电磁兼容基础知识

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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。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。


电磁干扰源种类：

电磁干扰源种类繁多，可按不同的方法进行分类。对测量环境中直接影响测量及测量设备的干扰来源可分为自然干扰源和人为干扰源。


自然干扰源包括：
（1）大气噪声干扰：如雷电产生的火花放电、属于脉冲宽带干扰，其覆盖从数Hz到100MHz以上．传播的距离相当远。
（2）太阳噪声干扰：指太阳黑子的辐射噪声。在太阳黑子活动期．黑子的爆发．可产生比平稳期高数千倍的强烈噪声．致使通信中断。
（3）宁宙噪声：指来自宇宙天体的噪声。
（4）静电放电：人体、设备上所积累的静电电压可高达几万伏直到几十万伙．常以电晕或火花方式放掉，称为静电放电。静电放电产生强大的瞬间电流和电磁脉冲，会导致静电敏感器件及设备的损坏。静电放电属脉冲宽带干扰、频谱成分从直流一直连续剑中频频段。


人为干扰源指而电气电子设备和其他人工装置产生的电磁干扰。这里所说的人为干扰源都是指无意识的干扰。至于为了达到某种目的而有意施放的干扰，如电子对抗等不属于本文讨论范围。


任何电子电气设备都可能产生人为干扰。在此，只是提到一些常见的干扰测量环境的干扰源。


（1）无线电发射设备：包括移动通信系统、广播、电视、雷达、导航及无线电接力通信系统．如微波接力，卫星通信等。因发射的功率大，其基波信号可产生功能性干扰；谐波及乱真发射构成非功能性的无用信号干扰。
（2）工业、科学、医疗（ISM）设备：如感应加热设备、高频电焊机、X光机、高频理疗设备等．强大的输出功率除通过空间辐射干扰外，还通过工频电力网干扰远方的设备。
（3）电力设备：包括伺服电机、电钻、继电器、电梯等设备通、断产生的电流剧变及伴随的电火花成为干扰源：电力系统中的非线性负载（如电弧炉等）、间断电源（UPS）等同态电源转换设备产生大量谐波涌入电网成为干扰源：日光灯等照明设备也产生辉光放电噪声干扰。
（4）汽车、内燃机点火系统：汽车点火系统产生宽带干扰，从几百千赫到几百兆赫干扰强度几乎不变。
（5）电网干扰：指由50Hz交流电网强大的电磁场和大地漏电流产生的干扰，以及高压输电线的电晕和绝缘断裂等接触不良产生的微弧和受污染导体表面的电火花。
（6）高速数字电子设备：包括计算机和相关设备。


上述电磁干扰源就产生的机理而言，有：放电噪声（雷电、静电放电、辉光放电等）．接触噪声，电路的过渡现象，电磁波反射现象等。传输线中电磁波反射足高频测量与数字设备必须认真对待的干扰源。


电磁干扰的危害：

干扰电视的收看、广播收音机的收听。
数字系统与数据传输过程中数据的丢失。
在设备分系统或系统级正常工作的破环。
医疗电子设备的工作失常。
自动化微处理器控制系统的工作失控。
导航系统的工作失常。
起爆装置的无意爆炸。
工业过程控制功能的失效。


除上以外强电场还会对生物体造成影响，一般可以分为热效应与非热效应。对于热效应，随着射频入射功率密度的逐渐增加，可以出现血流加快、血液分布较少部位的局部体温升高、酶活性降低、蛋百质变性、心率改变甚至体温调节能力受抑制、局部组织受损直至死亡等。而对于非热效应，其影响就广泛的多。包括对中枢神经系统、血液免疫系统、心血管系统、生殖系统与胚胎发育的影响等。这些影响不仅反应在个体级、器官级而且影响到细胞级。


电磁兼容设计要求

在进行电磁兼容设计时要求：
①明确系统的电磁兼容指标。电磁兼容设计包括本系统能保持正常工作的电磁干扰环境和本系统干扰其它系统的允许指标。
②在了解本系统干扰源、被干扰对象、干扰途径的基础上，通过理论分析将这些指标逐级分配到各分系统、子系统、电路和元件、器件上。
③根据实际情况，采取相应措施抑制干扰源，消除干扰途径，提高电路的抗干扰能力。
④通过实验来验证是否达到了原定的指标要求，如未达到则进一步采取措施，循环多次，直至达到原定指标为止。


电磁兼容主要研究对象

①各种人为噪声，如输电线电晕噪声、汽车噪声、接触器自身噪声及导体开台时放电引起的噪声、电气机车噪声、城市噪声等。
②共用走廊内各种公用事业设备（输电线、通信、铁路、公路、石油金属管线等）相互间的影响。
③超高层建筑、输电线、铁塔等大型建筑物引起的反射问题。
④电磁环境对人类及各种生物的作用。其中包括强电线等工频场，中、短波及微波电磁辐射的影响。
⑤核电磁脉冲的影响。高空核爆炸产生的电磁脉冲能大面积破坏地面上的指挥、控制、通信、计算机及报系统。
⑥探谱（TEMPEST）技术。其实质内容是针对信息设备的电磁辐射与信息泄漏问题，从信息接收和防护两方面所开展的一系列研究工作。
⑦电子设备的误动作。为了防止误动作，必须采取措施以提高设备的抗干扰能力。
⑧频谱分配与管理。无线电频谱是一种有限的资源，但不是消耗性的，既要科学地管理，又要充分地利用。
⑨电磁兼容与测量。
⑩自然界影响等。


电磁兼容测量的基本方法

1、电磁辐射发射测量系统
电磁场辐射测量是测量电气、电子设备的电磁辐射强度
2、电磁辐射敏感度测试系统：其测量方法主要由以下几种
1）用发射天线产生骚扰电磁场，
2）用TEM小室或GTEM小室产生骚扰电磁场，
3）用混响室产生骚扰电磁场，
4）用亥姆霍兹线圈产生磁场
3、传导发射测量系统：有以下几种测量方法
1）通过线路阻抗稳定网络LISN，
2）用电流探头测量电源线上的干扰电源，
3）通过功率吸收钳来测量电源线上的干扰功率
4、传导敏感度测试系统：往入干扰信号有以下几种方法
1）通过变压器向被测线路往入干扰信号，
2）通过耦合/去耦网络向被测线路往入干扰信号，
3）通过注入探头向被测线往入干扰信号.


提高电磁兼容性的措施

①使用完善的屏蔽体可防止外部辐射进入本系统，也可防止本系统的干扰能量向外辐射。屏蔽体应保持完整性，对必不可少的门、缝、通风孔和电缆孔等须妥善处理，屏蔽体要有可靠的接地。
②设计合理的接地系统，小信号、大信号和产生干扰的电路尽量分开接地，接地电阻尽可能小。
③使用合适的滤波技术，滤波器的通带经过合理选择，尽量减小漏电损耗。
④使用限幅技术，限幅电平应高于工作电平，并且应双向限幅。
⑤正确选用连接电缆和布线方式，必要时可用光缆代替长电缆。
⑥采用平衡差动电路、整形电路、积分电路和选通电路等技术。
⑦系统频率分配要恰当。当一个系统中有多个主频信号工作时，尽量使各信号频率避开，甚至避开对方的谐振频率。⑧共用走廊的各种设备，在条件许可时，应保持较大的隔距，以减轻相互之间的影响。


电磁兼容课程的特点

1、电磁兼容以电磁理论为基础。因此电磁兼容原理是以电磁场理论为基础的。
2、电磁兼容是一门综合性边缘学科。因此，掌握电磁兼容需要多学科知识基础。
3、电磁兼容实践性较强。因此，要掌握并灵活运用电磁兼容技术需要设计者不断地去实践，积累经验。
4、大量引用无线电技术的概念和术语。
5、计量单位的特殊性。电磁兼容工程中最常用的度量单位是分贝（dB）

电磁兼容的实施

1.电源供电：由于很多电磁干扰都是通过电源耦合到电子设备中的，所以在系统供电上做专门的电磁兼容性设计。增加有效的变压、稳压、滤波电路，使用高效率的开关电源芯片和稳压滤波效果很好的低压差线性电源芯片为系统提供稳定可靠的电源。
2.使用去耦电容：每个集成电路的电源，地之间都加一个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。
3.地线分隔：采用4层电路板设计以减小电源，地的寄生电感，有效增强系统的EMC性能。单独的电源层和地层可以有效防止器件之间通过地线和电源的相互耦合，另外对于有不同性质的地线采用分割隔离的方法，使不同属性的地线的电流走不同的路径，可防止信号串扰。


通信接口：系统的485、232、USB等通讯接口外接线缆，且与外部设备有直接联系，所以也易于受到各种电磁干扰，为了增强这些通讯接口的抗扰能力，在通讯信号线上串连磁珠和并联压敏电阻，以及滤波电容；
另外，为了增强抗扰度，同时降低骚扰度，在布置PCB板时要遵循以下原则：
1.石英晶体振荡器尽量靠近到用该时钟的器件，时钟线尽量短，外壳要接地，用地线将时钟区圈起来。
石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。
2.I/O驱动电路尽量靠近印刷板边，让其尽快离开印刷板。对进入印制板的信号要加滤波，从高噪声区来的信号也要加滤波，同时用串终端电阻的办法，减小信号反射。
3.MCU无用端要接高，或接地，或定义成输出端，集成电路上该接电源地的端都要接，不要悬空。闲置不用的门电路不要悬空。
4.印制板尽量使用45折线而不用90折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合。
5.正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
6.将数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。
7.尽量加粗接地线。若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。
8.将接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路组件，尤其遇有耗电多的组件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。
9.选择合理的导线宽度。由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流，印制导线要尽可能地短。对于分立组件电路，印制导线宽度在1.5mm左右时，即可完全满足要求；对于集成电路，印制导线宽度可在0.2～1.0mm之间选择。
10.采用正确的布线策略。采用平等走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加，如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构，具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平等走线。