电磁兼容性分析与可靠性设计

随着当前电子技术的飞速发展，现代电子设备已经越来越多地应用于人类生活的各个方面。随着人类社会的不断进步和发展，电子设备的发展过程继续以越来越快的速度进行。电子设备的广泛应用和发展必然导致周围空间电磁场水平的不断提高。电子设备不可避免地在不断恶化的电磁环境中工作(EME)。因此，有必要提高电子设备在电磁环境中的适应性，使其更好地工作。也就是说，对相应的电磁兼容设计提出更可靠的解决方案，较大限度地抑制和消除空间的电磁干扰，使电子设备或系统与其他设备协同工作时，整个系统的任何部分的工作性能都不会变差或大大降低。目前，常用的电磁兼容设计技术包括屏蔽、滤波、合理接地和合理布局，在工程实践中得到广泛应用。然而，随着电子系统的集成和综合，上述措施的应用往往会与产品或系统的成本、质量和功能要求相冲突，因此我们必须权衡利弊，研究较合理的措施来满足电磁兼容性的要求。随着新型导电屏蔽材料和技术方法的出现，电磁兼容设计技术也采取了新的措施。无论如何，电磁干扰抑制技术始终是电磁兼容科学中较活跃的研究课题。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前提之一。一般来源分为内部来源和外部来源。1.内部干扰-电子设备中元件之间的相互干扰。(1)工作电源的分布电容和绝缘电阻引起的漏电干扰；(2)信号通过地线、电源和传输线的阻抗，或线间互感引起的干扰相互耦合；(3)设备或系统内部某些部件受热产生的干扰，影响部件本身或其他部件的稳定性；(4)大功率、高压元件产生的磁场、电场通过耦合影响其他元件产生的干扰。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)外部高压和电源通过绝缘泄漏干扰电子电路、设备或系统；(2)外部大功率设备在空间产生强磁场，通过互感耦合干扰电子电路、设备或系统；(3)空间电磁对电子电路或系统的干扰；(4)工作环境温度不稳定，因电子电路、设备或系统内部元器件参数变化造成干扰；(5)工业电网供电的设备及电网电压通过干式变压器引起的干扰。2.2电磁干扰的传播路径1。当干扰源的频率较高，干扰信号的波长小于被干扰物体的结构尺寸，或者干扰源与感受到干扰的人之间的距离为r /2时，干扰信号可以认为是辐射场，它以平面电磁波的形式向外辐射电磁场能量，进入被干扰物体的路径。2.干扰信号通过绝缘支架(包括空气)介质，以泄漏和公共阻抗耦合的形式进入被干扰的线路、设备或系统。3.干扰信号可以通过直接传导进入线路、设备或系统。3电磁干扰控制策略分析电磁兼容课题是在早期简单抗干扰方法的基础上发展起来的。两者的目标都是使设备和系统在共存环境下互不干扰，工作效率较大化。然而，有一个 #p#分页标题#e#

单纯的抗干扰方法在抑制干扰的思路和方法上比较简单或者肤浅，主要思路集中在如何尽量抑制干扰的传播，所以工程技术人员处于被动地位，哪里有干扰，就要具体情况具体解决。当然，有经验的工程师也会采取预防措施，但这只是基于经验的局部应用，解决问题的方法也是简单的对抗措施。电磁兼容技术在干扰控制策略上采取主动预防、统筹规划、对抗与分流相结合的方针。电磁兼容控制是一个系统工程，在设备和系统设计、开发、生产、使用和维护的各个阶段都要充分考虑和实施，才能有效。科学先进的电磁兼容项目管理是有效控制技术的重要组成部分。在控制方法中，除了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。也可以采用回避和疏导技术，如空间方向分离、分频和回避、滤波、吸收和旁路等。有时这些简单巧妙的回避和疏导技术可以代替大质量大体积的昂贵硬件措施，从而达到更好的抑制效果。在解决电磁干扰问题时，过去是在设备开发后期不兼容问题暴露出来后，进行无源电磁兼容控制。这种情况应该在2021-01-13尽量避免，电子设备的开发精度在不断提高。因此，需要在设备设计初期进行预测分析和设计，提前进行详细的论证和检验计算，尽可能全面地规划实施细则和步骤。相关系统的电磁兼容设计和可靠性设计，产品的可维护性，基本功能结构设计，产品的软硬件设计综合考虑，同步进行。只有这样，才能较大限度地减少电磁干扰，实现更高层次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接地在任何系统中，电子设备的接地都是该设备电磁兼容设计中非常重要的问题。一般实际系统中的接地情况如图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共同的参考零电位，保证电路系统能够稳定工作。(2)防止外部电磁场的干扰。将外壳接地可以使外壳上因静电感应而积累的大量电荷通过大地放电，否则这些电荷形成的高压可能会引起设备内部的火花放电，造成干扰。此外，如果电路的屏蔽体选择适当的接地，也可以获得良好的屏蔽效果。(3)保证安全工作。当发生直击雷的电磁感应时，可以避免对电子设备的损坏。当工频交流电源的输入电压由于绝缘不良或其他原因直接与外壳连通时，可以避免

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。线路板上的导线是较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被抑制到较小。（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较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较有效较合适的EMC方案。#p#分页标题#e#