電子產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)與實(shí)用經(jīng)驗(yàn)

王宇翔

（湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

1 引言

電磁干擾與電子產(chǎn)品的抗干擾能力，既是一對(duì)難解難分的冤家對(duì)頭，又是相互關(guān)連的矛盾統(tǒng)一體。一方面，電子產(chǎn)品的日益普及使電磁干擾日益嚴(yán)重；另一方面，電磁干擾又對(duì)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。其核心問(wèn)題是如何確保電子產(chǎn)品(含電子儀器設(shè)備、家用電器)在復(fù)雜的電磁環(huán)境中能夠正常工作并達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

國(guó)際電工委員會(huì) （IEC） 為電磁兼容性（EMC）所下的定義為： “電磁兼容性是電子設(shè)備的一種功能，電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能完成其功能，而不產(chǎn)生不能容忍的干擾”。這里講的電磁環(huán)境是指存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象的總和。這表明電磁兼容性具有兩層含義：第一，電子產(chǎn)品應(yīng)具有抑制外部電磁干擾的能力；笫二，該電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)低于限度，不得影響同一電磁環(huán)境中其它電子設(shè)備的正常工作。顯然，電磁兼容性要比單純地講抗干擾能力的意義更深遠(yuǎn)。

電磁兼容性在軍事上具有重要意義。例如：在英阿馬島之戰(zhàn)中，英國(guó)的謝菲爾徳導(dǎo)彈驅(qū)逐艦就因未解決好電磁兼容性問(wèn)題，為保證遠(yuǎn)程通信不受干擾而暫時(shí)關(guān)閉了雷達(dá)系統(tǒng)，結(jié)果被阿根廷飛機(jī)發(fā)射的飛魚(yú)式導(dǎo)彈擊中，艦毀人亡。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，多國(guó)部隊(duì)亦抓住伊拉克雷達(dá)通信網(wǎng)抗干擾能力差的致命弱點(diǎn)，首先使之癱瘓，然后占據(jù)了制空權(quán)。

電磁干擾的危害性極大。表1列出能夠損壞電子元器件的脈沖能量。此外，電磁輻射能引爆電起爆裝置、彈藥厙，并會(huì)對(duì)人體造成危害。我國(guó)制定的微波輻射人體的安全限度為0.025～0.05 mW/cm2。另外，飛機(jī)上應(yīng)嚴(yán)禁使用手機(jī)，以免干擾導(dǎo)航系統(tǒng)，危及飛行安全。歐共體于1996年規(guī)定電子設(shè)備 （包括電器、電子儀器設(shè)備）必須進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)。1997年又規(guī)定只有權(quán)威機(jī)構(gòu)嚴(yán)格試驗(yàn)并取得CE認(rèn)證的電子產(chǎn)品，才有資格進(jìn)入歐洲市場(chǎng)銷(xiāo)售。

表1 能損壞電子元器件的脈沖能量mJ

2 電磁兼容性的研究領(lǐng)域

其研究領(lǐng)域主要包括電磁干擾的產(chǎn)生與傳輸，電磁兼容性的設(shè)計(jì) （含制定標(biāo)準(zhǔn)）、電磁干擾的診斷與抑制、電磁兼容性的測(cè)量與試驗(yàn)。僅以電磁干擾源為例，它所研究的對(duì)象如下：

3 電磁兼容性的設(shè)計(jì)

3.1 電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)外制定的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)己達(dá)上百種。具有代表性的如 “電磁兼容性名詞術(shù)語(yǔ)” （IEC 50—161）， “系統(tǒng)電磁兼容性要求” （MIL—E—6051D）， “電磁干擾特性的測(cè)量” （MIL—STD—462）， “無(wú)線電干擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范” （CISRR 16—1—1993）。 我國(guó)也陸續(xù)制定了有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，例如： “電磁兼容術(shù)語(yǔ)” （GB/T 4365—1995）， “電磁干擾和電磁兼容性術(shù)語(yǔ)” （GJB 72—85）， “無(wú)線電干擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備規(guī)范 （GB/T 6113—1995）”，電動(dòng)工具、家用電器和類(lèi)似器具無(wú)線電干擾特性的測(cè)量方法和允許值 （GB 4343—84）。例如：在GB 4343中規(guī)定的家用電器連續(xù)干擾電壓允許值見(jiàn)表2。這些標(biāo)準(zhǔn)的頒布與實(shí)施，為實(shí)現(xiàn)電磁兼容性奠定了基礎(chǔ)。

表2 家用電器連續(xù)干擾電壓允許值

3.2 電磁兼容性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電磁兼容性的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。首先應(yīng)掌握有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，然后根據(jù)實(shí)際的電磁環(huán)境情況提出具體的要求，進(jìn)而制定技術(shù)和工藝上的實(shí)施方案。在設(shè)計(jì)電子儀器設(shè)備時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮電路設(shè)計(jì)、印制板設(shè)計(jì)、隔離、退耦、濾波、接地以及屏蔽等問(wèn)題。舉例說(shuō)明，設(shè)計(jì)電路時(shí)可以直選噪聲容限高、抗干擾能力強(qiáng)的CMOS電路來(lái)代替TTL電路；用無(wú)觸點(diǎn)的固態(tài)繼電器 （SSR）取代電磁繼電器。增加消噪電路，防止產(chǎn)生自激振蕩。對(duì)于從電源線引入戓輻射出去的電磁干擾，應(yīng)在電源進(jìn)線端加裝電源噪聲濾波器 （PNF）。對(duì)機(jī)內(nèi)干擾可視不同的情況而選用低通、高通、帶通濾波器戓有源濾波器。利用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離及阻抗變換。在構(gòu)成測(cè)控系統(tǒng)時(shí)可選電磁兼容性良好的VXI總線儀器系統(tǒng)，應(yīng)選擇合適的接地方式和接地點(diǎn)，以減小電磁干擾。

利用屏蔽能有效地防止機(jī)外干擾，并限制機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)的泄漏。常見(jiàn)的屏蔽有3種：電磁屏蔽、靜電屏蔽和磁屏蔽。其中，電磁屏蔽用于阻止高頻電磁能量在空間的傳輸，一般選對(duì)電磁波有明顯的衰減作用、導(dǎo)電性能良好的金屬材料來(lái)制成屏蔽層、屏蔽罩戓屏蔽體。為加強(qiáng)屏蔽效果，精密電子儀器（例如電荷放大器）可設(shè)計(jì)成雙層屏蔽甚至三層屏蔽。磁屏蔽用于減小因外部磁變化而產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)及感生電流。低頻磁屏蔽可選用導(dǎo)磁良好的鐵磁性物質(zhì)而制成。射頻磁屏蔽則由金屬導(dǎo)體制成，利用渦流來(lái)抑制外磁場(chǎng)的影響。

要抑制電路的共模和差模輻射，線對(duì)地所形成的高頻電壓而產(chǎn)生的輻射，被稱(chēng)為共模輻射。共模輻射是由于電流繞經(jīng)印制板的多個(gè)導(dǎo)電層，導(dǎo)致印制回路的電感增大，電容減小，使阻抗大大增加，從而增大電磁輻射，導(dǎo)致了共模干擾。即電流流經(jīng)高阻抗路徑產(chǎn)生的電磁場(chǎng)所形成的。共模電流的特點(diǎn)是這些導(dǎo)體中的電流沒(méi)有形成閉合回路，而是以棒天線向空間輻射電磁場(chǎng)的方式產(chǎn)生共模電流 (如圖1所示)。值得注意的是，不僅在印制電路板電路中，而且在電源饋線及其它電纜中，甚至在屏蔽層中也能產(chǎn)生共模電流。

圖1 共模發(fā)射 (電流流經(jīng)高阻抗路徑，如開(kāi)路)

共模輻射是印制板電路設(shè)計(jì)中最值得注意的問(wèn)題，抑制共模干擾應(yīng)減小回路阻抗，正確處理電源回路、旁路和去耦，也可以衰減共模干擾。

通常稱(chēng)線對(duì)線的輻射為差模輻射，當(dāng)信號(hào)從源流向負(fù)載時(shí) (如圖2所示)就會(huì)產(chǎn)生差模輻射干擾。流經(jīng)負(fù)載的電流會(huì)在線上產(chǎn)生與等值方向相反的電流。差模電流的抑制主要是減小回路的面積，要求信導(dǎo)線與地回線靠近走線。

圖2 差模發(fā)射 （從源輸出到負(fù)載所構(gòu)成的回路）

4 電磁兼容性設(shè)計(jì)實(shí)用經(jīng)驗(yàn)

4.1 電源使方面

有些電源通斷的一瞬間會(huì)對(duì)小功率電子設(shè)備造成損害，對(duì)附近的電子設(shè)備形成干擾。例如：顯示器附近有電源設(shè)備時(shí)，有時(shí)開(kāi)關(guān)電源設(shè)備的一瞬間會(huì)導(dǎo)致顯示器閃一下，如果電源功率較大或靠得太近，而顯示器屏蔽效果又達(dá)不到要求，顯示器就會(huì)出現(xiàn)波紋，影響使用。解決方法是：電源設(shè)備加裝屏蔽層，釆取有效的接地措施，電源線也應(yīng)帶屏蔽層，顯示器等易受干擾的設(shè)備應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電源。

4.2 信號(hào)傳輸方面

信號(hào)在傳輸過(guò)程中由于線纜過(guò)長(zhǎng)、過(guò)細(xì)，絕緣性能不好，沒(méi)有采取有效的屏蔽、接地措施，信號(hào)傳輸就會(huì)受到干擾，特別是正電平信號(hào)受干擾的影響較大。解決方法有：

1）信號(hào)采用負(fù)電平傳輸；

2）容易相互干擾的信號(hào)分開(kāi)傳輸；

3）高頻信號(hào)單獨(dú)采用同軸電纜傳輸；

4）模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)分開(kāi)傳輸；

5）同類(lèi)信號(hào)可采取一根電纜傳輸 （內(nèi)部可采用一根信號(hào)線附近一根地線的接線形式）；

6）盡量采用帶有屏蔽層的電纜，屏蔽層接地，線纜的絕緣性能要好；

7）正確使用雙絞線可起到消除電磁干擾的作用，通常網(wǎng)絡(luò)線纜都是釆用雙絞線的形式。信號(hào)的傳輸可使用雙絞線的形式，通常采用藍(lán)白雙絞，藍(lán)色線接信號(hào)白色線接地，信號(hào)線和地線相鄰；

8）信號(hào)線遠(yuǎn)離電源線，對(duì)于無(wú)法遠(yuǎn)離的則要加裝金屬隔板；信號(hào)線應(yīng)盡量短，粗細(xì)應(yīng)合適；

9）數(shù)字信號(hào)受到干擾產(chǎn)生毛刺，可根據(jù)毛刺幅度大?。ㄟx用合適電容值電容，一般幾十pf至幾百pf）采用電容濾波的方法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。

如果毛刺太大，用電容濾波的方法效果不理想，最好釆用數(shù)字邏輯電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，如D觸發(fā)器。觸發(fā)器使用數(shù)目視輸入受干擾信號(hào)的脈沖寬度而定，要保證整形后的信號(hào)一定比輸入信號(hào)寬才能達(dá)到消除前后沿毛刺的目的。這種方法效果顯著、可靠。

4.2 地線使用方面

地線在解決干擾問(wèn)題方面起著非常關(guān)鍵的作用。地線過(guò)細(xì)、布局不合理等都會(huì)影響到抗干擾的效果。電子設(shè)備都涉及到接地問(wèn)題，電子設(shè)備在設(shè)計(jì)階段都會(huì)制定接地規(guī)范，以保障設(shè)備能夠正常工作。地線粗、接地面積盡量大是基本原則。大型電子設(shè)備采用分層、逐級(jí)接地的方法可起到良好的抗干擾效果。

4.3 屏蔽措施

屏蔽技術(shù)可以起到抑制外部電磁感應(yīng)干擾的作用，釆取有效的屏蔽措施是減少電磁干擾的重要手段。屏蔽是指用屏蔽體把通過(guò)空間進(jìn)行電場(chǎng)、磁場(chǎng)戓電磁場(chǎng)耦合的部分隔離開(kāi)來(lái)，割斷其空間場(chǎng)的耦合通道；良好的屏蔽是和接地緊密相連的，因而可以大大降低噪聲耦合，取得較好的抗干擾效果。

屏蔽的方法通常是用低電阻材料做成屏蔽體，把需要隔離的部分包圍起來(lái)，起到隔離作用；被隔離的部分既可以是干擾源，也可以是易受干擾的部分。這樣，既屏蔽了被隔離部分向外施加干擾，也屏蔽了被隔離部分接受外來(lái)的干擾。

4.4 印制電路板布線方面

保證電子設(shè)備的設(shè)計(jì)成功在印制板布線階段所采取的抗干擾措施非常重要，主要措施如下：

a）采用大規(guī)模集成電路，減少器件數(shù)量及信號(hào)走線。

b）合理布局，縮短走線及器件間的串?dāng)_，盡量把相互間有關(guān)聯(lián)的器件放在一起。

c）集成芯片的輸入／輸出信號(hào)匹配驅(qū)動(dòng)，輸入、輸出信號(hào)加驅(qū)動(dòng)電路 （如74HC244戓74HC245）和匹配電阻。各輸入端一律不得懸空，不用的輸入端也應(yīng)接合適的固定電平?？刂贫酥奔悠秒娮?（上拉戓下拉電阻），避免無(wú)控制信號(hào)時(shí)引入外界干擾。單片機(jī)閑置的I/O端應(yīng)定義成輸出狀態(tài)。每個(gè)集成芯片的每組電源與地之間跨接0.1 μf左右的陶瓷電容，可起到集成電路的去耦作用。電源、地的孔距與電容的長(zhǎng)度差不多，以便使電容的跨接長(zhǎng)度最短。電路板入口處電源與地之間應(yīng)安裝22 μf左右的大容量電解電容和0.1 μf左右的小容量非電解電容，這可起到電源去耦作用 （大容量電解電容去低頻干擾部分，小容量非電解電容去高頻干擾部分）。多層印制電路板釆用大面積地線設(shè)計(jì)，地線單獨(dú)放在一層；凡是沒(méi)有焊孔、過(guò)孔的地方都布成地，最大限度地增加接地面積，增強(qiáng)抗干擾能力；模擬地、數(shù)字地分開(kāi)。電源與地線應(yīng)盡量地粗一些，以減小導(dǎo)線阻抗，必要時(shí)可設(shè)計(jì)成地線區(qū)域。

d）印制板上的布線要合理，減少信號(hào)的交叉干擾。印制導(dǎo)線需拐彎時(shí)，盡量采用45°折線或圓角線，不要用90°折線。時(shí)鐘振蕩器應(yīng)緊靠使用時(shí)鐘信號(hào)的電路。模擬電路與數(shù)字電路的引線不要交叉。功率器件應(yīng)布置在印制板一側(cè)并靠近邊上。高頻、視頻等易受干擾又易產(chǎn)生干擾的信號(hào)采用屏蔽線，印制板走線越短越好，相同性質(zhì)的信號(hào)放在同一層，易相互干擾的信號(hào)放在不同層，信號(hào)走線保持一定的間距。

e）在設(shè)計(jì)大功率單片開(kāi)關(guān)電源時(shí)，必須把信號(hào)地與功率地線分開(kāi)布置，最后在輸出端匯合。這是因?yàn)楣β实鼐€上有大電流通過(guò)，它在印制導(dǎo)線上形成的電壓，勢(shì)必會(huì)影響穩(wěn)壓性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

電磁兼容性設(shè)計(jì)及其指標(biāo)是衡量電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要標(biāo)志，應(yīng)該引起我們工作的高度重視。在工程實(shí)踐中所采用的設(shè)計(jì)方法，因?yàn)榭刹捎玫姆椒凹夹g(shù)手段很多，需要具體問(wèn)題具體分析，必要時(shí)還應(yīng)該做針對(duì)性試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

[1]全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南 [M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

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[3]薛萍冰.電子系統(tǒng)中抗干擾技術(shù)的實(shí)用經(jīng)驗(yàn) [J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2008，27（8）：21-23.

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