浅析电子设备的电磁兼容技术

通天雷神

浅析电子设备的电磁兼容技术

　　　　　　　　　　　
山东莱芜钢铁集团动力部 周志敏 武汉理工大学信息工程学院 周纪海

　　摘　要：本文系统的阐述了电磁兼容技术的定义和环境评估，论述电磁兼容的控制技术。
　　关键词：电磁兼容技术 控制技术

1.概述

　　 随着微处理技术、计算机网络技术、信息通信技术、多媒体技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术及人工智能技术的发展和应用。使得各类系统的自动化程度不断的提高，这就要求以微处理器为核心的智能化的系列产品具有高的可靠性，而智能化产品的可靠性，在很大程度上取决于其抗干扰能力，因此也决定了整个系统的可靠性。一般侵入系统的干扰有时能直接造成系统的硬件损坏，有时虽不能损坏系统的硬件，但常使微处理器的系统程序运行失控，导致控制失灵，从而造成设备和生产事故。电磁干扰已成为研究微电子装置安全、稳定运行的重要课题。因此，如何提高系统的抗干扰能力和可靠性是自动化装置研制和应用中不可忽视的重要内容，也是计算机控制技术应用和推广的关键之一。在自动化控制系统的可靠性和抗干扰措施设计中，从总体方案、器件选择、电路板的布局及布线到软件程序的设计，都要把抗干扰技术贯穿于应用系统设计的全过程。

2.电子设备的电磁兼容性

　　电磁兼容性技术又称环境电磁学，在开始的时候它仅仅考虑的是对无线电广播带来的射频干扰。但当今电子产品的数量越来越多，各种电子设备发射功越来越大，电子设备系统的灵敏度越来越高，并且接收微弱信号能力越来越强，同时电子产品频带也越来越宽，尺寸越来越小，相互影响也越来越大。因此电磁骚扰不再局限于辐射，还要考虑感应、耦合和传导等引起的电磁干扰，如电磁辐射照射对生物的危害、静电、雷电等都属于电磁兼容性范畴。但本文只讨论电子设备及由电子设备构成的系统、分系统的电磁兼容性问题。
　　 电磁兼容三要素是干扰源（骚扰源）、耦合通路和敏感体。切断以上任何一项都可解决电磁兼容问题,RE为辐射发射，RS为辐射敏感度，CE为传导发射，CS为传导敏感度。 电磁兼容的解决方案常用的方法主要有屏蔽、接地和滤波，但是这三者或者这三者以外的方案有着必然的联系。
　　 2.1电磁兼容性定义
　　 2.1.1电磁兼容性；电磁兼容是电子设备系统工程重要指标，也是质量可靠性的重要指标，其定义为设备或者系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
　　 2.1.2电磁干扰；电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。它的主要要素有自然和人为的骚扰源、通过公共地线阻抗、内阻的耦合、沿电源线传导的电磁骚扰和辐射干扰等。电子系统受干扰路经为经过电源，经过信号线或控制电缆，场渗透，经过天线直接进入；并且有电缆耦合，从其它设备来的传导干扰，电子系统内部场耦合，其它设备的辐射干扰，其它设备的辐射干扰，电子外部耦合到内部场，电子外部耦合到内部场，宽带发射机天线系统，外部环境场等等。
　　 2.1.3电磁辐射；电磁波形式由源发射到空间的现象。“电磁辐射”一词的含义有时也可引申，将电磁感应现象也包含在内。RFI/EMI可以通过任何一种设备机壳的开口、通风孔、出入口、电缆、测量孔、门框、舱盖、抽屉和面板，以及机壳的非理想连接面等进行辐射。RFI/EMI也可由进入敏感设备的导线和电缆进行辐射，任何一个良好的电磁能量辐射器也可以作为良好的接收器。
　　 2.1.4 脉冲；在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。
　　 2.2电磁环境评价
　　 一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合。通过实测或数字仿真等手段，对设备在运行时可能受到的电磁干扰水平（幅值、频率、波形等）进行估计电磁环境评价是电磁兼容技术的重要组成部分，是抗干扰设计的基础。
　　 弄清电磁骚扰是通过何种路径到达被干扰对象，一般来说，干扰可分为传导（Conducted)型干扰和辐射(Radiated)型干扰两大类，传导型干扰是指电磁骚扰通过电源线路、接地线和信号线传播到对象所造成的干扰，例如，通过电源线传入的雷电冲击源产生的干扰，辐射干扰是指通过电磁源空间传播到敏感设备的干扰，例如，输电线路电晕产生的无线电干扰或电视干扰即属于辐射型干扰，研究干扰的耦合途径，对制定抗干扰的措施、消除或抑制干扰具有重要的意义。
　　 2.3电磁干扰评价
　　 研究系统中各类微电子设备的耐受电磁干扰能力，一般是采用试验来模拟运行中可能出现的干扰，并在设备尽可能接近工作条件下，试验被试设备是否产生误动或永久性损坏，设备的抗干扰性决定于设备的工作原理，电子线路布置，工作信号电平，以及所采取的抗干扰措施，随着强电设备和微电子设备一体化进程的加快，任何评价这些设备耐受干扰的能力，研究实用有效的试验方法，制定评价标准将成为控制系统电磁兼容技术的重要课题。
　　 2.3.1抗扰度电平:将某给定的电磁骚扰施加于某一装置、设备或者系统而其仍然能够正常工作并保持所需性能等级时的最大骚扰电平。也就是说，超过此电平时该装置的系统、设备就会出现性能降低。而敏感性电平是指刚刚开始出现性能降低的电平。所以对某一装置、设备或者系统而言，扰性电平与敏感性电平是同一个数值。
　　 2.3.2抗扰度裕量:装置、设备或者系统的抗扰度限值与电磁兼容电平之间的差值。
　　 2.4电能质量
　　 国际大电网会议36学术委员会（电力系统电磁兼容）把电能质量控制也列入电磁兼容的范畴，研究频率变化、谐波、电压闪变、电压豫降等对用户设备性能的影响。

3.电磁兼容控制技术

　　技术虽然进步了，但电磁兼容的问题却越来越尖锐。可能产生的干扰耦合作用可能是来源于导线和低频或高频场的干扰。箱柜对机器或装置在电磁兼容方面所做的贡献就在于屏蔽了无限制的干扰场。设备柜内部或其附近，外部或内部的干扰源（例如，自然出现的火花、静电放电或者人为造成的干扰源）都可能引起电磁效应。所引起的高达几百兆赫的高频电磁场的周期性持续干扰源有SPS（脉冲重复频率）、快速顺序控制器、整流器、变频器、快速开关、电动机、开关网络零件等。脉冲干扰是由于雷电或低压电网、断路装置、高频焊接机、感应加热、淬火装置、电火花、变压器或电感、线圈、电动机接通产生的，也可能是由处于兆赫频率范围的荧光灯的接通产生的。
　　 屏蔽、滤波、合理接地合理布局等抑制干扰的措施都是很有效的，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成本、质量、功能要求产生矛盾，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。
　　 3.1EMI滤波技术
　　 3.1.1.滤波器结构
　　 几种滤波器的构成如图1所示。在图1（a）中，阻抗Z=1/ωC1，高频区域用陶瓷电容、聚酯薄膜电容并联，其滤波效果更好。在图（b）中，噪声能通过电容旁路到地线上，这种滤波器连接时应使接地阻抗尽量小。在图1（c）中，C1、C2对不对称噪声有良好的滤波效果，C3对对称噪声有良好的滤波效果，连接时应使电容器的引线及接地线尽量短。图1（d）为常用的噪声滤波电路，L1、L2对噪声呈现高阻抗，而C1则对噪声呈现低阻抗。当L1、L2采用共模电感结构时，对对称和非对称噪声都有较好的滤波效果。图1（e）适用于对共模噪声进行滤波，应注意的是其接地阻抗同样应尽量小。 　　
　　 图2是对共模噪声和差模噪声都有效的滤波器电路。其中，L1、L2、C1为抑制差模噪声回路，L3、C2、C3构成抑制共模噪声回路。L1、L2的铁芯应选择不易磁饱和的材料及Μ-F特性优良的铁芯材料。C1使用陶瓷电容或聚酯薄膜电容，应有足够的耐压值，其容量一般取0.22～0.47μF。L3为共模电感，它对共模噪声具有较高的阻抗、较好的抑制效果。
　　 3.2物理隔离技术
　　 加大受扰电路、器件或装置与干扰源之间的距离，是降低干扰的一种行之有效的措施，因为干扰与距离的平方成反比，距离增加一倍干扰则降低四倍，因此，周密完善地考虑器件或设备的布置及布线，并尽量增大干扰源与受扰电路之间的距离，将大大降低干扰的传播，减少系统的故障率。在实际安装布线时，应按其对干扰的灵敏度或按其本身功率的大小分门别类的进行处理，布置的顺序是：低电平模拟信号，一般数字信号，交流控制装置，直流动力装置，交流动力装置等。按照这样的顺序布置使其相互隔开，保持一定距离，但有时要求设备之间，装置的各种布线之间保持一定距离，在安装场合受到限制、设备要求体积小的情况下，这种要求往往很难得到满足。因此，尚需考虑其他措施。
　　 3.3屏蔽技术
　　 电子设备中某些元器件或电路中有电流流过时，其周围空间将建立磁场；同时，电路某一部分所存储的电荷，又在其周围建立磁场；电能与磁场的相互急剧转化将形成电磁干扰，这种电场与磁场，对设备本身来讲属于内生干扰，降低了设备的抗扰容限。严重时会使设备经常发生故障。又如电焊机进行焊接时，高频加热炉投入运行时，以及大型用电设备的突然起停等都将对自动化装置产生干扰，这些属于外生干扰。为了将产生的电场或磁场限制在某一规定的空间范围内，或为了使设备或元器件不受外部电磁场的影响，常常采用隔离屏蔽措施，其方法是将有关电路、元器件、或设备安装在铜、铝等低电阻材料或是磁性材料制成的屏蔽物内，不使电场和磁场穿透这些屏蔽物。屏蔽一般分为以下几类：
　　 3.3.1.静电屏蔽。
　　 静电屏蔽主要是为了消除两个或几个电路之间由于分布电容耦合而产生的干扰，如变压器初次级线圈之间接地的屏蔽层即属于这一类。如图3（a）所示；导体A上载有交变正弦电动势E，在导体A附近有通过阻抗Z接地的导体B，A与B之间的电容为CAB，则电流I=E/（Z+1/jωCAB）,当电动势E的角频率ω小时，容抗1/jωCAB很大，所以电流I很小，但当ω很高时，则I所产生的作用，就有可能破坏B的正常工作。如果将一接地导电平板置于A、B之间如图3(b)所示，导体S将从A到B的电力线截断，设在设在某一瞬间，导体A充有正电荷，这时平板S上将感应负电荷，在导体S与B之间就不存在电场或使静电场大大减弱。即由于S的存在，消除了导体A的电场对导体B的影响，起到了电场屏蔽的作用，必须指出的是导体S接地是电场屏蔽的必要条件。
　　 3.3.2低频磁场屏蔽。
　　 设有两个相互靠近的电路，其中一个电路所产生磁通的一部分与另一电路相交链，其频率越高感应电压越大，为避免这种相互影响，采取磁场屏蔽。对于恒定磁场和低频磁场，利用高导磁率的铁磁材料来实现屏蔽，即将磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽导体内部，可获得良好的屏蔽效果。
　　 3.3.3电磁屏蔽。
　　 对于高频电磁干扰的屏蔽是通过反射或吸收的方法来承受或排除电磁能的，电磁干扰穿过一种介质而进入另一种介质时，其中一部分被反射。电磁波在空气和屏蔽交界面上未被反射的电磁能量将进入屏蔽层，感应出电流I2R损耗而被吸收。
　　 屏蔽层所能吸收的能量A，取决于干扰场的频率、屏蔽材料的厚度、导电率以及导磁率。其可用下式表示：
　　 式中；A——为吸收能量（分贝） t——为屏蔽层的厚度 F——为干扰场的频率 G——为相对于铜的导电率 q——为相对于磁铁的导磁率
　　 任何结构的金属都是良好的电磁干扰吸收材料，增加屏蔽物的厚度，可以增加电磁干扰的吸收量。在低频时其反射量小，且不受屏蔽层厚度的影响，故只能增加屏蔽层的吸收量来增大总屏蔽量。在高频时，铜及铝等导电材料制成的屏蔽层的反射量大于钢，另外，由于铁磁材料屏蔽物在高频时，铁磁介质损耗很大，而铜和铝等导电材料的吸收量大，磁力线穿过导电屏蔽层时，在导体中产生感应电势，此电势在屏蔽层内部短路而产生涡流，涡流又产生反向磁力线，以抵消穿过屏蔽层的磁力线，从而起到了屏蔽作用。
　　 3.4接地技术
　　 目前在我国应用的各种自动化装置的接地种类繁多,归纳起可分为以下几类:
　　 3.4.1.供电电源中性点的工作地，是指稳定的供电系统中性点电位的接地。
　　 3.4.2.防雷保护接地,是指在雷雨季节为防止雷电过电压的保护接地。
　　 3.4.3.安全保护地，是指为防止接触电压及跨步电压危害人身和设备安全，而设置的自动化装置的金属外壳的接地。
　　 3.4.4.直流系统地(又称为逻辑地、工作地)，它为自动化装置各个部分、各个环节提供稳定的基准电位（一般是零点位）。这个地可以接大地，也可以仅仅是一个公共点。系统地如果与大地不相连，即系统地处于悬浮工作状态，称之为浮空地。
　　 3.4.5.屏蔽地，屏蔽地是为抑制各种干扰信号而设置的，屏蔽的种类很多，但都需要可靠的接地，屏蔽地就是屏蔽网络的接地。
　　 尽管由自动化装置构成的控制系统中，其自动化装置是由不同公司生产的，各公司的产品对接地的种类规定及接地电阻的阻值要求不尽相同，但设备的系统地要求比其它几种接地要求要严格得多，并有越来越高的趋势。为了避免诸“地”间相互干扰，上述几种地都应设置各自独立的接地网络。其接地线必须采用绝缘铜导线，连接到统一的接地点，以形成一个共同的电位点。 　　在自动化控制系统接地设计中必须要遵循一点地的原则：因系统有多台自动化设备构成，整个系统必须只能在一处接地，因为系统接地线和接地电阻都不可能为零，尤其是在高频或瞬变状态下更是如此；另外，当有大电流从接地极注入大地时，接地极极其附近的大地电位升高，如有多点地则会出现接地点间的电位差，形成干扰。即使是同一台设备中的系统地线，也应遵守一点地原则，否则形成接地环路，各点之间的接地电位差将会形成干扰被引入其它电路。为了研究上述各种接地系统间的关系，分析接地网体系的诸多因素及降低接地电阻的有效途径和具体方法，近年来“自动化装置接地工程学”作为一门崭新的学科，受到自动化控制领域的重视，也为自动化装置的接地系统的研究和实践奠定了理论基础。

4.结语

　　 电子设备在设计过程和实际应用和维护的各阶段，都充分的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。在电子设备运行过程中各种干扰是随机，作为确保电子设备可靠工作的电磁兼容控制策略和控制技术，是把电子设备的产品设计和应用中采取的抗电磁干扰措施有机的结合运用，以取得最佳的抑制效果。

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