電磁兼容原理、方法及設計的科普好文（一）

什么是電磁兼容

電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產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：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產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。
電磁兼容的主要研究對象

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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體開臺時放電引起的噪聲、電氣機車噪聲、城市噪聲等。

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②共用走廊內各種公用事業設備（輸電線、通信、鐵路、公路、石油金屬管線等）相互間的影響。

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③超高層建筑、輸電線、鐵塔等大型建筑物引起的反射問題。

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

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⑤核電磁脈沖的影響。高空核爆炸產生的電磁脈沖能大面積破壞地面上的指揮、控制、通信、計算機及報系統。

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⑥探譜（TEMPEST）技術。其實質內容是針對信息設備的電磁輻射與信息泄漏問題，從信息接收和防護兩方面所開展的一系列研究工作。

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⑦電子設備的誤動作。為了防止誤動作，必須采取措施以提高設備的抗干擾能力。

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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，既要科學地管理，又要充分地利用。

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⑨電磁兼容與測量。

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⑩自然界影響等。

 
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提高電磁兼容性的措施

01
使用完善的屏蔽體可防止外部輻射進入本系統，也可防止本系統的干擾能量向外輻射。屏蔽體應保持完整性，對必不可少的門、縫、通風孔和電纜孔等須妥善處理，屏蔽體要有可靠的接地。


02
設計合理的接地系統，小信號、大信號和產生干擾的電路盡量分開接地，接地電阻盡可能小。

03
使用合適的濾波技術，濾波器的通帶經過合理選擇，盡量減小漏電損耗。

04
使用限幅技術，限幅電平應高于工作電平，并且應雙向限幅。

05
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。

06
采用平衡差動電路、整形電路、積分電路和選通電路等技術。

07
系統頻率分配要恰當。當一個系統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。

08
共用走廊的各種設備，在條件許可時，應保持較大的隔距，以減輕相互之間的影響。

電磁兼容性設計的基本原理

1接地

接地是電子設備的一個很重要問題。接地目的有三個：
（1）接地使整個電路系統中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統能穩定地干作。
（2）防止外界電磁場的干擾。機殼接地可以使得由于靜電感應而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設備內部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。
（3）保證**工作。當發生直接雷電的電磁感應時，可避免電子設備的毀壞；當工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不佳或其它原因直接與機殼相通時，可避免操作人員的觸電事故發生。此外，很多醫療設備都與病人的人體直接相連，當機殼帶有110V或220V電壓時，將發生致命危險。
因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個等電位點或等電位面，是電路或系統的基準電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和工作人員的人身**，電子設備的機殼和機房的金屬構件等，必須與大地相連接，而且接地電阻一般要很小，不能超過規定值。
電路的接地方式基本上有三類，即單點接地、多點接地和混合接地。單點接地是指在一個線路中，只有一個物理點被定義為接地參考點。其它各個需要接地的點都直接接到這一點上。多點接地是指某一個系統中各個接地點都直接接到距它*近的接地平面上，以使接地引線的長度*短。接地平面，可以是設備的底板，也可以是貫通整個系統的地導線，在比較大的系統中，還可以是設備的結構框架等等。
混合接地是將那些只需高頻接地點，利用旁路電容和接地平面連接起來。但應盡量防止出現旁路電容和引線電感構成的諧振現象。
2屏蔽

屏蔽就是對兩個空間區域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設備或系統包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。
因為屏蔽體對來自導線、電纜、元部件、電路或系統等外部的干擾電磁波和內部電磁波均起著吸收能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應在屏蔽層上產生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的作用，所以屏蔽體具有減弱干擾的功能。
屏蔽體材料選擇的原則是：
（1）當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率（高電導率）的金屬材料中產生的渦流（P=I2R，電阻率越低（電導率越高），消耗的功率越大），形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果。
（2）當干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內部，防止擴散到屏蔽的空間去。
（3）在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。
3其他

（1）濾波
濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。
濾波器可以顯著地減小傳導干擾的電平，因為干擾頻譜成份不等于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的作用。所以，采用濾波網絡無論是抑制干擾源和消除干擾耦合，或是增強接收設備的抗干擾能力，都是有力措施。用阻容和感容去耦網絡能把電路與電源隔離開，消除電路之間的耦合，并避免干擾信號進入電路。對高頻電路可采用兩個電容器和一個電感器（高頻扼流圈）組成的CLCMπ型濾波器。濾波器的種類很多，選擇適當的濾波器能消除不希望的耦合。
（2）正確選用無源元件
實用的無源元件并不是“理想”的，其特性與理想的特性是有差異的。實用的元件本身可能就是一個干擾源，因此正確選用無源元件非常重要。有時也可以利用元件具有的特性進行抑制和防止干擾。
（3）電路技術

有時候采用屏蔽后仍不能滿足抑制和防止干擾的要求，可以結合屏蔽，采取平衡措施等電路技術。平衡電路是指雙線電路中的兩根導線與連接到這兩根導線的所有電路，對地或對其它導線都具有相同的阻抗。其目的在于使兩根導線所檢拾到的干擾信號相等。這時的干擾噪聲是一個共態信號，可在負載上自行消失。另外，還可采用其它一些電路技術，例如接點網絡，整形電路，積分電路和選通電路等等。總之，采用電路技術也是抑制和防止干擾的重要措施。

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1、電磁兼容的分層設計原則

這主要是按照電磁兼容設計的先后順序來考慮的，從先到后可分為以下幾層：
（1）元器件的選擇和PCB設計，這是關鍵的；
（2）接地設計，這是主要的手段。以上兩層如果設計的好，可完成電磁兼容的80%以上的工作。
（3）屏蔽設計；
（4）濾波設計和瞬態騷擾抑制。以上兩層是輔助手段，多為事后補救措施，也是我們*不提倡的。
（5）可根據實際電路需要，結合以上幾層來綜合設計。
2、保證電磁兼容的方法

主要根據構成干擾的三要素從下幾方面來保證電磁兼容。
2.1在不同等級上保證電磁兼容
1）從元器件級上來說，當是無源元件時，考慮
（1）工作頻帶以外的元件參數與工作頻帶上的有很大的區別；
（2）插件元件的末端引線有電感存在，當高頻時這個電感易發生電磁兼容問題；
（3）元件有寄生電容，寄生電感，在電路上表現為分布參數，在分析電路時也要考慮由它帶來的等效電路。當是有源元件時，工作中產生的電磁輻射也會以傳導電流的方式成為干擾源，當是非線性元件時還可能發生頻譜成分的變化，這種變化也會引起干擾。
2）從設備級上來說，主要是保證減少對敏感設備的耦合，可考慮
（1）增加脈沖前沿時間以減少干擾的頻寬；
（2）消除電路中震蕩器產生的諧波及信號的諧波；
（3）限制干擾輻射或消除干擾的傳播途徑。
3）從系統級上來說，主要是靠組織或系統工程的方法來保證，因為有可能在單個設備上的電磁兼容得到了改善，但同時卻影響了其它設備的工作條件，使得其它設備的性能指標變壞，此時需要從系統上折中考慮，另外，重要的一點是電磁兼容設計必須得到系統總體設計的高度重視。
2.2減小導線之間的耦合
主要是從增大導線之間的距離，使用屏蔽，使用雙絞線或使用屏蔽加雙絞這幾個方面來考慮。
2.3接地
主要應考慮
（1）接地導線及公共線的阻抗應*小，*好小于產品*高工作頻率的λ/20以內；
（2）接地導線應采用橫截面為管形的接地線；
（3）可靠接地，并防止連接點形成氧化層；
（4）使用一點并聯接地（低頻用）或者多點接地（高頻用）。
2.4屏蔽
當是低頻磁場時，主要考慮磁屏蔽，當屏蔽層越厚，材料導電率越高，屏蔽效能越好；當是高頻磁場、電場或電磁場時，主要考慮用薄金屬屏蔽并良好接地。另一個值得注意的是在線纜制作時，要求電纜屏蔽層和連接器插頭的金屬外殼要有?360度的完整搭接，不能出現“豬尾巴”現象，否則效果大大打折扣。
2.5濾波
主要考慮
（1）抑制工作頻帶以外的干擾；
（2）在信號電路中用吸收濾波器消除無用的頻譜成分；
（3）在電源電路（尤其是開關電源中），操縱電路，控制電路，以及轉換電路中消除產生的干擾。在工程實際中，一個*值得注意的地方是電源濾波器的安裝，常見的濾波器的錯誤安裝如圖2所示。
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2.6電子設備的空間位置

由于各種電子設備的接收特性以及干擾源設備的輻射特性都具有一定的方向性和一定的作用距離，可以利用這些特性適當安排電子設備在設備空間中的位置以避免干擾和**擾，即注意確定電子設備之間的空間距離和位置的格局。