1电磁环境的组成一个简单的电磁干扰模型由三个部分组成：电磁干扰模型的组成如图一所
8、示。图1 电磁干扰模型的组成2.2电磁干扰源一般电子线路都是由电阻器、电容器、电感器、变压器、有源器件和导线组成，当电路中有电压存在的时候，在所有带电的元器件周围都会产生电场，当电路中有电流流过的时候，在所有载流体的周围都存在磁场。 电磁干扰源包括微处理器、微控制器、静电放电、传送器、瞬时功率执行元件，比如说：机电式继电器、开关电源、闪电等。在一个微控制器系统里，时钟电路通常是最大的宽带噪声发生器，而这个噪声被分散到了整个频谱。随着大量的高速半导体器件的应用，其边沿跳变速率非常快，这种电路可以产生高达300MHZ的谐波干扰。电容器是电场最集中的元件，流过电容器的电流是位移电流，这个位移电流是由
9、于电容器的两个极板带电，并在两个极板之间产生电场，通过电场感应，两个极板会产生充放电，形成位移电流。实际上电容器回路中的电流并没有真正流过电容器，而只是对电容器进行充放电。当电容器的两个极板张开时，我们就可以把两个极板看成是一组电场辐射天线，此时在两个极板之间的电路都会对极板之间的电场产生感应。在两极板之间的电路不管是闭合回路，或者是开路，在与电场方向一致的导体中都会产生位移电流(当电场的方向不断改变时)，即电流一会儿向前跑，一会儿向后跑。电感器和变压器是磁场最集中的元件，流过变压器次级线圈的电流是感应电流，这个感应电流是因为变压器初级线圈中有电流流过时，产生磁感应而产生的。在电感器和变压器周
10、边的电路，都可看成是一个“变压器”的感应线圈，当电感器和变压器漏感产生的磁力线穿过某个电路时，此电路作为“变压器”的“次级线圈”就会产生感应电流。两个相邻回路的电路，也同样可以把其中的一个回路看成是“变压器”的“初级线圈”，而另一个回路可以看成是“变压器”的“次级线圈”，因此两个相邻回路同样产生电磁感应，即互相产生干扰。2.3 耦合路径噪声被耦合到电路中最简单的方式是通过导体的传递。如果一条导线在一个有噪声的环境中经过，这条导线通过感应将接受这个噪声并且将它传递到电路的其余部分。噪声通过电源线进入系统，就是这种的耦合的一种情况。由电源线携带的噪声就被传到了整个电路。耦合也能发生在有共享负载（阻
11、抗）的电路中。例如，两个电路共享一条提供电源电压导线，并且共享一条接地的导线。如果一个电路要求提供一个突发的电流，由于两个电路共享共同的电源线和同一个电源内阻，则另一个电路的电源电压将会下降。该耦合的影响能通过减少共同的阻抗来削弱。但不幸的是，电源内阻抗是固定的而不能被降低，这种情况也同样发生在接地的导线中。在一个电路中流动的数字返回电流在另一个电路的接地回路中产生了地电位的变动。若接地不稳定，则将会严重的降低运算放大器、模数转换器和传感器等低电平模拟电路的性能。同样，对每个电路都共享的电磁场的辐射也能产生耦合。当电流改变时，就会产生电磁波。这些电磁波能耦合到附近的导体中并且干扰电路中的其它信
12、号。2.4、敏感设备（Victim） 敏感设备是指当受到电磁骚扰源所发射的电磁能量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会发生电磁危害，导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备、分系统或系统可以既是电磁骚扰源又是敏感设备。3、电磁兼容设计电磁兼容设计要求目前大多数电子产品都选用开关电源供电，以节省能源和提高工作效率；同时越来越多的产品也都含有数字电路，以提供更多的应用功能。开关电源电路和数字电路中的时钟电路是目前电子产品中最主要的电磁干扰源，它们是电磁兼容设计的主要内容。电磁兼容性是电子设备的主要性能之一, 电磁兼容设计是实现设备规定功能、使系统效能得以充分发挥的重要保证
13、。必须在设备功能设计的同时, 进行电磁兼容设计。电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设各或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容。因此,电子设各在进行电磁兼容设计时应满足以下要求:( l) 明确设备的电磁兼容指标。电磁兼容性设计包括: 该设备在多强的电磁干扰下能正常工作; 该设备千扰其他系统的允许指标。(2 ) 在了解该设备千扰源、被干扰源、干扰祸合途径的基础上, 通过理论分析将这些指标逐级的分配到各分系统、电路和元器件上。(3) 采取相应的抗干扰措施,如抑制干扰源、切断干扰途径等。(4) 通过试验了解是否达到原定目标要求, 若未达到, 则应进一步采取措施4、电磁兼容的设计方法4.1接地技术接地属于
14、线路设计的范畴，对产品电磁兼容性有着至关重要的意义。可以说，合理的接地是最经济有效的电磁兼容设计技术。在设计的一开始就考虑布局与地线是解决电磁干扰问题最廉价和有效的方法。良好设计的地线系统并不会增加一分钱的成本。90%的电磁兼容问题是由于布线和接地不当造成，良好的布线和接地既能够提高抗扰度，又能够减小干扰发射。4.11电子设备接地的实用方式电子设备接地的实用方式为：单点接地、多点接地、混合接地。导体材料应选导电性能良好的铜、铝材料，并表面镀银。若为射频电阻，应采用宽/厚比值大的扁铜带制作地线，这样可减小导体的射频电阻。l 单点接地单点接地是把整个电路系统中某一结构点作为接地基准点，其他各单元的
15、信号地连接到这一点上。工作频率低于100KHz时应采用单点接地，以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。多个电路的单点接地方式又分为串联和并联两种。由于串联接地产生共地阻抗干扰，所以低频电路最好采用并联的单点接地，如图1 所示。并联接地的缺点是接地的导线过多。因此在实际中，没有必要所有电路都并联单点接地，对于相互干扰较少的电路，可以采用串联单点接地。例如，可以将电路按照强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地，如图2 所示。并联式单点接地在低频时可有效避免各单元间的阻抗干扰，但在高频时，相临地线间的耦合增强，则易造成各单元间的干扰
16、，因此，高频时应采取多点就近接地。电路1电路2电路3电路4图2 并联单点接地电路1电路2电路3电路4电路5图3 串、并联单点接地l 多点接地多点接地是指设备或分系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地面上，使引线长度最短。工作频率高于1MHz时应采用多点接地，如图3所示。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。电路1电路2电路3图4 多点接地l 混合接地由于多点接地系统中存在着各种地线回路，它们对于设备内较低电平的信号单元可能产生不良影响。为此需要采取混合接地，
17、如图4 所示。根据不同的工作频率采用相应的接地方式:频率高于1MHz或接地线的长度大于工作信号波长的1/20时采用多点接地；频率低于100KHz或接地线的长度小于工作信号波长的1/20时采用单点接地。 射(中)频电路1低频电路1射(中)频电路2射(中)频电路3低频电路2低频电路3图5 混合接地4.2滤波和吸收技术滤波是抑制传导干扰最直接有效的办法。另外，由于良好的滤波抑制了干扰源的泄漏，所以对辐射干扰的抑制也会起到良好的效果。对于瞬态脉冲干扰，最有效的办法则是使用脉冲吸收技术。实际使用中，应根据滤波器的特性：插入损耗、频率特性、阻抗、额定电压、额定电流、绝缘电阻及体积、重量、温升及可靠性等来选
18、择滤波器。L-C滤波器、吸收式滤波器是通常采用的滤波器。穿心电容是常用的L-C滤波器，具有连接、安装方便等优点，但是属于反射式滤波器，当它和信号源不匹配时，一部分有用能量会被反射回信号源，导致干扰电平的增加。为拓宽抑制带宽，可采用铁氧体等损耗材料制成的吸收式滤波器，使有用信号能有效通过，而将干扰能量转化成热能。市场上有理想高频特性的电缆滤波器、滤波连接器等，可满足各种需要。滤波器的安装质量对实际衰减特性影响很大，只有正确的安装才能获得预期的衰减特性。滤波器的安装应遵循：（1）电源供电线的滤波器应安装在设备或屏蔽壳体的电源入口处，并予以屏蔽。（2）滤波器中电容器引线应尽可能短，以免其感抗与容抗在
19、较低频率上谐振。电容器和其他元件间应正交安装，减小相互耦合。（3）滤波器要进行良好的接地。（4）焊接在同一插座上的每根导线都必须进行滤波，否则会破坏滤波器的有效性。（5）滤波器的输入和输出引线之间应予以屏蔽，更不得往返交叉，否则输入和输出引线之间的耦合将导致滤波器抑制特性下降。4.3.屏蔽和隔离技术屏蔽技术就是用来抑制电磁噪声沿着空间的传播, 即切断辐射电磁噪声的传输途径。电磁场在空间是以。场” 的方式传播的, 场有近场和远场之分。近场又分为电场和磁场。噪声源是高电压、小电流时其辐射场表现为电场。辐射源为低电压、大电流性能时其辐射场表现为磁场。若噪声波长和两者距离满足条件时, 则辐射一场为远场
20、。对于电场、磁场、电磁场等不同的辐射场, 由于屏蔽机理不同因此采用的方法也不尽相同。屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离, 以控制电场、磁场和电磁场由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲, 就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来, 防止干扰电磁场向外扩散; 用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来, 防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁场和内部电磁场均起着吸收能量(涡流损耗) 、反射能量( 电磁波在屏蔽体上的界面反射) 和抵消能量( 电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场,可抵消部分干扰电磁波) 的作用, 所以
21、屏蔽体具有减弱干扰的功能。因此, 在选择屏蔽材料时, 应遵守以下原则:(1) 当干扰电磁场的频率较高时, 利用低电阻率的金属材料中产生的涡流,形成对外来电磁波的抵消作用, 从而达到屏蔽的效果。(2 ) 当千扰电磁场的频率较低时, 要采用高导磁率的材料, 从而使磁力线限制在屏蔽体内部, 防止扩散到屏蔽的空间去。(3 ) 在某些场合下, 如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时,往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。有时候采用屏蔽后仍不能满足抑制和防止干扰的要求, 可以结合屏蔽, 采取平衡传输方式等电路技术。发送和接收端分别采用平衡差分式电路, 这样对地平衡,始端和终端阻抗匹配, 可以抑制
22、地环路干扰, 同时也可以抑制信号线的反射。正如R S 一2 3 2 接口采用平衡传输方式, 传输距离可很大提高。屏蔽的方法有电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽。要获得良好屏蔽效果，取得理想的效/费比，首先要确定干扰源的类型、场强的方向、干扰源与感受器的距离，有针对地采取屏蔽方法及选择合适的材料。通过分析波阻抗和能量密度，可知电偶极子在近场(r377)，近场的能量主要为电场分量，可忽略磁场分量；磁偶极子在近场的波阻抗为低阻抗(/2)的波阻抗相等(均为377)，此时电场和磁场分量相等。这就是说两类源在近场的差别较大，因此可根据其波阻抗和能量性质，将上述两种源称为高阻抗电场源和低阻抗磁场源。注意，上述近场和远
23、场的条件即r的大小，是与频率f有关的。所以又可以说，在较低的频率范围内，干扰一般发生在近场。高阻抗电场源的近场主要为电场分量，低阻抗磁场源的近场主要为磁场分量。当频率增高时，干扰趋于远场，此时电场和磁场分量均不可忽略。对应于三种情况的屏蔽分别称为：电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。静电屏蔽和恒定磁场的屏蔽分别是电屏蔽和磁屏蔽的特例。4.3.1电屏蔽设计要点首先，选择铜、铝合金材料作屏蔽体材料，高频时表面镀上银层，同时屏蔽体必须良好的接地，并要正确选择接地点，合理设计屏蔽体形状。用螺钉接地时应加内齿垫圈，用导线接地时应尽量缩短导线长度，而导线两端最好用焊接。屏蔽体接地点应靠近被屏蔽的低电平元件的入地点。
24、要获得高的屏蔽效能，可采用盒形结构，尽量减小开孔面积和减少开孔数量，合理设计屏蔽盒双层盖、共盖、分盖结构，妥善选用合适的弹性件，减小接触电阻。4.3.2磁屏蔽设计要点低频磁场干扰是一个棘手的问题。对于低频磁场屏蔽，涡流的屏蔽作用很小，主要有赖于高磁导率材料所具有的高磁导率起磁分路作用。屏蔽体的磁导率越高、壁层越厚，则磁分路作用愈明显，磁屏蔽效能愈好。通常情况下，磁屏蔽采用钢板作屏蔽体，必要时可采用双层屏蔽，铁镍合金等高磁导率材料。磁屏蔽的结构设计时应仔细考虑屏蔽体的接缝与孔洞的处理：必须使屏蔽体的接缝与壁内磁通的流经方向尽可能平行、正确布置通风孔，以尽可能减小屏蔽体磁阻的上升。高导磁率材料在机
25、械冲击的条件下会极大地损失磁性，导致屏蔽效能下降。因此，屏蔽体在经过机械加工后，如敲击、焊接、折弯、钻孔等，必须经过热处理以恢复磁性。内部空心的屏蔽盒，是常用的屏蔽结构形式，其磁屏蔽效能可按下式近似计算：SE=0.22r1-（1-t/r）3+1式中： r相对磁导率；t屏蔽体壁厚；r与屏蔽盒相等容积的等效球半径。4.3.3电磁屏蔽设计要点对于电磁屏蔽，因为金属的导电、导磁能力越好，金属吸收电磁场的能力越强；电磁场的频率越高，越易于被金属吸收。因此对于电磁屏蔽，采用铜、铝合金材料作屏蔽体表面镀上银层，可取得良好的屏蔽效果。电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，各根据实际
26、情况，选择合适的导电衬垫、梳形簧片、屏蔽显示窗、截止波导、导电涂料等，实现电磁密封。4.3.4电磁屏蔽设计程序 电磁屏蔽设计是电子设备结构设计的重要组成部分，科学、合理地进行电磁屏蔽设计，是设计师必须仔细斟酌的问题。其设计程序为：一、根据设备和电路单元、部件的工作环境和电磁兼容性要求，提出确保正常运行所需的屏蔽效能值。二、按所需的屏蔽效能值确定屏蔽的类型。三、由屏蔽体的功能（机箱或设备内部的屏蔽）、容许的屏蔽空间确定屏蔽体的尺寸、形状和结构形式。四、针对干扰场强的特性和所处的场区，根据实心型屏蔽理论合理选择屏蔽体的材料，并按屏蔽体的机械特性（刚度和强度）和屏蔽效能值确定屏蔽体的壁厚，并应留有足
27、够的富余值。五、进行屏蔽体的完善性设计，即根据设备的具体要求和生产工艺条件选择相应的措施，以抑制屏蔽体上所有电气不连续处造成的电磁能泄漏。4.4.合理布局合理布局包括系统设备内各单元之间的相对位置和电缆走线等，其基本原则是使感受器和干扰源尽可能远离，输出与输入端口妥善分隔，高电平电缆及脉冲引线与低电平电缆分别敷设。通过合理布局能使相互干扰减小到最小程度而又费用不多。一个产品若在设计阶段注意选择合理的元器件，并优化线路布局，尤其高频连接线尽量短，接地电阻尽量小，必要时再加上适当的屏蔽和滤波等措施，那么其电磁兼容性能便不会存在大的问题。 结束语 电磁兼容设计在我国是一门很崭新的科学，电磁兼容性EM
28、C的相关标准还很不完善，很多测试方法或定量分析还需要人们进一步去摸索和探讨，很多新的电磁兼容性EMC设计理论还需人们去创立。本文所涉及的一些电磁兼容设计的知识极为肤浅，内容只是冰山一角，希望我国的科学工作者和工程技术人员，在这一方面能够赶超世界水平，多为国家作贡献。 参考文献：1 （美）BE凯瑟.电磁兼容原理M.北京:电子工业出版社,1985. 2 （德）D斯托尔.工业抗干扰的理论与实践M.北京:国防工业出版社,1985. 3 蔡仁钢.电磁兼容原理、设计和预测技术M.北京:北京航空航天大学出版社,1997. 4 System Design and Layout Techniques for N
29、oise Reduction in MCU-Based Systems, Motorola Application Note, AN1259.5 Determining MCU Oscillator Start-up Parameters, Motorola Application Note, AN1783.6 Resetting Microcontrollers During Power Transitions, Motorola Application Note, AN1744.7 Resetting MCUs, Motorola Engineering Bulletin, EB413.8 Trends in EMC Testing of Household Appliances, SCHAFFNER Application Note, SAN014.