電磁兼容技術及應用

本文簡要介紹電磁兼容相關的各項技術，通過對接地、屏蔽、濾波等技術的分析，說明產品如何實現良好的電磁兼容性，如何將電磁兼容技術融入產品研發流程。對實例分析，結合電磁兼容理論，說明實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，提高產品可靠性。

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目前，電磁兼容技術已經發展成為專門的針對電子產品抗電磁干擾和電磁輻射的技術，成為考察電子產品的安全可靠性的一個重要指標，覆蓋所有電子產品。

　　各個電子設備在同一空間工作時，會在其周圍產生一定強度的電磁場，這些電磁場通過一定的途徑（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。

　　電磁兼容技術主要包括接地、濾波、屏蔽技術等，在特定場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、濾波等。

　　一、電磁兼容技術

　　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，干擾源是產生電磁干擾的設備，通過電纜、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：傳導發射和輻射發射，傳導發射是以導線為媒體，以電流為現象，輻射發射是以空間輻射為媒體，以電磁波為現象。常見干擾源有雷電、無線通訊、脈沖電路、靜電、感性負載通斷、天線、電纜導線等。任何電路都可能成為敏感源，數字電路抗干擾性較好，但是風險大，大的脈沖尖峰可能是數字電路誤動作，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、天線輻射，傳導性耦合包括地線和電源線上的傳導。

　　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，地線從電壓概念說是提供一個等電位體，從電流概念上說是提供一個電流通路。地線阻抗決定了線路的抗干擾性，其中導線阻抗決定了地線的電位差，回路阻抗決定了實際的地線電流，地環路的存在是電路受干擾的主要原因，減小地環路的面積，降低對線路的影響，使用屏蔽線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。地線電流總是走地線阻抗比較小的路徑，高頻低頻時線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，因為多層板有專門的地層和電源層，保證每個信號回路都具有zui小的信號回路面積，如果是雙層板，鋪地線網格，來保證zui小的回路面積。

　　單端接地是為了降低電場對設備的影響，兩端接地是降低磁場對設備的影響，兩端接地形成磁場環路，外界磁場在原來信號與地線構成的回路中產生感應電流的同時，也在屏蔽層與地線構成的回路中產生感應電流Is，Is也會感應出磁場，但是這個磁場與原來的磁場磁場方向相反，相互抵消，導致總磁場減小，減小了干擾。

　　屏蔽技術，主要是應用在系統的結構上的，也有對線路關鍵電路進行屏蔽的，如時鐘電路、CPU等。考察系統的屏蔽效能可以利用靜電測試，如果系統屏蔽做的好，靜電會沿著屏蔽體進行泄放，不會對內部線路造成影響。良好的電磁屏蔽的關鍵因素是屏蔽體的導線連續性，如果必須開孔引導線，采用屏蔽電纜，屏蔽層一定要采用360度環接方式進行接地，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，來選擇屏蔽電纜。

　　濾波包括電源線濾波與信號濾波。電纜是一個很好的天線，有時候即使屏蔽做的很好，仍然不能通過輻射發射和輻射敏感度的試驗，這是因為電纜產生的輻射遠高于線路板本身及機箱屏蔽不完整發生泄漏所產生的輻射。解決這種問題的一個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。一個系統使用了二階LC低通濾波器，做輻射試驗還是過不去，將前級電容去掉，輻射發射就不超標了，說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。濾波電容引線要短，可以采用 “V”形接法，減小高頻時的回路阻抗，也可以在引線上增加安裝磁珠，加大了引線上的電感，增強了濾波效果。薄膜電容的電阻成分大，應采用陶瓷電容來進行濾波，陶瓷電容的阻抗特性好。

電磁兼容技術應貫穿產品研發始終，包括產品的概要設計、詳細設計、原理圖印制板設計、結構、組裝調試等每個環節，都應該考慮電磁兼容設計，概要設計中需要調研產品應用環境，分析現場干擾類型，評估干擾風險，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，必要時進行仿真，印制板圖設計時需要按照模塊化設計，注意布局布線，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，產品的結構對靜電、群脈沖、輻射等有很大的關系，結構要求具有良好的屏蔽性和接地。裝配調試環節需要注意信號完整性，保證接地的連續性，注意面板接觸問題，在測試環節根據遇到的實際情況，采取相應的措施。

　　二、電磁兼容實例應用分析

　　學習電磁兼容技術的整體目標是系統地學習電磁兼容方面的知識，通過學習電磁兼容設計理論，使這些方法、規則、措施等融入實際工作中，來保證產品盡可能可靠。

　　1、接地問題

　　實例一：某系統設備在做422通訊串口的射頻場感應傳導測試，采用雙絞屏蔽線，開始采用的是單端接地，測試時出現的誤碼率高，幾乎沒有正確的數據，后來采用雙端可靠接地，通訊正常。

　　實例二：某系統設備在做視頻鼠標線的射頻場感應傳導的試驗時，在較低頻段（3M以下）時顯示器有波紋，上下閃動，后來將視頻線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的感應傳導試驗時出現的，射頻場的感應傳導抗擾度試驗實質是：設備引線變成被動天線，接受射頻場的感應，變成傳導干擾入侵設備內部，zui終以射頻電壓電流形成的近場電磁場影響設備工作 ，以低頻磁場為主。

　　雙絞線能夠有效地抑制磁場干擾，這不僅是因為雙絞線的兩根線之間具有很小的回路面積，而且因為雙絞線的每兩個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。雙絞線的絞節越密，則效果越明顯。

　　屏蔽層兩端接地時，外界磁場在原來信號與地線構成的回路中產生感應電流的同時，也在屏蔽層與地線構成的回路中產生感應電流Is，Is也會感應出磁場，但是這個磁場與原來的磁場磁場方向相反，相互抵消，導致總磁場減小，減小了干擾。

　　2、屏蔽問題

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

　　實例四：某系統試驗，用普通機柜，系統很敏感，對機柜引出線（通訊線）進行群脈沖試驗，采用耦合夾耦合方式，干擾一加上去，系統就不正常，在通訊線兩端增加磁環，效果不明顯，后來沒有辦法了，更換了屏蔽機柜，進行試驗，有明顯效果，做幾輪后，系統才會出現倒機想象，在通訊線進機柜處增加安裝磁環后，系統工作正常，幾輪試驗后，沒有出現倒機現象，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、驅動板等都安裝在同一機箱中，進行數據交換與控制。安裝完成后各電路板會有一定的縫隙，靜電脈沖通過面板縫隙，分布電容向主板耦合，使電源失真或控制發生故障系統重啟、死機。在面板之間安裝指形簧pian，使機箱成為一個良好的屏蔽體，由于電荷的“趨膚效應”，當有靜電干擾時，靜電會沿著表面泄放至大地，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都進行了處理，縫隙處安裝導電簧pian，門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，群脈沖干擾的實質是對線路分布電容能量的積累效應，當能量積累到一定程度時就可能引起線路（乃至設備）工作出錯。通常測試設備一旦出錯，就會連續不斷的出錯，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，波形上升時間短暫，能量較小，一般不會造成設備故障，使設備產生誤動作的情況多見。

　　3、磁環的作用

　　實例五：對一個機箱結構系統做群脈沖實驗，機箱內含有控制板、采集板、驅動板等，采集線、驅動線出機柜，需要做信號線群脈沖實驗，當干擾施加在采集線上時，所有的采集板上指示燈都閃爍，對采集回路進行分析，采集輸入有光電隔離器件，采集回線為動態的12V輸出，當干擾施加時，可能造成采集回線上的電壓失真，造成指示燈閃爍，找了一個閉合磁環，安裝在采集回線上，進行實驗，在某一極性下指示燈閃爍，說明磁環有作用，然后根據其阻抗特性，繞制2圈，實驗效果不明顯，后來試驗一下繞制3圈，結果，采集指示燈顯示正常，多次試驗，系統均正常。

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

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

　　電磁兼容技術融入電子產品開發設計中，可以提高產品的安全可靠性，如果在實際測試中，某一方面存在缺陷，可以從電磁干擾的方式上入手進行一步一步測試，電磁干擾有兩種形式：傳導發射和輻射發射，從各自的耦合路徑進行查找。一個系統指標超標，可以先從輻射發射上解決，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，再進行試驗，如果還超標，那就是干擾主要是傳導發射引起的，在設備機殼出口處安裝信號濾波器和電源濾波器，進行試驗，如果還超標，那就是干擾是通過電纜輻射和傳導發射出來，通過對屏蔽層的接地，減小地環路等措施必定能查找到原因并解決。

　　三、結語

　　產品需要逐步更新完善，才能達到一定的安全可靠，電磁兼容技術需要不斷的積累，才能保證產品的安全可靠，產品應用場合不同，遇到的電磁干擾有所不同，產品的性能也不同，需要根據實際應用環境，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，保證產品安全可靠工作。