分享:EMC的分析与可靠性设计

孤独的鱼

引言
随着当前电子技术的飞速发展，现代的电子设备已经越来越多地应用于人类生活的各个方面。随着人类社会的持续进步和发展，电子设备的发展过程仍以日益增长的速度持续着。电子设备的广泛应用和发展，必然导致它们在其周围空间中产生的电磁场电平的不断增加。电子设备不可避免地在日益恶化的电磁环境(EME)中工作。因此，必须改善电子设备在电磁环境中的适应能力以使其更好地工作。，也就是对相应的电磁兼容性设计提出更可靠的解决方案，从而最大限度地抑制和消除空间中的电磁干扰，使电子设备或系统与其他设备联系在一起工作时，整个系统任何部分的工作性能都不会出现恶化或者较大幅度的降低。 当前比较普遍使用的电磁兼容设计技术包括屏蔽、滤波、合理接地及合理布局等方法，并在工程实践中被广泛采用。但是随着电子系统的集成化、综合化，以上措施的应用往往会与产品或者系统的成本、质量、功能要求产生矛盾，因此必须权衡利弊研究出最合理的措施来满足电磁兼容性要求。随着新的导电和屏蔽材料以及工艺方法的出现，电磁兼容性的设计技术又有了新的措施。无论如何，电磁干扰的抑制技术始终都是电磁兼容科学中最活跃的研究课题。
2 电磁干扰的来源和传播途径
2.1 电磁干扰的来源
各种形式的电磁干扰是影响电子设备电磁兼容性的主要因素，因此，了解其来源是电磁兼容设计的先决条件之一。一般的来源分为内部和外部两种。
1. 内部干扰-------电子设备内部各元部件之间的相互干扰。
（1） 工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电而造成的干扰；
（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，影响元件本身或其他元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。
2. 外部干扰------电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰。
(1) 外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统；
(2) 外部大功率的设备在空间产生很强的磁场，通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统；
(3) 空间电磁对电子线路或系统产生的干扰；
(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所产生的干扰。
2.2电磁干扰的传播途径
1. 当干扰源的频率较高、干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小，或者干扰源与倍感绕者之间的距离r>>λ/2π时，则干扰信号可以认为是辐射场，它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路
2. 干扰信号以漏电和耦合形式，通过绝缘支撑物（包括空气）为媒介，经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。
3. 干扰信号可以通过直接传导方式进入线路、设备或系统。
3 电磁干扰的控制策略分析 电磁兼容学科实在早期单纯的抗干扰方法基础上发展形成的，两者的目标都是为了使设备和系统达到在共存的环境中互不发生干涉并最大限度地发挥其工作效率。但是早期的抗干扰性方法和现代的电磁兼容技术在控制电磁干扰策略思想上有着本质的差别。 单纯的抗干扰性方法在抑制干扰的思想方法上比较简单，或者认识比较肤浅，主要的思路集中在怎样设法抑制干扰的传播上，因此工程技术人员处于被动的地位，哪里有干扰哪里就事论事的给予解决，当然经验丰富的工程师也会采取预防措施，但这仅仅是根据经验局部的应用，解决问题的方法也是单纯的对抗式的措施。 电磁兼容技术在控制干扰的策略上采取了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导“相结合的方针。电磁兼容性控制是一项系统工程，应该在设备和系统设计、研制、生产、使用与维护的各阶段都充分给予考虑和实施才可能有效。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。 在控制方法，除了采用众所周知的抑制干扰传播的技术，如屏蔽、接地、搭接、合理布线等方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，如空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等，有时采用这些简单而巧妙的回避和疏导技术能够代替昂贵且质量、体积都较大的硬件措施，从而取得较好的抑制效果。 在解决电磁干扰问题的时机上，以前往往是设备研制后期暴露出不兼容问题后，再采取挽救修补的措施进行被动的EMC控制，这种情况在电子设备发展精度日益增高的今天应当极力避免，因此必须在设备设计的初始阶段就开展预测分析和设计，预先进行详细的论证和检验计算，并尽可能全面地规划实施细则和步骤，把涉及到相关系统的电磁兼容性设计和可靠性设计，产品的维护性与产品的基本功能结构设计和软硬件设计综合考虑并同步进行，只有这样才有可能最大限度地减小电磁干扰，实现更高层次上的电磁兼容设计策略。总之，电磁兼容技术是现代并行工程的组成部分之一。
4 电磁兼容的可靠性设计方法
4.1 接地 不管在任何系统中，电子设备的接地都是该设备电磁兼容设计的一个很重要的问题。一般的实际系统中接地情况如图1所示，其作用如下：
（1） 接地可以使整个电路系统的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地工作。
（2） 防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上得大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成得高压可能引起设备内部得火花放电而造成干扰。另外对于电路得屏蔽体，若选择合适得接地，也可获得良好得屏蔽效果。
（3） 保证安全工作。当发生直接雷电得电磁感应时，可避免电子设备得损坏；当工频交流电源得输入电压因绝缘不良或其他原因直接与机壳相通时，可避免操作人员得触电事故发生。此外，很多医疗设备都与病人的人体直接相连，当机壳带有110V或者220V电压时，将可能发生致命危险。
实际电子系统的接地示意图 总之，接地是抑制噪声并防止干扰的主要方法之一。一般的接地可以理解为一个等电位点或等电位面，属于电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了防止雷击或其他高电压可能造成的损坏或者工作人员的人身安全，电子设备的机壳和己方的金属构件等必须与大地相连界，而且接地电阻一般很小，不能超过规定值。 4.2 屏蔽 屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体地讲，就是用屏蔽体将电子元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们收到外界电磁场的影响。屏蔽体对来自导线、电缆、元部件以及电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以利用屏蔽体可以非常有效地减弱电磁干扰。
屏蔽材料选择的原则如下： （1） 当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率（高电导率）的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。 （2） 当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。 （3） 在某些特定场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的评比效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。
4.3 滤波 正确而合理的滤波是解决电磁干扰的一个非常重要的技术方法。电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器，常常分为信号线EMI滤波器、电源TMI滤波器、印制板Emi滤波器、反射Emi滤波器以及隔离EMI滤波器等几类，这里主要分析一下前两种滤波器的情况。 线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线，由于导线的存在，往往会使线路板上产生过强的电磁辐射。同时由于这些导线又能接收外部的电磁干扰，使得电路对干扰很敏感。针对这种情况使用信号滤波器是一种结局高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。脉冲信号的高频部分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射，使线路板的辐射超标。而信号滤波器的使用可以使脉冲信号的高频成分大打减少，从而使线路板的辐射大大改善。 电源线是电磁干扰传入设备和传出设备的主要途径。通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传到电网上，对网上其他设备造成干扰。为了防止这两种情况的发生，必须在设备的电源入口处安装一个低通滤波器，这个滤波器只容许设备的正常工作频率通过，而对较高频率的干扰有很大的损耗，从而达到了滤除高频干扰的目的，这种滤波器即为电源线滤波器。当然由于电源线上的干扰虽工作频率的高低而不有所同，低频时通常是差模干扰成分占多，而高频时主要是共模干扰成分，因此设计电源线滤波器时又要仔细考虑并区别对待。
4.4 其他抑制干扰方法
（1） 正确地选择无源器件 实用的无源器件并不是“理想“的，其特性和理想的特性本身肯定是有差异的。实用的元件本身就是一个干扰源，因此正确地选用无源元件非常重要。应当充分利用这一特性对电磁干扰进行抑制和防止。
（2） 恰当设计电路 有时候单纯地采用屏蔽并不能很好地满足抑制和防止干扰的要求，此时可以结合屏蔽并采取平衡措施等电路技术。平衡电路是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路，对地或对其它导线都具有相同的阻抗。其目的在于使两根导线所收到的干扰信号相等。这时的干扰信号噪声由于是共态信号，可在负载上自行消失，除此之外，还有恰当地设计接点网络、整形电路、积分电路及选通电路等方法来抑制干扰。
5 一些典型电磁兼容性问题的解决
由于电子技术在各行业的广泛应用，在人类社会的空间中无处不充斥着电磁波。在实际的电子设备应用中，人们在研究抗干扰技术方面逐渐积累了大量的经验，不断研究出许多实用的方法来消除电磁干扰。
（1） 汽车行业的电磁兼容

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实验发现：汽车工作时，电磁干扰相当突出，严重时会影响电子仪表的指示精度甚至损坏电子元器件，因此汽车电子设备的电磁环境极为恶劣。技术人员采取了如下的措施来抑制电磁干扰：
1) 在汽车点火时，采用带阻尼的屏蔽线作为点火线，可以很有效地减小产生的高频辐射，从而减轻了汽车电气噪声对环境的污染。
2) 针对微电子技术在汽车上应用时产生的电磁干扰问题，可以通过针对实际应用情况设计出适当的滤波电路和隔离电路，恰当地选择元器件和安排电路系统，设置能量吸收回路等，从而使EMI被抑制到最小。
（2）微机设备的软件抗EMI措施 微机设备是一个可编程控制装置，通过合理的软件编程可以支持和加强硬件的抗干扰能力。当微机系统中随机内存即RAM主要用于测量和控制时数据的暂时存放，内存空间较小，对存放的数据而言，若将采集到的几组数据求平均值作为采样结果，可以有效地避免采集时因干扰而破坏了数据的真实性；如果存放在随机内存中的数据因干扰而丢失或者数据发生变化，可以在随机内存区设置检验标志，同时在随机存储器芯片的写信号线上加触发装置，保证只在CPU写数据时才发。另外，数字滤波程序、抗窄脉冲的延时程序、逻辑状态的真伪判别程序等，都属于软件抗干扰的有效措施。
（3）高速电路板的电磁兼容设计 EMI（电磁干扰）随着电路速度的提高会变得越来越严重，同时告诉器件容易对干扰敏感，因此在高速电路板设计和调试的过程中，对 EMC的设计要求往往都很高。通常的抑制高速电路板EMI的途径为：电磁屏蔽、滤波、消除电流环路和在规定要求下尽可能降低器件的速度。尤其在消除高频噪声时必须注意以下原则： 1) 电源和地的统一和稳定 2) 仔细考虑布线与合适地端接以消除反射和容性、感性串扰 3) 避免电流环路 4) 采用适当的EMI滤波器 6 结语 由于电子技术的广泛应用，并且各种干扰设备的辐射很复杂，要真正完全消除电磁干扰是不可能完成的任务。但是可以根据电磁兼容性的基本原理来采取许多措施最大限度地减小电磁干扰使之控制在系统可容纳的范围之内，从而保证系统或设备良好的电磁兼容性。随着EMC学科的日益发展，相信越来越多的抗EMI措施会涌现出来。针对不同的电子系统具体分析论证，一定可以总结出针对该系统的最有效最合适的EMC方案。