電磁兼容基礎(chǔ)知識詳解,電磁干擾的危害

什么是電磁兼容

電磁兼容性（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

電磁干擾源種類

電磁干擾源種類繁多，可按不同的方法進(jìn)行分類。對測量環(huán)境中直接影響測量及測量設(shè)備的干擾來源可分為自然干擾源和人為干擾源。

自然干擾源包括：

（1）大氣噪聲干擾：如雷電產(chǎn)生的火花放電、屬于脈沖寬帶干擾，其覆蓋從數(shù)Hz到100MHz以上．傳播的距離相當(dāng)遠(yuǎn)。

（2）太陽噪聲干擾：指太陽黑子的輻射噪聲。在太陽黑子活動期．黑子的爆發(fā)．可產(chǎn)生比平穩(wěn)期高數(shù)千倍的強(qiáng)烈噪聲．致使通信中斷。

（3）寧宙噪聲：指來自宇宙天體的噪聲。

（4）靜電放電：人體、設(shè)備上所積累的靜電電壓可高達(dá)幾萬伏直到幾十萬伙．常以電暈或火花方式放掉，稱為靜電放電。靜電放電產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬間電流和電磁脈沖，會導(dǎo)致靜電敏感器件及設(shè)備的損壞。靜電放電屬脈沖寬帶干擾、頻譜成分從直流一直連續(xù)劍中頻頻段。

人為干擾源指而電氣電子設(shè)備和其他人工裝置產(chǎn)生的電磁干擾。這里所說的人為干擾源都是指無意識的干擾。至于為了達(dá)到某種目的而有意施放的干擾，如電子對抗等不屬于本文討論范圍。

任何電子電氣設(shè)備都可能產(chǎn)生人為干擾。在此，只是提到一些常見的干擾測量環(huán)境的干擾源。

（1）無線電發(fā)射設(shè)備：包括移動通信系統(tǒng)、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航及無線電接力通信系統(tǒng)．如微波接力，衛(wèi)星通信等。因發(fā)射的功率大，其基波信號可產(chǎn)生功能性干擾；諧波及亂真發(fā)射構(gòu)成非功能性的無用信號干擾。

（2）工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療（ISM）設(shè)備：如感應(yīng)加熱設(shè)備、高頻電焊機(jī)、X光機(jī)、高頻理療設(shè)備等．強(qiáng)大的輸出功率除通過空間輻射干擾外，還通過工頻電力網(wǎng)干擾遠(yuǎn)方的設(shè)備。

（3）電力設(shè)備：包括伺服電機(jī)、電鉆、繼電器、電梯等設(shè)備通、斷產(chǎn)生的電流劇變及伴隨的電火花成為干擾源：電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)載（如電弧爐等）、間斷電源（UPS）等同態(tài)電源轉(zhuǎn)換設(shè)備產(chǎn)生大量諧波涌入電網(wǎng)成為干擾源：日光燈等照明設(shè)備也產(chǎn)生輝光放電噪聲干擾。

（4）汽車、內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)：汽車點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生寬帶干擾，從幾百千赫到幾百兆赫干擾強(qiáng)度幾乎不變。

（5）電網(wǎng)干擾：指由50Hz交流電網(wǎng)強(qiáng)大的電磁場和大地漏電流產(chǎn)生的干擾，以及高壓輸電線的電暈和絕緣斷裂等接觸不良產(chǎn)生的微弧和受污染導(dǎo)體表面的電火花。

（6）高速數(shù)字電子設(shè)備：包括計(jì)算機(jī)和相關(guān)設(shè)備。

上述電磁干擾源就產(chǎn)生的機(jī)理而言，有：放電噪聲（雷電、靜電放電、輝光放電等）．接觸噪聲，電路的過渡現(xiàn)象，電磁波反射現(xiàn)象等。傳輸線中電磁波反射足高頻測量與數(shù)字設(shè)備必須認(rèn)真對待的干擾源。

電磁干擾的危害：

干擾電視的收看、廣播收音機(jī)的收聽。

數(shù)字系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)的丟失。

在設(shè)備分系統(tǒng)或系統(tǒng)級正常工作的破環(huán)。

醫(yī)療電子設(shè)備的工作失常。

自動化微處理器控制系統(tǒng)的工作失控。

導(dǎo)航系統(tǒng)的工作失常。

起爆裝置的無意爆炸。

工業(yè)過程控制功能的失效。

除上以外強(qiáng)電場還會對生物體造成影響，一般可以分為熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)。對于熱效應(yīng)，隨著射頻入射功率密度的逐漸增加，可以出現(xiàn)血流加快、血液分布較少部位的局部體溫升高、酶活性降低、蛋百質(zhì)變性、心率改變甚至體溫調(diào)節(jié)能力受抑制、局部組織受損直至死亡等。而對于非熱效應(yīng)，其影響就廣泛的多。包括對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、血液免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)與胚胎發(fā)育的影響等。這些影響不僅反應(yīng)在個體級、器官級而且影響到細(xì)胞級。

電磁兼容設(shè)計(jì)要求

在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時要求：

①明確系統(tǒng)的電磁兼容指標(biāo)。電磁兼容設(shè)計(jì)包括本系統(tǒng)能保持正常工作的電磁干擾環(huán)境和本系統(tǒng)干擾其它系統(tǒng)的允許指標(biāo)。

②在了解本系統(tǒng)干擾源、被干擾對象、干擾途徑的基礎(chǔ)上，通過理論分析將這些指標(biāo)逐級分配到各分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、電路和元件、器件上。

③根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)措施抑制干擾源，消除干擾途徑，提高電路的抗干擾能力。

④通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證是否達(dá)到了原定的指標(biāo)要求，如未達(dá)到則進(jìn)一步采取措施，循環(huán)多次，直至達(dá)到原定指標(biāo)為止。

電磁兼容主要研究對象

①各種人為噪聲，如輸電線電暈噪聲、汽車噪聲、接觸器自身噪聲及導(dǎo)體開臺時放電引起的噪聲、電氣機(jī)車噪聲、城市噪聲等。

②共用走廊內(nèi)各種公用事業(yè)設(shè)備（輸電線、通信、鐵路、公路、石油金屬管線等）相互間的影響。

③超高層建筑、輸電線、鐵塔等大型建筑物引起的反射問題。

④電磁環(huán)境對人類及各種生物的作用。其中包括強(qiáng)電線等工頻場，中、短波及微波電磁輻射的影響。

⑤核電磁脈沖的影響。高空核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖能大面積破壞地面上的指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)及報系統(tǒng)。

⑥探譜（TEMPEST）技術(shù)。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是針對信息設(shè)備的電磁輻射與信息泄漏問題，從信息接收和防護(hù)兩方面所開展的一系列研究工作。

⑦電子設(shè)備的誤動作。為了防止誤動作，必須采取措施以提高設(shè)備的抗干擾能力。

⑧頻譜分配與管理。無線電頻譜是一種有限的資源，但不是消耗性的，既要科學(xué)地管理，又要充分地利用。

⑨電磁兼容與測量。

⑩自然界影響等。

電磁兼容測量的基本方法

1、電磁輻射發(fā)射測量系統(tǒng)

電磁場輻射測量是測量電氣、電子設(shè)備的電磁輻射強(qiáng)度

2、電磁輻射敏感度測試系統(tǒng)：其測量方法主要由以下幾種

1）用發(fā)射天線產(chǎn)生騷擾電磁場，

2）用TEM小室或GTEM小室產(chǎn)生騷擾電磁場，

3）用混響室產(chǎn)生騷擾電磁場，

4）用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生磁場

3、傳導(dǎo)發(fā)射測量系統(tǒng)：有以下幾種測量方法

1）通過線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)LISN，

2）用電流探頭測量電源線上的干擾電源，

3）通過功率吸收鉗來測量電源線上的干擾功率

4、傳導(dǎo)敏感度測試系統(tǒng)：往入干擾信號有以下幾種方法

1）通過變壓器向被測線路往入干擾信號，

2）通過耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)向被測線路往入干擾信號，

3）通過注入探頭向被測線往入干擾信號.

提高電磁兼容性的措施

①使用完善的屏蔽體可防止外部輻射進(jìn)入本系統(tǒng)，也可防止本系統(tǒng)的干擾能量向外輻射。屏蔽體應(yīng)保持完整性，對必不可少的門、縫、通風(fēng)孔和電纜孔等須妥善處理，屏蔽體要有可靠的接地。

②設(shè)計(jì)合理的接地系統(tǒng)，小信號、大信號和產(chǎn)生干擾的電路盡量分開接地，接地電阻盡可能小。

③使用合適的濾波技術(shù)，濾波器的通帶經(jīng)過合理選擇，盡量減小漏電損耗。

④使用限幅技術(shù)，限幅電平應(yīng)高于工作電平，并且應(yīng)雙向限幅。

⑤正確選用連接電纜和布線方式，必要時可用光纜代替長電纜。

⑥采用平衡差動電路、整形電路、積分電路和選通電路等技術(shù)。

⑦系統(tǒng)頻率分配要恰當(dāng)。當(dāng)一個系統(tǒng)中有多個主頻信號工作時，盡量使各信號頻率避開，甚至避開對方的諧振頻率。⑧共用走廊的各種設(shè)備，在條件許可時，應(yīng)保持較大的隔距，以減輕相互之間的影響。

電磁兼容課程的特點(diǎn)

1、電磁兼容以電磁理論為基礎(chǔ)。因此電磁兼容原理是以電磁場理論為基礎(chǔ)的。

2、電磁兼容是一門綜合性邊緣學(xué)科。因此，掌握電磁兼容需要多學(xué)科知識基礎(chǔ)。

3、電磁兼容實(shí)踐性較強(qiáng)。因此，要掌握并靈活運(yùn)用電磁兼容技術(shù)需要設(shè)計(jì)者不斷地去實(shí)踐，積累經(jīng)驗(yàn)。

4、大量引用無線電技術(shù)的概念和術(shù)語。

5、計(jì)量單位的特殊性。電磁兼容工程中最常用的度量單位是分貝（dB）

電磁兼容的實(shí)施

1.電源供電：由于很多電磁干擾都是通過電源耦合到電子設(shè)備中的，所以在系統(tǒng)供電上做專門的電磁兼容性設(shè)計(jì)。增加有效的變壓、穩(wěn)壓、濾波電路，使用高效率的開關(guān)電源芯片和穩(wěn)壓濾波效果很好的低壓差線性電源芯片為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。

2.使用去耦電容：每個集成電路的電源，地之間都加一個去耦電容。去耦電容有兩個作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。

3.地線分隔：采用4層電路板設(shè)計(jì)以減小電源，地的寄生電感，有效增強(qiáng)系統(tǒng)的EMC性能。單獨(dú)的電源層和地層可以有效防止器件之間通過地線和電源的相互耦合，另外對于有不同性質(zhì)的地線采用分割隔離的方法，使不同屬性的地線的電流走不同的路徑，可防止信號串?dāng)_。

通信接口：系統(tǒng)的485、232、USB等通訊接口外接線纜，且與外部設(shè)備有直接聯(lián)系，所以也易于受到各種電磁干擾，為了增強(qiáng)這些通訊接口的抗擾能力，在通訊信號線上串連磁珠和并聯(lián)壓敏電阻，以及濾波電容；

另外，為了增強(qiáng)抗擾度，同時降低騷擾度，在布置PCB板時要遵循以下原則：

1.石英晶體振蕩器盡量靠近到用該時鐘的器件，時鐘線盡量短，外殼要接地，用地線將時鐘區(qū)圈起來。

石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。

2.I/O驅(qū)動電路盡量靠近印刷板邊，讓其盡快離開印刷板。對進(jìn)入印制板的信號要加濾波，從高噪聲區(qū)來的信號也要加濾波，同時用串終端電阻的辦法，減小信號反射。

3.MCU無用端要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。閑置不用的門電路不要懸空。

4.印制板盡量使用45折線而不用90折線布線以減小高頻信號對外的發(fā)射與耦合。

5.正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。

6.將數(shù)字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。

7.盡量加粗接地線。若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設(shè)備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm。

8.將接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路組件，尤其遇有耗電多的組件時，因受接地線粗細(xì)的限制，會在地結(jié)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路，則會縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。

9.選擇合理的導(dǎo)線寬度。由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感成分造成的，因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量。印制導(dǎo)線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導(dǎo)線對抑制干擾是有利的。時鐘引線、行驅(qū)動器或總線驅(qū)動器的信號線常常載有大的瞬變電流，印制導(dǎo)線要盡可能地短。對于分立組件電路，印制導(dǎo)線寬度在1.5mm左右時，即可完全滿足要求；對于集成電路，印制導(dǎo)線寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。

10.采用正確的布線策略。采用平等走線可以減少導(dǎo)線電感，但導(dǎo)線之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)，具體做法是印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。為了抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_，在設(shè)計(jì)布線時應(yīng)盡量避免長距離的平等走線。