电磁兼容的概念及设计方法

摘要：电和磁是互相关联的。每一台电子设备都不可避免电磁兼容问题。因此，为了使电子设备可靠运行，必须研究电磁兼容技术。以实例说明了电磁兼容的思路和设计方法。通过对电磁干扰源的明确认识，对电磁干扰引入路径的清楚了解，针对电磁干扰敏感的接收电路进行重点保护。

关键词：电磁兼容；电磁干扰；设计

Concepts and Design Methods of Electromagnetic Compatibility 

YAN Xiu-sheng, NING Tian-fu, GUO Xiang-yu, GUO Yun-zhi 

Abstract:Electricity and magnetism is interrelated. Each and every electric equipment don′ t avoid the problem on electromagnetic compatibility.Therefore,in order that the electric equipment can operate well,it is necessary to research the technology of electromagnetic compatibility.The thinking and design method of electromagnetic compatibility are explained by examples.To understand the source of EMI and the propagative way of EMI clearly the key protection of sensitive receiving circuit for EMI can be carried out.

Keywords:Electromagnetic compatibility; Electromagnetic interference; Design 　

1  引言

1822年安培提出了一切磁现象的根源是电流的假说。1831年法拉第发现变化的磁场在导线中产生感应电动势的规律。1864年麦克斯韦全面论述了电和磁的相互作用，提出了位移电流的理论，总结出麦克斯韦方程，预言电磁波的存在，麦克斯韦的电磁场理论是研究电磁兼容的理论基础。1881年英国科学家希维赛德发表了“论干扰”的文章，标志着电磁兼容性研究的开端。

1888年德国科学家赫兹首创了天线，第一次把电磁波辐射到自由空间，同时又成功地接收到电磁波。从此开始了电磁兼容性的实验研究。

1889年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使电磁兼容性研究开始走向工程化。1944年德国电气工程师协会制订了世界上第一个电磁兼容性规范VDE0878，1945年美国颁布了第一个电磁兼容性军用规范JAN－I－225。

我国从1983年开始也陆续颁布了一系列有关电磁兼容性规范。

虽然电磁干扰问题由来已久，但电磁兼容这个新兴的综合性学科却是近代形成的。主要研究和应用的内容包括：电磁兼容性标准和规范；分析和预测；设计；实验测量；开发屏蔽材料；培训教育和管理等。

2  电磁兼容的重要性

2.1  为了电子设备工作的可靠性

电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对电子设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电子设备的正常工作，甚至造成电子设备中的某些元器件损害。因此，对电子设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要注意电子设备不受周围电磁干扰而能正常工作，又要注意电子设备本身不对周围其它设备产生电磁干扰，影响其它设备正常运行。

2.2  为了电子设备的国际接轨

近来，电磁兼容性已由事后处理发展到预先分析、预测和设计。电磁兼容已成为现代工程设计中的重要组成部分。电磁兼容性达标认证已由一个国家范围向全球地区发展，使电磁兼容性与安全性、环境适应性处于同等重要地位。

例如，欧共体将产品的电磁兼容性要求纳入技术法规，强制执行89/336/EEC指令，规定从1996年1月1日起电气和电子产品必须符合电磁兼容性要求，并加贴CE标志后才能在市场销售。

为了与国际接轨，我国外经部和国家出入境检验局于1999年1月起对个人计算机、显示器、打印机、开关电源、电视机和音响设备实施电磁兼容性强制检测。国家技术监督局规定从2002年10月起陆续对声音和电视广播设备、信息技术设备、家用电器、电动工具、电源、照明电器、电点火驱动装置、金融结算电子设备、安防电子产品和低压电器实施电磁兼容性强制性认证。

2.3  为了人身和某些特殊材料的安全

电磁波通过与电爆装置的控制电路感应耦合，形成的干扰电流可能引起电爆装置的爆炸。因此GJB786中规定，电引爆器导线上的电磁干扰感应电流和电压必须小于最大不发火电流和电压的15％。另外，各种燃油在强电磁场的作用下（直接照射、电火花、静电放电）有发生燃烧和爆炸的危险；电磁能量通过对人体组织的物理化学作用会产生有害的生理效应。因此，为了人身和某些特殊材料的安全，GJB786中还规定，电子设备的电磁辐射量连续波的平均功率密度不允许超4mW/cm2，脉冲波的平均功率密度不允许超过2mW/cm2。

2.4  为了当今和未来战争的需要

核爆炸时产生的电磁脉冲，以光速向外辐射传播，其电场强度可达105V/m，磁场强度可达260A/m，脉冲宽度为20ns量级，电磁脉冲峰值处频率为105Hz。这种电磁脉冲作用于电子设备时，轻者造成电子设备性能恶化，重者造成电路元器件损坏。

特别是在当今和未来战争中，已经应用的电磁脉冲弹和正在研制的高功率微波武器都具有类似核爆炸时产生的电磁脉冲辐射，将对电子设备构成致命威胁。而电磁兼容可以为对抗这种威胁提供基本技术指导。

3  电磁兼容的设计思路

为了提高电子设备的电磁兼容能力，必须从开始设计时就给予电磁兼容性以足够的重视。电磁兼容的设计思路可以从电磁兼容的三要素，即电磁干扰源、电磁干扰可能传播的路径及易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件入手。也就是

1）首先，要充分分析电子设备可能存在的电磁干扰源及其性质，尽量消除或降低电磁干扰源的参数。

2）其次，要充分了解电磁干扰可能传播的路径，尽量切断其路径，或降低与电磁干扰耦合的能力。

3）最后，要充分认识易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件，尽量杜绝其接收电磁干扰的可能性。

据此，在设计时应采取相应对策，消除或部分消除可能出现的电磁干扰，以减轻调试工作的压力。在调试中，针对具体出现的电磁干扰，以及接收电磁干扰的电路和元器件的表现进行分析，以确定电磁干扰源所在及电磁干扰可能传播的路径，再采取相应的解决办法。

4  电磁兼容的具体实例

4.1  对电磁干扰源要有明确的认识

例如，某探测设备在探测元件无输入信号时，其放大器输出端的干扰信号峰峰值为50.8mV，远远超过该探测设备输出端最小探测信号电压峰峰值4.0mV的要求，致使整个设备无法正常工作。

该台探测设备的驱动电源采用直流斩波式方波交流电源，驱动螺线管电磁铁往复运动，由上可见，驱动电源的负载为感性的电磁线圈。对感性的电磁线圈采用直流斩波式方波交流电源供电，在斩波时将产生严重的电磁干扰。因为感性的电磁线圈中的电流变化必然产生感应电动势，电流变化越快，产生的感应电动势越大。这种感应电动势将会通过某种路径传导耦合到放大器的输出级，而成为严重的电磁干扰。

该台探测设备的驱动电源采用线性纯正弦波电源时，在探测元件无输入信号时，在放大器输出端最大探测信号电压峰峰值仅为4.4mV。而具有随机性质的噪声电压，其峰峰值最大为3.0mV。说明原来的干扰信号已被极大地消除，

从该项工作中，使我们体会到电磁干扰的严重性，对电磁干扰的认识仅停留在一般的水平上、泛泛地、全面地采取各种抗干扰措施也不一定见效，必须抓住主要矛盾。

再举一例，某电子设备，当打开电源开关时，其测量显示呈紊乱状态。究其原因，正是在电源开关时刻，电路由一种稳态转换到另一种稳态的过渡过程中，所出现的过电压、过电流所致。为此，采用一定容量和电压的氧化锌压敏电阻并联在电源上，便收到了较好的效果。这也说明对电磁干扰源有明确认识时，才能有的放矢地采取抗干扰措施，效果明显。

4.2  对电磁干扰可能的传播路径要有清楚了解

在核聚变科学研究中，将巨大的微波能耦合到等离子体中去，以提高核聚变物理参数。为此，需要高能大功率发射系统。其主电源脉冲电压达20kV，最大脉冲宽度30ms，最高脉冲功率2400kW。该电源通过电感储能，直流开断，脉冲整形等一系列环节，由微机控制来实现。

调试过程中，当电压达数kV时，系统便无法正常运行。轻则控制程序出错，重则程序全部被冲掉，更严重时微机芯片被烧损。由于对电磁干扰认识肤浅，盲目地采取各种措施，如重新布线，改善接地，增加电磁屏蔽和隔离等等，忙了几个月均不能根本解决问题，挫折迫使我们冷静了下来。在进行了科学分析后，认定必须要对幅度高达数kV，前后沿很陡的这一电磁干扰源有清楚了解，并对其可能传播的路径采取加强隔离措施。在对光电隔离器采用双重设计后，微机能稳定、可靠地工作了。

再举一例，在激光电源低功率调试中发现应交替导通的两个逆变开关IGBT的触发信号存在重迭现象，即有互相干扰。如果不消除这种干扰，可能发生主电路直通故障。基于以前积累的对电磁干扰可能的传播路径要有明确认识的工作经验，我们从逆变开关IGBT的触发端倒推，一级一级地检测触发信号，直到产生触发信号的TL494集成电路的两个输出端，发现这两个输出端的引线距离很近，且平行布线很远。通过分析表明，这种情况容易产生电容性耦合干扰，干扰的强弱与工作频率及两条引线之间的分布电容量有关。当我们将其中一条引线切断，用一条拉开很远距离的临时导线代用后，两个逆变开关IGBT的触发信号不再发生重迭现象了。

从该项工作中，使我们体会到对电磁干扰可能传播的路径有明确的认识，才能顺利地排除电磁干扰。否则将无从下手解决存在的电磁干扰问题。

4.3  对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件要进行重点保护

还是上述的第一个例子中，某探测设备在探测元件无输入信号时放大器输出端的干扰信号远远超过最小探测信号电压值，致使整个设备无法正常工作。

经过认真分析和实际测试，除了对电磁干扰源缺乏明确的认识和电磁干扰可能传播的路径缺乏清楚了解外，对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件也缺乏重点保护。为此对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件——传感器输入电路和前级放大电路主要采取两项电磁兼容性措施：

1）信号接地信号接地的主要目的是为了抑制电磁干扰，应当特别注意低电平电路、信号检测电路、传感器输入电路和前级放大电路的接地。

该探测设备的传感器输入电路、前级放大电路和末级放大电路的接地应该只设一个接地点，因为多个接地点会引入共地阻抗的干扰。而这个接地点的位置应当选择在保证地线中的电流流向为从小信号电路流向大信号电路，从而避免大信号电路的地线电流对小信号电路产生干扰。

2）屏蔽加强该探测设备的传感器输入电路和前级放大电路电磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。

电磁屏蔽设计时，一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，应以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。另外要注意屏蔽的完整性，如果屏蔽体不完整，将导致电磁场泄漏。

5  电磁兼容的设计方法

5.1  对电磁干扰源的设计方法

电磁干扰源的种类相当繁多，比如，自然的电磁干扰源包括：地球表面的最大磁场强度为52A/m、平均电场强度为130V/m，雷电的大气干扰，静电的电晕放电和宇宙噪声等等。人为的电磁干扰源包括：含有整流子的直流电机换向时产生的电弧和电流变化、电器开关动作时产生的电弧和电流变化，非线性元器件工作时产生的谐波，高频振荡器和无线电发送设备的电磁辐射，汽车点火系统，医疗用的超声波发生器，生活用的微波炉以及电磁脉冲等等。可以说电磁干扰源无处不在，下面仅讨论与我们相关的主要电磁干扰源。

5.1.1  供电电源

供电电源，常由于负载的通断过渡过程、半导体元器件的非线性，脉冲设备及雷电的耦合等因素，而成为电磁干扰源。

供电电源电磁兼容的设计方法为

1）采用交流电源滤波器

由于交流电源滤波器是低通滤波器，不妨碍工频电能的通过，而对高频电磁干扰呈高阻态，有较强的抑制能力。使用交流电源滤波器时，应根据其两端阻抗和要求的插入衰减系数选择滤波器的型式。要注意其承受电压和导通电流的能力，屏蔽与机壳要电气接触良好，地线要尽量短、截面足够大，进出线要远离，而且滤波器应尽量靠近供电电源。

2）交流电源变压器加静电屏蔽

由于电源变压器初、次级间存在分布电容，进入电源变压器初级的高频干扰能通过分布电容耦合到电源变压器的次级。在电源变压器初、次级间增加静电屏蔽后，该屏蔽与绕组间形成新的分布电容。将屏蔽接地，可以将高频干扰通过这一新的分布电容引入地，从而起到抗电磁干扰的作用。静电屏蔽应选择导电性好的材料，且首尾端不可闭合，以免造成短路。

3）脉冲电压的吸收

对脉冲电压的电磁干扰可以采用压敏电阻、固体放电管或瞬态电压抑制二极管来吸收。当脉冲电压吸收器件承受一个高能量的瞬态过电压脉冲时，其工作阻抗能立即降到很低，允许通过很大的电流，吸收很大的功率，从而将电压箝制在允许的水平内。

压敏电阻或固体放电管可应用于直流或交流电路。单向瞬态电压抑制二极管应用于直流电路，而双向瞬态电压抑制二极管应用于交流电路。使用脉冲电压的吸收器件时，应选择其额定电压略高于设备的最大工作电压，以保证无脉冲电压时，吸收器件的功耗最少；当有脉冲电压时，其箝位的电压应低于设备的最高绝缘电压，以保证设备的安全；其通流能力应大于脉冲电压所产生的电流。

4）直流电源的电磁兼容措施

——整流电路的高频滤波即在整流管上并联小电容（0.01μF）进一步滤掉从变压器进入的高频干扰。

——直流退耦即在直流电源和地之间并联2个电容，大电容（10～100μF）滤掉低频干扰，小电容（0.01～0.22μF）滤掉高频干扰。

5）电源的其它电磁兼容措施

——控制电路和功率电路采用分相供电或采用不同的电源供电；

——采用UPS（不间断电源）供电；

——采用电源电压监视集成电路。

5.1.2  暂态过程

暂态过程是由于电路机械触点的分合，负载的通断和电路的快速切换等导致电路电压或电流发生快速变化，而成为电磁干扰源。

暂态过程的电磁兼容设计方法为

1）电路机械触点的熄火花电路

电路机械触点的熄火花电路由电阻（R）和电容（C）串联组成。其原理是用电容转换触点分断时负载电感（L）上的能量，从而避免在触点上产生过电压和电弧造成的电磁干扰，最终由电阻吸收这部分能量。

电路参数计算如下：

R>2（L/C）1/2    （Ω）    （1）

C1=4L/R2   （μF）   （2）

C2=（Im/300）2L  （μF）   （3）

式中：R为电阻（Ω）；

L为负载电感（μH）；

Im为负载电感中的最大电流（A）；

C取C1、C2中大者。