電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計*

王連坡

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007)

1 引言

電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用和發(fā)展,必然導(dǎo)致它們在其周圍空間產(chǎn)生的電磁場電平的不斷增加,電子設(shè)備不可避免的在電磁環(huán)境中工作,因此,必須要解決電子設(shè)備在電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力。如果不解決好電子設(shè)備系統(tǒng)的電磁兼容性問題,整個系統(tǒng)將無法正常工作,所以電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計的重要性應(yīng)該得到我們的充分重視。電磁兼容性的研究是圍繞構(gòu)成電磁干擾的三要素進(jìn)行的,即干擾源、干擾傳輸途徑和干擾接受器。電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計主要包括:限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播以及增強敏感設(shè)備的抗干擾能力。

2 電子設(shè)備電磁兼容性

電磁兼容性是指器件、設(shè)備或系統(tǒng)在所處電磁環(huán)境中良好運行,并且不對其所在環(huán)境產(chǎn)生任何難以承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容涵蓋了電磁干擾和電磁敏感度。為實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備互不干擾、兼容運行,即要控制騷擾源的電磁發(fā)射,又要提高受騷擾對象的抗擾度。

電磁兼容性設(shè)計依據(jù)為系統(tǒng)內(nèi)電磁環(huán)境及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的電磁敏感度。設(shè)系統(tǒng)內(nèi)干擾源 N的作用功率為Pin(n=1,2,…),而被干擾設(shè)備M能夠承受的電磁干擾的容限為Prm(m=1,2,…),則干擾功率Pamn可用下式?jīng)Q定:

式中:Kimn干擾源N對被干擾源設(shè)備M 產(chǎn)生干擾作用的有效作用系數(shù);Kpmn干擾源N對被干擾源設(shè)備M產(chǎn)生干擾的耦合作用系數(shù);Ks mn被干擾源設(shè)備M對電磁干擾的敏感度。

當(dāng)干擾功率 Pamn大于受干擾設(shè)備的容限Prm時,就需要采取措施改善電磁兼容性。當(dāng) Pamn＞Prm時,可以采取措施減小干擾源作用功率Pin或減小干擾源對被干擾設(shè)備M的干擾的有效作用的成分(即減小Kimn),也可以采取措施降低干擾源 N對被干擾設(shè)備M產(chǎn)生干擾的耦合作用系數(shù)Kpmn,如減小耦合電容,減小耦合電感或切斷公共阻抗的耦合渠道;也可以采取措施降低被干擾設(shè)備 M的電磁干擾敏感度Ksmn或提高被干擾設(shè)備的承受干擾的容限Prm。

3 電磁干擾方式及傳播途徑

電磁干擾按干擾來源可分為自然騷擾源和人為騷擾源,兩種形式的電磁干擾都是影響電子設(shè)備電磁兼容性的主要因素,同時搞清電磁干擾的能源和傳播途徑是電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計的一項主要研究內(nèi)容。

3.1 內(nèi)部干擾

內(nèi)部干擾是指電子設(shè)備內(nèi)部各元器件之間的相互干擾,主要包括以下幾種情況:

1)工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產(chǎn)生漏電造成的干擾;

2)信號通過地線、電源和傳輸導(dǎo)線的阻抗互相耦合或?qū)Ь€之間的互感造成的干擾;

3)設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部某些元件發(fā)熱,影響元器件本身或者其它元器件的穩(wěn)定性造成的干擾;

4)大功率和高電壓部件產(chǎn)生的磁場、電場通過耦合影響其它部件造成的干擾。

3.2 外部干擾

外部干擾是指電子設(shè)備或系統(tǒng)以外的因素對線路、設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾,主要包括以下幾種情況:

1)外部高電壓和電源通過絕緣漏電對線路、設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾;

2)外部大功率設(shè)備在空間產(chǎn)生很強的磁場,通過互相耦合對電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾;

3)外部空間電磁波對電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾;

4)工作環(huán)境溫度不穩(wěn)定,引起電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部元器件參數(shù)改變造成的干擾;

5)由工業(yè)電網(wǎng)供電的設(shè)備和由電網(wǎng)電壓通過電源變壓器產(chǎn)生的干擾。

3.3 電磁干擾的傳播途徑

1)沿電源線或信號線傳輸?shù)碾姶膨}擾稱為傳導(dǎo)干擾。電子系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備之間或電子設(shè)備內(nèi)各單元之間存在各種連線,如電源線、信號互連線及公用地線等,這樣就有可能使一個設(shè)備(或單元電路)的電磁能量沿著這類導(dǎo)線傳輸?shù)脚徳O(shè)備或單元電路,造成干擾;

2)輻射干擾是指通過空間傳播的電磁騷擾。騷擾源的周圍空間可劃分兩個區(qū)域:緊靠騷擾源的區(qū)域稱作近場區(qū)或感應(yīng)場區(qū);距離大于λ/(2π)的區(qū)域稱作遠(yuǎn)場區(qū)或輻射場區(qū)。

4 電磁兼容性設(shè)計

干擾源、耦合途徑和感受器(敏感裝置)構(gòu)成了電磁干擾的三要素,三者缺一不可。電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計的目的是使電子設(shè)備既能抑制各類外來的干擾,使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作,同時又能減少電子設(shè)備本身對其它電子設(shè)備的電磁干擾。電磁兼容性設(shè)計內(nèi)容包括:限制干擾源的電磁發(fā)射、控制電磁干擾的傳播及增強敏感設(shè)備的抗干擾能力。

4.1 PCB設(shè)計

PCB是電子設(shè)備的基石,PCB的電磁兼容設(shè)計是設(shè)備電磁兼容設(shè)計的基石。PCB設(shè)計時,主要是在抑制傳導(dǎo)和輻射兩方面采取措施,減輕電磁騷擾產(chǎn)生的影響。電子設(shè)備PCB的電磁兼容設(shè)計,關(guān)鍵在于模擬和邏輯有源器件固有的電磁敏感特性,由于方波信號具有高階諧波成分,因此在數(shù)字電路設(shè)計時,應(yīng)在滿足產(chǎn)品設(shè)計要求的情況下,盡量選擇低的邊沿變化速度。除元器件選擇外,還要綜合運用去耦電容、鐵氧體端接、線路排布、地和電源設(shè)計等有效手段,增強去耦效果,優(yōu)化抗擾性能。

4.2 屏蔽設(shè)計

屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸?shù)囊环N措施。屏蔽體是用以阻止或減小電磁能傳輸而對裝置進(jìn)行封閉或遮蔽的一種阻擋層,它可以是導(dǎo)電、導(dǎo)磁、介質(zhì)的,或帶有非金屬吸收填料的。在設(shè)備的元器件和布局一定的前提下,屏蔽在電磁兼容性設(shè)計中就成為一項非常重要的內(nèi)容。在屏蔽設(shè)計時,重點考慮以下幾項措施:

1)屏蔽體材料的選取。屏蔽材料主要分為電屏蔽和磁屏蔽兩種,在電磁兼容性設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)設(shè)備的具體使用環(huán)境合理的選取屏蔽材料,常用金屬材料的相對電導(dǎo)率σr和相對磁導(dǎo)率ur見表1。

2)縫隙的電磁屏蔽設(shè)計。實踐證明,當(dāng)縫隙的最大線形尺寸等于干擾源半波長的整數(shù)倍時,縫隙的電磁泄漏最大,一般要求縫隙的最大線形尺寸小于λ/100波長,至少不大于λ/10波長?？p隙的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路如圖1所示。工程設(shè)計中,為減小縫隙的長度,主要采用了以下設(shè)計:

(1)合理布置螺釘;

(2)采用導(dǎo)電柔性介質(zhì)的屏蔽設(shè)計;

機械化插秧之前需要對栽插大田妥善處理，田面高度相差不得超過3 cm，確保農(nóng)田表面軟硬適中，不存在雜草和其他雜質(zhì)磚石。

(3)增大接觸面的屏蔽設(shè)計。

表1 常用金屬材料對銅的相對電導(dǎo)率σr和相對磁導(dǎo)率ur[2]

圖1 縫隙示意圖及其等效電路圖

3)孔洞的電磁屏蔽設(shè)計。電子設(shè)備因通風(fēng)散熱、調(diào)控軸、表頭安裝及連接電纜等不可避免的會開制一些孔洞,電磁能量經(jīng)孔洞泄漏,是屏蔽體屏蔽效能下降的重要原因之一。且屏蔽效果會隨著孔洞的增大而變小,一般來說,孔洞的尺寸應(yīng)小于λ/50,且不得大于 λ/20[3]。

4.3 接地技術(shù)

在電子設(shè)備中,接地是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段,其中包括接地點的選擇,電路組合接地的設(shè)計和抑制接地干擾措施的應(yīng)用等方面都應(yīng)全面考慮。以下為減小電磁干擾所采取的接地技術(shù)設(shè)計:

1)減少接地點之間電位差;

2)管形接地線;

3)保證接地線的電氣連接可靠性;

4)接地方式的選擇。在電子設(shè)備中有三種基本接地方式:懸浮地、單點接地和多點接地。單點接地適用于低頻,多點接地適用于高頻。一般來說,頻率在1MHz以下可采用單點接地方式,頻率高于10MHz應(yīng)采用多點接地方式,頻率在1MHz～10MHz之間,可以采用混合接地。

4.4 濾波技術(shù)

濾波技術(shù)是抑制電氣、電子設(shè)備傳導(dǎo)干擾的主要手段之一,也是提高電子設(shè)備抗傳導(dǎo)干擾能力的重要措施。電磁干擾濾波器可以顯著地減小傳導(dǎo)干擾電平,利用阻抗失配原理,使電磁干擾信號受到衰減。濾波器的安裝對其性能影響非常大,在使用濾波器時應(yīng)注意以下事項:

1)濾波器金屬殼與機箱殼必須保證良好面接觸,并將地線界好[4];

2)濾波器輸入線、輸出線必須拉開距離,切忌并行,以免濾波器效能降低;

3)濾波器的連接線以選用雙絞線為佳,它可有效消除部分高頻干擾信號;

4)濾波器的安裝位置應(yīng)選在電源入口處,以縮短輸入線在機箱內(nèi)的長度,減少輻射干擾。

4.5 合理布局

合理布局包括系統(tǒng)內(nèi)各單元之間的相對位置和電纜走線等,其基本原則是使感受器和干擾源盡可能遠(yuǎn)離,輸出與輸入端口妥善分隔,高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設(shè)。通過合理布局能使相互干擾減小到最小程度而費用又不多。

5 電磁兼容性預(yù)評估及建模

5.1 電磁兼容性預(yù)評估

電磁兼容的管理和計劃往往并不包括在電子設(shè)備或系統(tǒng)的設(shè)計中,目前比較流行的做法就是依賴傳統(tǒng)的設(shè)計實踐,在設(shè)計完成后,付出更高的代價來解決試驗中出現(xiàn)的電磁干擾問題。但隨著電磁干擾問題的影響范圍及程度的不斷增加,傳統(tǒng)的設(shè)計實踐已不再總能滿足電磁兼容要求,必須采取電磁兼容性預(yù)評估技術(shù)。

對電磁兼容預(yù)估應(yīng)在設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)一級設(shè)計時就盡可能早的加以考慮,然后在隨后的設(shè)計中不斷的改進(jìn)完善。電磁兼容預(yù)評估的主要目的可歸納為下列的一個或幾個:盡早使有問題的區(qū)域暴露出來,并據(jù)此使設(shè)計從經(jīng)濟(jì)上更為合算;縮短設(shè)備推向市場的周期等。

5.2 電磁兼容性計算機建模

電磁兼容性是一門非常復(fù)雜的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科,要想對某設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性預(yù)評估,必須先將該設(shè)備或系統(tǒng)簡化成一個比較簡單的數(shù)學(xué)模型。建模方法通常主要受制于頻率和被建模幾何體。用計算機程序來輔助電磁兼容性分析,不僅可以節(jié)省大量時間,還能盡可能減少計算誤差和加速計算進(jìn)程。計算機建模過程主要由以下五個步驟[5]:

1)幾何圖形描述的定義;

2)電氣描述的定義;

3)模型的有效性;

4)求解結(jié)果描述的定義;

5)輸出顯示。

不管使用什么類型的程序,必不可少的是要將計算結(jié)果與實際測量結(jié)果或根據(jù)工程經(jīng)驗得出的結(jié)果進(jìn)行比較,以檢查它們的一致性。

6 結(jié)語

電子設(shè)備在設(shè)計過程和實際應(yīng)用及維護(hù)的各階段,都充分地予以考慮和實施才是有效電子設(shè)備的電磁兼容控制策略,科學(xué)而先進(jìn)的電磁兼容工程管理是有效控制技術(shù)的重要組成部分。電子設(shè)備運行過程中各種干擾是隨機的,在設(shè)計之前應(yīng)對其進(jìn)行預(yù)評估,在設(shè)計過程中合理運用屏蔽、濾波、接地及合理布局等技術(shù),通過科學(xué)試驗檢驗設(shè)備的電磁兼容性,以其能夠?qū)Ω鞣N干擾進(jìn)行定位消除等。

[1]馮慈章,馬西奎.工程電磁場導(dǎo)論[M].北京:高等教育出版社,2002

[2]邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京:東南大學(xué)出版社,2005

[3]王連坡,茅文深.電磁屏蔽技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].艦船電子工程,2010,30(1)

[4]周旭.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004,7

[5]王守三,楊自佑,譯.電磁兼容原理與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006