电子设备电磁兼容性设计

1 引言

电子设备的广泛应用和发展，必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加，电子设备不可避免的在电磁环境中工作，因此，必须要解决电子设备在电磁环境中的适应能力。如果不解决好电子设备系统的电磁兼容性问题，整个系统将无法正常工作，所以电子设备的电磁兼容设计的重要性应该得到我们的充分重视。电磁兼容性的研究是围绕构成电磁干扰的三要素进行的，即干扰源、干扰传输途径和干扰接受器。电子设备的电磁兼容性设计主要包括：限制干扰源的电磁发射、控制电磁干扰的传播以及增强敏感设备的抗干扰能力。

2 电子设备电磁兼容性

电磁兼容性是指器件、设备或系统在所处电磁环境中良好运行，并且不对其所在环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容涵盖了电磁干扰和电磁敏感度。为实现系统内设备互不干扰、兼容运行，即要控制骚扰源的电磁发射，又要提高受骚扰对象的抗扰度。

电磁兼容性设计依据为系统内电磁环境及系统内设备的电磁敏感度。设系统内干扰源N的作用功率为Pn(n=1，2，…)，而被干扰设备M能够承受的电磁干扰的容限为Pm(m=1，2，…)，则干扰功率Pamn可用下式决定：

式中：Kmn干扰源N对被干扰源设备M产生干扰作用的有效作用系数;Kpmn干扰源N对被干扰源设备M产生干扰的耦合作用系数;Kmn被干扰源设备M对电磁干扰的敏感度。

当干扰功率Pamn大于受干扰设备的容限Pm时，就需要采取措施改善电磁兼容性。当Pamn>Pm时，可以采取措施减小干扰源作用功率Pm或减小干扰源对被干扰设备M的干扰的有效作用的成分(即减小Kmn)，也可以采取措施降低干扰源N对被干扰设备M产生干扰的耦合作用系数Kpmn，如减小耦合电容，减小耦合电感或切断公共阻抗的耦合渠道;也可以采取措施降低被干扰设备M的电磁干扰敏感度Kmn或提高被干扰设备的承受干扰的容限Pm。

3 电磁干扰方式及传播途径

电磁干扰按干扰来源可分为自然骚扰源和人为骚扰源，两种形式的电磁干扰都是影响电子设备电磁兼容性的主要因素。同时搞清电磁干扰的能源和传播途径是电子设备电磁兼容性设计的一项主要研究内容。

3.1 内部干扰

内部干扰是指电子设备内部各元器件之间的相互干扰，主要包括以下几种情况：

1)工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰;

2)信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合或导线之间的互感造成的干扰;

3)设备或系统内部某些元件发热，影响元器件本身或者其它元器件的稳定性造成的干扰;

4)大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成的干扰。

3.2 外部干扰

外部干扰是指电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统产生的干扰，主要包括以下几种情况：

1)外部高电压和电源通过绝缘漏电对线路、设备或系统产生的干扰;

2)外部大功率设备在空间产生很强的磁场，通过互相耦合对电子线路、设备或系统产生的干扰;

3)外部空间电磁波对电子线路、设备或系统产生的干扰;

4)工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰;

5)由工业电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器产生的干扰。

3.3 电磁干扰的传播途径

1)沿电源线或信号线传输的电磁骚扰称为传导干扰。电子系统内各设备之间或电子设备内各单元之间存在各种连线。如电源线、信号互连线及公用地线等，这样就有可能使一个设备(或单元电路)的电磁能量沿着这类导线传输到毗邻设备或单元电路，造成干扰;

2)辐射干扰是指通过空间传播的电磁骚扰。骚扰源的周围空间可划分两个区域：紧靠骚扰源的区域称作近场区或感应场区;距离大于λ/(2π)的区域称作远场区或辐射场区。

4 电磁兼容性设计

干扰源、耦合途径和感受器(敏感装置)构成了电磁干扰的三要素，三者缺一不可。电子设备电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各类外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。电磁兼容性设计内容包括：限制干扰源的电磁发射、控制电磁干扰的传播及增强敏感设备的抗干扰能力。

4.1 PCB设计

PCB是电子设备的基石，PCB的电磁兼容设计是设备电磁兼容设计的基石。PCB设计时，主要是在抑制传导和辐射两方面采取措施，减轻电磁骚扰产生的影响。电子设备PCB的电磁兼容设计，关键在于模拟和逻辑有源器件固有的电磁敏感特性，由于方波信号具有高阶谐波成分，因此在数字电路设计时，应在满足产品设计要求的情况下，尽量选择低的边沿变化速度。除元器件选择外，还要综合运用去耦电容、铁氧体端接、线路排布、地和电源设计等有效手段，增强去耦效果，优化抗扰性能。

4.2 屏蔽设计

屏蔽就是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。屏蔽体是用以阻止或减小电磁能传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层，它可以是导电、导磁、介质的，或带有非金属吸收填料的。在设备的元器件和布局一定的前提下。屏蔽在电磁兼容性设计中就成为一项非常重要的内容。在屏蔽设计时，重点考虑以下几项措施：

1)屏蔽体材料的选取。屏蔽材料主要分为电屏蔽和磁屏蔽两种。在电磁兼容性设计时，应根据设备的具体使用环境合理的选取屏蔽材料。常用金属材料的相对电导率σr和相对磁导率ur，见表1。

2)缝隙的电磁屏蔽设计。实践证明，当缝隙的最大线形尺寸等于干扰源半波长的整数倍时，缝隙的电磁泄漏最大，一般要求缝隙的最大线形尺寸小于λ/100波长，至少不大于λ/IO波长。缝隙的结构示意图和等效电路如图1所示。工程设计中，为减小缝隙的长度，主要采用了以下设计：

(1)合理布置螺钉;

(2)采用导电柔性介质的屏蔽设计;

(3)增大接触面的屏蔽设计。

表1 常用金属材料对铜的相对电导率σr和相对磁导率ur

图1 缝隙示意图及其等效电路图

3)孔洞的电磁屏蔽设计。电子设备因通风散热、调控轴、表头安装及连接电缆等不可避免的会开制一些孔洞，电磁能量经孔洞泄漏，是屏蔽体屏蔽效能下降的重要原因之一。且屏蔽效果会随着孔洞的增大而变小，一般来说，孔洞的尺寸应小于λ/50，且不得大于λ/20。

4.3 接地技术

在电子设备中，接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要手段，其中包括接地点的选择，电路组合接地的设计和抑制接地干扰措施的应用等方面都应全面考虑。以下为减小电磁干扰所采取的接地技术设计：

1)减少接地点之间电位差;

2)管形接地线;

3)保证接地线的电气连接可靠性;

4)接地方式的选择。在电子设备中有三种基本接地方式：悬浮地、单点接地和多点接地。单点接地适用于低频，多点接地适用于高频。一般来说。频率在1MHz以下可采用单点接地方式，频率高于10MHz应采用多点接地方式，频率在1MHz～10MHz之间，可以采用混合接地。

4.4 滤波技术

滤波技术是抑制电气、电子设备传导干扰的主要手段之一，也是提高电子设备抗传导干扰能力的重要措施。电磁干扰滤波器可以显著地减小传导干扰电平，利用阻抗失配原理，使电磁干扰信号受到衰减。滤波器的安装对其性能影响非常大，在使用滤波器时应注意以下事项：

1)滤波器金属壳与机箱壳必须保证良好面接触，并将地线界好;

2)滤波器输入线、输出线必须拉开距离，切忌并行，以免滤波器效能降低;

3)滤波器的连接线以选用双绞线为佳，它可有效消除部分高频干扰信号;

4)滤波器的安装位置应选在电源人口处，以缩短输入线在机箱内的长度，减少辐射干扰。

4.5合理布局

合理布局包括系统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费用又不多。

5 电磁兼容性预评估及建模

5.1 电磁兼容性预评估

电磁兼容的管理和计划往往并不包括在电子设备或系统的设计中，目前比较流行的做法就是依赖传统的设计实践，在设计完成后，付出更高的代价来解决试验中出现的电磁干扰问题。但随着电磁干扰问题的影响范围及程度的不断增加，传统的设计实践已不再总能满足电磁兼容要求，必须采取电磁兼容性预评估技术。

对电磁兼容预估应在设备、分系统或系统一级设计时就尽可能早的加以考虑，然后在随后的设计中不断的改进完善。电磁兼容预评估的主要目的可归纳为下列的一个或几个：尽早使有问题的区域暴露出来，并据此使设计从经济上更为合算;缩短设备推向市场的周期等。

5.2 电磁兼容性计算机建模

电磁兼容性是一门非常复杂的多学科交叉的新兴学科，要想对某设备或系统进行电磁兼容性预评估，必须先将该设备或系统简化成一个比较简单的数学模型。建模方法通常主要受制于频率和被建模几何体。用计算机程序来辅助电磁兼容性分析，不仅可以节省大量时间，还能尽可能减少计算误差和加速计算进程。计算机建模过程主要由以下五个步骤：

1)几何图形描述的定义;

2)电气描述的定义;

3)模型的有效性;

4)求解结果描述的定义;

5)输出显示。

不管使用什么类型的程序，必不可少的是要将计算结果与实际测量结果或根据工程经验得出的结果进行比较，以检查它们的一致性。

6 结语

电子设备在设计过程和实际应用及维护的各阶段，都充分地予以考虑和实施才是有效电子设备的电磁兼容控制策略，科学而先进的电磁兼容工程管理是有效控制技术的重要组成部分。电子设备运行过程中各种干扰是随机的，在设计之前应对其进行预评估，在设计过程中合理运用屏蔽、滤波、接地及合理布局等技术，通过科学试验检验设备的电磁兼容性，以其能够对各种干扰进行定位消除等。