电子产品结构设计中的电磁兼容性(EMC)设计

电子产品结构设计中的电磁兼容性(EMC)设计

唐田

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摘要：本文针对电子产品结构中的电磁兼容性设计展开分析，为使电磁兼容性设计满足正常使用要求，具备安全性与稳定性，对电磁兼容设计工作的重要性展开探讨，并对电磁兼容设计相关经验做出详细分析。

关键词：电子产品；电磁兼容性；实用经验

0引言

电子设备在使用中，难免遇到电磁干扰问题，合理应用电磁兼容技术就可以解决了这个电磁干扰问题。本文针对电磁兼容性展开分析，并结合电磁干扰与电子产品电磁兼容性之间存在的关系加以阐述。

1概念

电磁兼容性(EMC)指的是电子器件、电子设备或电子系统，在电磁环境中仍然能正常运行，且不会对所处环境带来不好的电磁骚扰。EMC的主要要求有两个方面：一方面是正常运行的设备对所处环境带来的电磁骚扰(EMI)要低于某限值；另一方面是设备不会受到环境中其他电磁信号的骚扰。为保证电子系统内各种设备能够互不干扰，要做好电磁兼容性设计。

2电磁兼容设计的具备方法

2.1系统制备法

系统制备法是在规划设计时，为提更高研发电磁兼容的效率而兴起的，该方法实现了多种先进技术的相互融合，将电磁干扰与兼容紧密连接起来。能模拟出设计指标与参数，并加以计算优化。

2.2规范制备法

在电子产品的电磁兼容设计中，规范制备法体现的是相关标准，可用于对产品设计的成果加以验证测试。规范制备法虽然有局限性，但能从不同角度解决多种电磁兼容问题。若安全标准太苛刻，会引起资源浪费，故制定的规范务必要合理。

2.3故障清除制备法

在电子产品的电磁兼容设计中，故障清除制备法是最根本的设计方法。能很快解决已发现的电磁干扰故障，但解决不了其他问题，在预防方面存在短板。

3电子兼容重要技术

3.1电磁屏蔽技术

电磁屏蔽技术需要借助实物对电磁干扰加以屏蔽，阻隔电磁能量的传播，能有效抑制电磁能量干扰，在电子设备中应用广泛。电磁屏蔽技术主要有三种：电场屏蔽、磁场屏蔽，还有电磁场屏蔽。其抑制效果取决于选材，最好选择那种导磁率、导电率高的材料，譬如钢板、铝箔铜板，或者使用金属镀层，还有导电涂料等。

3.2电线接地技术

电子设备接地是为了电力稀释，实现零电频，为人身安全提供基本保障。电线接地技术的功效就是保证安全，并维持工作电路中电流的稳定流通，降低电磁干扰频率。

3.3过滤波纹技术

过滤波纹技术可以将超出工作频段的电磁干扰除去，通过分离信号达到抑制干扰的效果，是实现电磁屏蔽的一种有效辅助方法。其具体应用主要有信号滤波与电磁滤波两种，信号滤波，可有效消除无关频谱分量；电磁滤波可消除电源电磁干扰。图1为过滤波纹技术的基本原理。

图1过滤波纹技术原理图

4.设计实例

4.1电磁兼容基本内涵

加固显示器设备在正常运行状态下，要做到电磁兼容，才可以让设备的运行状态保持稳定可靠。做电磁兼容结构设计的时候，有几点要求：先要明确设备必须达到的电磁兼容指标，接着再分析设备里的各敏感元器件和主要干扰路径等，采取针对性的举措削弱干扰，最后还要通过试验对是否能满足相关指标加以验证。除此之外，还要对费效比加以考虑：在设计初期阶段，若是能对电磁兼容性做出相应考虑，并制定有效措施加以处理，就能节约一定的成本；如果等到设计后期才发现存在电磁干扰问题，难免需要再对已完成的设计部分做相应整改，势必造成成本增加，甚至可能影响产品无法如期交付，因此，也需要对费效比问题进行综合考虑。

4.2产品的电磁兼容结构设计

电磁兼容性设计需要处理电磁三个主要因素：即产品中的敏感源、外部干扰源还有耦合路径，消除三个要素中任意一个，电磁干扰就会消失，具体可以从电磁屏蔽、过滤波纹，还有电线接地三个不同的方面加以考虑。

4.2.1电磁屏蔽技术

电磁屏蔽是从阻断电磁干扰传播这一角度实时控制，在保证电路能正常运行的基础上，抑制甚至消除干扰源与被干扰回路之间的电磁耦合，是实现设计要求的常用手段。通过对加固显示器结构设计中关于电磁兼容性的具体需求分析，确认对电磁兼容有影响作用的具体模块，借助密闭腔体实施隔离屏蔽，有效抑制干扰途径。

（1）材料选择，先依据屏蔽效能具体要求选好屏蔽机壳所用材料，如果对低频磁场（≤1kHz）没有屏蔽要求，可直接选常用金属材料，如钢、铝、铜等做屏蔽壳，钢板经过表面镀铜、锌、镍处理，铝板经过导电氧化或镀镍处理，均可提升其电导率跟磁导率。若有对低频磁场（≤1kHz）的屏蔽要求，则要选用高导磁材料，譬如坡莫合金、电工纯铁板等，借助于其低磁阻特性，将外部骚扰磁场做分路处理，可大幅度削弱屏蔽壳内围范围中的磁场，不过高磁导率材料不可以经过大量机械加工，否则材料的磁导率会因此而损失，必要时还应该做去应力处理。高导磁材料的应用位置通常在电源板、逆变器或者是显像管等处。实例加固显示器在做电磁兼容结构设计时，按整机重量还要使用环境具体要求，将显示器机壳设计成金属的，机壳装配好后就会形成一个密闭腔体，能隔绝内、外部的电磁辐射骚扰，材料用的是铝合金并做了导电氧化处理。在显示器内部，对电源板电路中的电源开关部分，以图1所示不锈钢屏蔽罩做了单独的高频电场屏蔽，使反射损耗加大；用导磁性较高的坡莫合金屏蔽罩，将整个电源板整体屏蔽起来，使吸收损耗增大，加工好后还做了退火处理，因此该屏蔽罩导磁性更好，电源板上的双重屏蔽，对电磁互扰以及对外辐射实现了有效隔离。具体屏蔽罩见图2。

图1电源板高频电场屏蔽示意图

图2电源板屏蔽罩示意图

（2）缝隙、孔洞的屏蔽

为了保证屏蔽的完整性，对于屏蔽体的每个接缝都要做电磁密封处理。加固显示器设备中的屏蔽接缝大多在前、后壳组件还有外部接口的装配面。在做设计时，金属间要多设搭接面，装配面还需要设置电磁密封衬垫，对缝隙处做好电磁密封。从图2可知，在实例加固显示器中，其航空插座与机壳接触面上，设有导电密封衬垫；前、后壳组件的接触面上，也设置了导电密封衬垫。因设备的工作环境较为恶劣，机壳设计为全封闭的，若不得不穿孔，则一定要满足盐雾条件，且穿孔处需要加装屏蔽网或者是截止波导的通风窗等。如果有避不开的缝隙和通风孔，要尽量使其离强辐射源、敏感电路远一些，设置缝隙、通风孔的时候，一定要顺着磁场方向，使屏蔽体在沿磁场方向所受磁阻小一些；将屏蔽胶带贴于接缝处防渗。在实例加固显示器中，其IO板和控制板卡均为对插式结构，其机内连接电缆较少，电缆间干扰也少，更具可靠性。其屏蔽难题在于两块对插式板卡因间距小，安装屏蔽罩所需空间不足，故该加固显示器以分腔式隔离手段，利用分腔隔板分割壳空间，形成相互独立的两个空间，实现两块板卡的独立屏蔽，具体见图2。对出线位置与散热位置，采用截止波导孔设计，使开孔与屏蔽间的矛盾问题得以解决，在板卡对插的插头位置上，还有主控板转出电缆位置上，将腔壁加厚，使其形成截止波导管；对于分腔盖板，做打孔设计，具体尺寸经计算确定，既能良好散热，又可用作截止波导管，阻断电磁外泄。其具体设计流程为：1）先明确截面形状；2）明确待屏蔽频率的最高峰值f；3）明确截止频率fc大小：fc=（5-10）f；4）计算内直径d：d=17.6×109/fc；5）依据SE明确具体长度t：SE=1.8×fc×t×10-9[1-（f/fc）2]1/2，可简化近似记作SE=32t/d；SE是截止波导管应实现的屏蔽效能[4]。

（3）显示器视窗的屏蔽

为了防止显示器视窗出现电磁泄漏，有两种方法可选，一种是使用透明材料在显示窗前方做屏蔽，这种方法通常用于尺寸相对较大，且显示器会产生辐射，或者是容易受外界干扰的场合；第二种是用一个隔离舱，把显示器件跟其他电路给隔开，保证内部辐射不会从机箱穿出，让外部干扰进不到内部电路当中，这种方法在显示器件不发出电磁辐射，且不易受外界干扰的场合较为适用。常见的透明屏蔽材料有两种：一种是两层透明材质（如玻璃等）夹金属网（如蚀刻金属网膜）构成的，其优点在于屏蔽效能特别高，缺点是因莫尔条纹、网纹带来的网感，会引起视觉不适；第二种是在透明材质（如玻璃等）上镀上很薄的一层导电层，其优点在于视觉效果特别好，缺点是屏蔽效能不太高，且存在镜面反射现象，当光线比较强时，观看效果会受影响。对实例加固显示器，因其尺寸较大，且本身有辐射，故在显示窗前方加设夹网屏蔽玻璃，制作夹网屏蔽玻璃时，先适配好丝网角度，缓解应网感、莫尔条纹带来的视觉不适感；再向金属机壳上装配夹网屏蔽玻璃时，搭接方式一定要合理，屏蔽层的搭接一定要稳固。

4.2.2滤波设计

对于设备电路内部传播的电磁骚扰，可以应用滤波技术来抑制。滤波不仅能抑制干扰源的电磁发射，亦可抑制敏感源受到的干扰。滤波设计时要做到布局合理：敏感器件应该尽可能离干扰源远一些，将输入口妥善地与输出端隔开，把相互干扰降到低。把滤波器布置在产品入口位置，机内未处理的电源线布线要尽量短一些；滤波器外壳务必直接装在金属机壳上，电源进线要短。

4.2.3接地与搭接

为了维持系统的正常运作状态，接地技术的应用是一项基本要求，通过接地能将各电路电流从公共地线流过时引起的噪声电平消除,能起到对电磁场干扰、地电位差干扰的有效抑制作用。可靠的接地处理，能够在不增加成本的基础上，改善电子设备的电磁兼容性能。在具体设计时，要在机壳上明确搭接低阻抗的具体位置，譬如屏蔽体上面的接缝、静电放电时的电流路径、滤波器的独立接地和整个系统的公共地等；且要对具体搭接低阻抗的方法加以衡量，可选永久性连接方式（譬如焊接等）；也可选非永久性的搭接方法（譬如粘贴电磁密封衬垫等）。而具体应该选用哪种方式，需对屏蔽效能要求、安装密封垫的具体方式、电化学相容性还有价格等众多方面加以综合考虑。对于结构件与航插件间，往往使用导电衬垫（譬如铝镀银导电橡胶板等），这样就可以在接触面间实现连续的低阻抗搭接，使箱体更具屏蔽性。按以往经验，不允许有金属物体从机壳中直接穿过。在实例加固显示器中，虽然接地电阻不到5mΩ，但因信号插座有很大的接地电阻，安装在显示器外围的铜螺套，就相当于从机壳直接穿过的金属物体，在展开静电放电试验期间，显示器产品还是出现了黑屏现象，经过对这两处的适当改进设计：把原本的铜螺套换成了外装钢丝螺套，而且装配工艺中也加大了安装信号插座时的预紧力，还加了一个对接地电阻进行检测的工序，将静电试验中出现的故障解决掉，并顺利完成相应检测。

5结论

本文分析了在实例电子机电设备中电磁兼容技术的具体应用，并介绍了具体测试效果，验证了电磁兼容技术在电子产品设计中的重要性，希望能通过对电磁兼容技术的深入研究，促使其获得良好发展。

参考文献

[1]张骥.电子产品电磁兼容设计要素分析及测试方法研究[J].电子测试，2019，（19）：122-123，139.

[2]陈霖，和谦.高频开关电源设计中的电磁兼容性分析与设计[J].信息通信，2017，（7）：63-65.

[3]黎俊明.基于复杂电磁环境下无线接收机电磁兼容测试技术探讨[J].电子测试，2018，（2）：102-103，114.