电磁兼容检测与优化

电磁兼容检测与优化

文小林许海英

东莞标检产品检测有限公司

摘要:电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行,并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。主要介绍电磁兼容的检测方法、优化、整改等内容,着重通过检测实践从EMC的3个重要要素:电磁干扰源、耦合途径、敏感设备方面总结优化方法及整改方案。电磁兼容的优化主要关注屏蔽、PCB的设计及重要器件的选择,整改主要是通过综合运用屏蔽、滤波吸波、接地等措施实施电磁兼容改进。

关键词:电磁兼容;EMC；检测;优化

一、电磁兼容的概念

EMC，即ElectroMagneticCompatibility，就是电磁兼容，是以电磁场理论为基础，

包含电气、电子、通信、材料、结构等学科的边缘科学；也是一门研究在有限空间、时间和频率资源条件下，各种电气、电子设备或系统在同一电磁环境中可以互相兼容，而不致引起其性能下降的应用科学技术。

国际电工委员会对电磁兼容性的定义是：“电磁兼容是电子设备的一种功能，电子设备在电磁环境中能完成其功能，而不产生不能容忍的干扰。”我国最近颁布的电磁兼容国家标准中，定义电磁兼容为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。”

电磁兼容包含以下三方面的含义：

1、电磁干扰

EMI，即处在一定环境中的设备或系统，在正常运行时，不应产生超过相应标准所限制的电磁能量。其包含的测试项目有：电源线的传导骚扰，信号/控制线传导骚扰，功率骚扰，辐射骚扰，谐波电流，电压波动和闪烁等。

2、电磁抗扰度

EMS，即处在一定环境中的设备或系统，在正常运行时，设备或系统能够承受相应标准规定范围内的电磁能量干扰。其包含的测试项目有：静电放电抗干扰，射频辐射电磁场抗干扰，电快速脉冲群抗干扰，浪涌抗干扰，由射频场感应引起的传导抗干扰，工频磁场抗干扰，电压跌落与短时中断抗干扰等。

3、电磁环境，即系统或设备的工作环境

电磁干扰的三要素：电磁骚扰源，耦合路径，骚扰接收机。

电磁骚扰源，产生骚扰的电路或设备。

耦合路径，能够将电磁骚扰源产生的骚扰能量传递到敏感设备的路径。

骚扰接收机，受到此骚扰影响的电路或设备。

如果采取措施把这三个要素中的任一个消除，电磁干扰的问题也就没有了。因此，

电磁兼容技术就是围绕着这三个要素展开的。

二、电磁兼容基本术语

1、电磁环境

存在于给定场所的所有电磁现象的总和。包括工业场所的室内室外环境，和居住、商业和轻工业场所的室内室外环境。

2、电磁骚扰

任何可能引起装置、设备或系统性能下降或对生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。

3、电磁干扰

电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。

4、电磁兼容性

设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

5、抗扰度

装置、设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力。

6、骚扰限值

对应于规定测试方法的最大电磁骚扰允许电平。

7、抗扰度限值

规定的最小抗扰度电平。

8、干扰抑制

削弱或消除电磁骚扰的措施。

9、耦合

在给定电路中，电磁量（通常是电压或电流）从一个规定的位置通过磁场、电场、

电压、电流的形式传输到另一个规定的位置。

10、耦合路径

部分或全部电磁能量从规定传输到另一电路或装置所经由的路径。

三、电磁兼容的标准

电磁兼容的标准可以分为基础标准、通用标准、产品标准（又可以继续细分为系列产品标准和专用产品标准）。每类标准包含干扰和抗干扰两部分的标准。

1、基础电磁兼容标准

它们规定达到电磁兼容的一般和基本条件或规则，与涉及电磁兼容问题的所有系列产品、系统或设施有关，并且可以适用于这些产品，但是不规定产品的发射限值或抗扰度判定准则。

2、通用电磁兼容标准

它们是在特定环境下（比如工业环境、居住环境、商业环境、轻工业环境等）的电磁兼容标准，规定一组最低的基本要求和测量/试验程序，可以应用于此特定环境下工作的所有产品或系统，如果某种产品没有系列产品标准或专用产品标准，就可以选择使用通用电磁兼容标准。

3、产品电磁兼容标准

产品电磁兼容标准又可以进一步分为系列产品电磁兼容标准和专用电磁兼容标准。系列产品电磁兼容标准针对特定的产品类别规定了专门的电磁兼容（包括发射和抗扰度）要求、限值和测量/试验程序。专用产品电磁兼容标准是为特定产品、系统或设施而制定的电磁兼容标准，根据这些产品特性而设定一些专门的条件，它们采用的规则与系列产品电磁兼容标准相同。

系列产品电磁兼容标准比通用电磁兼容标准优先采用，专用产品电磁兼容标准比系列产品电磁兼容标准优先采用。

四、电磁兼容优化

实施电磁兼容是一项十分复杂的任务,在尽可能早的阶段上注意保证它们的电磁兼容性。方案阶段是提供最佳费效比的机会,而生产阶段提供的可能性通常最少。有效的电磁兼容控制常常是比较困难的,因为电磁干扰方位与耦合途径的大量可能组合涉及到许多变量,敏感电路的抗扰度与电路参数的设计有关,电路参数必须保证的灵敏度往往使提高抗扰度受到一定限制。

五、EMC优化方案

电磁骚扰途径一般都是辐射、传导、耦合或者是3种形式组合。电源线传导骚扰主要由共模电流产生,辐射骚扰主要由差模电流形成的环路产生。清楚了骚扰源与耦合路径,就可以分析如何将电子设备的电磁兼容得到优化。

1)电子产品设计思路是能否实现产品电磁兼容的必要条件。产品设计思路和方案选择核心部件及芯片的选型主要考虑减少辐射骚扰或提高射频辐射抗干扰能力,尽量选用本身发射小的芯片,避免引发强烈的电磁骚扰。

2)通常情况下PCB的EMC设计对于产品电磁兼容性起着关键性的作用。阻止功能区域之间的回路,多层线路板的每一层要合理安排,时钟信号线及其他的高频线要同层并且尽可能地贴近地平面。减小高速信号、时钟信

号线构成的环路面积,布线应该短、直、粗、匀,不要直角和突变。合理处理电源模块与各功能子模块间的关系,避免其间的相互干扰。

3)严格电磁屏蔽和滤波设计。电磁屏蔽也是电磁兼容的关键,要尽量保证屏蔽体的完整性,使干扰源远离机体的接缝等不连续的地方,增大缝隙的深度,并保证缝隙结合的紧密度,要保证机体接合处的电连续性。滤波设计包括输入输出的滤波设计、电源线滤波和信号线滤波的设计。

六、电磁兼容整改

1基本思路

EMC整改需要诊断出电磁骚扰源、耦合途径,然后利用EMC基本理论方法,综合运用屏蔽、滤波吸波、接地等措施实施改进[7]。道理其实很简单,但是在分析和改进过程中,更多的是需要经验。

2整改的基本方法

1)首先需要确认产品内部核心模块、器件、结构的选择是否合理。在设备和系统的各个模块中,应优先考虑电源设备和电源系统的电磁干扰如:电机、变换器、斩波器整流器等也可能是干扰源。

2)对带有天线的设备或系统,EMI诊断应优先考虑干扰是从天线输入或输出的。高灵敏度设备的信号线、机壳、地线、电源线、通风孔、高电平、大电流电缆均是诊断的重点。

3)电源线互联电缆、PCB板上的走线等常常是电磁干扰的传输耦合途径[8]。干扰现象常同工作带宽、谐波、寄生响应与振荡、非线性工作元件等有关。

4)断电法是比较常用的方法,即两个模块轮流关闭或选择性关闭电源的方法逐个判断,使怀疑的范围愈小。取代和替换怀疑的设备或元件可能有助于诊断。

5)一般情况下,诊断出EMC问题所在后,EMC的抑制有这么几路径:找到干扰源,对其在允许的范围内减弱干扰;注意电线电缆的分类整理;改善接地系统;检查屏蔽结构,这也是最后一道屏障了。当然如果整改后测试再不通过,则需要分析对问题的判断是否正确?整改方法是否正确,整改时要特别注意,正确诊断出电磁骚扰源、耦合途径。

七、EMC检测

1.电源端骚扰电压

测试数据见表

八、结论

EMC作为一门多学科交叉的高新技术,以其在质量保证体系中的重要作用而逐渐被人们所认识。因此,在产品设计、试制过程中,应把EMC设计作为设计过程的重要一环,设计、开发出具备良好电磁兼容性能的数字产品。这方面问题的解决,不仅可以用硬件也可以依靠软件来实现,以进一步提高产品的质量与可靠性

参考文献

[1]山崎弘郎编,聂凤仁,等译.数字电路的EMC[M].北京:科学出版社,2014.

[2]MarkBalch著,李兆麟译.完整的数字设计[M].北京:清华大学出版社,2013.

[3]KeithArmstrong著.李晓辉译.电路EMC设计与元器件的选取(二)[J].安全与电磁兼容,2007(4):93-96.

[4]李明,朱中文,蔡伟勇.电磁兼容技术研究现状与趋势[J].电子质量,2011(7):61-64.

[5]吴东海,李渝榆.通信装备电磁兼容性工作现状和对策[J].安全与电磁兼容,2014(5):47-48.

[6]姜建国.开关电源中的电磁干扰问题[J].电源世界,2012(11):59-65.