淺議電子裝置存在的電磁兼容問(wèn)題

陳欣超 曾令優(yōu) 黃勇 葉瑀 陳朝霞

摘要：電子科學(xué)技術(shù)是指利用能源電子裝置對(duì)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換與管理的科學(xué)技術(shù)，由于能源電子裝置在電能轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用，能源電子裝置的高頻化與大容量化，以及逐漸形成的難以控制的寬帶接地裝置，對(duì)電網(wǎng)與周邊環(huán)境所帶來(lái)的電磁環(huán)境污染日益受到人們重視。電子裝置的電磁兼容問(wèn)題的處理不但關(guān)乎到電氣設(shè)備自身的正常工作，還關(guān)乎到其余電力設(shè)備的順利工作。該文重點(diǎn)總結(jié)了電子裝置中EMC特性，并剖析了當(dāng)前深入研究電子裝置中EMC問(wèn)題的方法與走向。

關(guān)鍵字：電磁兼容性;電子裝置;電磁影響;EMS

一、引言

電磁兼容性能（EMC）是指裝置或系統(tǒng)在其周圍電氣環(huán)境中符合設(shè)計(jì)要求運(yùn)行，而不對(duì)其周圍環(huán)境中的其他電子設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁輻射的能力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來(lái)越普遍應(yīng)用的微電子技術(shù)以及城市電氣化的建設(shè)逐漸進(jìn)行，從而產(chǎn)生了復(fù)雜多變的電磁環(huán)境，設(shè)備在接收其他電磁輻射的同時(shí)自己也成為一種干擾源。所以要同時(shí)深入研究設(shè)備的抗干擾與發(fā)射性。進(jìn)一步地深入研究與處理電磁環(huán)境中設(shè)備內(nèi)部及其系統(tǒng)之間相互作用所有關(guān)的問(wèn)題，也推動(dòng)著電磁兼容科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。

二、電子裝置中的EMC問(wèn)題特點(diǎn)

電子技術(shù)的使用范圍一直非常廣闊。不過(guò)，由于能源電子裝置的應(yīng)用與發(fā)展，也必將引起它在周圍環(huán)境中所形成的電磁場(chǎng)電平的進(jìn)一步擴(kuò)大，這就是說(shuō)，電力設(shè)備將必然的在電磁環(huán)境中工作。所以，應(yīng)該克服電子設(shè)備在電磁環(huán)境中的適應(yīng)能力，以克服電子裝置中的電氣兼容性問(wèn)題。

（一）電子裝置中的 EMI 問(wèn)題

電子裝置的電磁干擾行為的形成，必須符合以下三個(gè)必要條件：第一是干擾源;第二是擾動(dòng)的耦合途徑;三是影響敏感設(shè)備。三者共同組成了影響電氣設(shè)備正常運(yùn)行的三種基本要素。對(duì)能源或電子設(shè)備的電磁干擾產(chǎn)生因素主要有：

（1）電子設(shè)備設(shè)計(jì)的原因

電子儀表將朝著"輕、薄、短、小"和多用途、效率高以及成本低方面蓬勃發(fā)展。塑料機(jī)箱、塑膠部件及面板廣泛地使用在電子產(chǎn)品上，因此外界電磁波很易透過(guò)機(jī)殼及面板傳播，對(duì)儀器設(shè)備的工作形成了不利的影響，而儀器設(shè)備所產(chǎn)生的電磁波，又極易放射到附近空氣，影響其它電子產(chǎn)品的工作。從而使這些電子產(chǎn)品能達(dá)到電磁兼容性要求。

（2）二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾

高頻整流電路中的整流電路二極體在正向?qū)〞r(shí)會(huì)有很大的正電流流過(guò)，當(dāng)它受到反向偏電流影響而轉(zhuǎn)為截止時(shí)，因?yàn)镻N結(jié)中有比較多的少數(shù)載流子積聚，所以在少數(shù)載流子消失以前的一段時(shí)間內(nèi)，輸出電流就會(huì)反向流過(guò)，從而造成少數(shù)載流子消失以后的反向恢復(fù)，輸出電流急劇下降而引起了較大的輸出電流改變（di/dt）。開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)，會(huì)流過(guò)很大的脈沖電流。在使用零電壓、零電壓開(kāi)關(guān)時(shí)，這些諧波影響也會(huì)很小。此外，大功率開(kāi)關(guān)管在截止時(shí)間，因高頻變壓器繞組漏感所引起的電壓突變，也會(huì)形成尖峰影響。

（3）交流輸入回路產(chǎn)生的干擾

工頻變壓器的電源進(jìn)入端整流管，在反向恢復(fù)過(guò)程中會(huì)形成高頻衰減或者振蕩，形成影響。而電源系統(tǒng)所形成的尖峰干涉或者高頻諧波干涉等能量，經(jīng)由電源系統(tǒng)的輸入輸出總線傳遞出去，所形成的影響就叫做熱傳導(dǎo)影響;而形成諧波傳動(dòng)和寄生振蕩的電能，在經(jīng)由進(jìn)口或輸出線路傳遞時(shí)，都會(huì)在空中形成電場(chǎng)和磁場(chǎng)。而這些電流通過(guò)電磁輻射所形成的影響，叫做輻射干涉。

（二）電子裝置的 EMS 問(wèn)題

EMS技術(shù)方面，比較通訊控制系統(tǒng)，電子裝置的控制器一般門(mén)限電流更高、寬度也更大，這就很易于使人認(rèn)識(shí)為能源電子裝置的EMS問(wèn)題較比電氣通訊控制系統(tǒng)中的要更易于處理。但是，以下幾個(gè)事實(shí)使能源與電子設(shè)備的EMS相關(guān)問(wèn)題仍然不能忽略：

（1）存在著更大的噪聲強(qiáng)度。電子設(shè)備的噪聲壓力可以達(dá)幾百伏或者上千伏，而di/dt和du/dt則可以依次超過(guò)一百零三A/μs和104V/μs。

（2）由于電子裝置的大部分電磁輻射源在低功率集成電路組成部分，噪音頻率范圍相當(dāng)之廣尤其是在低頻區(qū)域內(nèi)能獲得幾赫茲的頻率范圍，這就導(dǎo)致了通過(guò)傳統(tǒng)方式如屏蔽和濾波器控制的電磁噪音傳播顯得相當(dāng)麻煩。

（3）電子設(shè)備的功率集成電路部分，與監(jiān)控電路板一般放置在同一個(gè)箱體中，并且有時(shí)運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)要求電子設(shè)備間采用幾十米長(zhǎng)度的線纜與其負(fù)荷連接，從而所產(chǎn)生的電磁干擾源和電氣噪音，敏感集成電路間的電氣噪音傳遞主要采用傳輸和近場(chǎng)耦合的方式。這些電氣空間和邊界條件上的不規(guī)則和復(fù)雜性，導(dǎo)致了電磁兼容設(shè)計(jì)工作顯得非常繁瑣。

三、電磁兼容設(shè)計(jì)的主要方法

電磁兼容工程設(shè)計(jì)的核心技術(shù)是對(duì)電磁干擾源的研制，從電磁干擾源處抑制其低頻電磁輻射是最治本的辦法。限制干擾源的發(fā)生，除從電磁干擾源形成的機(jī)制入手以減少其所形成電磁噪聲的電平之外，還須更普遍地使用遮蔽（包含阻隔）、過(guò)濾和接地等技術(shù)。

1.屏蔽與隔離

屏蔽層一般使用各類導(dǎo)電性建筑材料，通常制作為各類殼體并與大地連通，以切斷利用與空氣的靜電耦合、與電感耦合作用以及交變電磁場(chǎng)技術(shù)耦合作用所產(chǎn)生的電氣噪聲傳遞路徑。元件裝配時(shí)要求導(dǎo)熱性能較好的絕緣片加以絕緣，辦法就是通過(guò)在二個(gè)絕緣片中間夾著一遮蔽片，并將遮蔽片接入直流輸出上，從而切斷了射頻傳導(dǎo)干擾電流向輸入電網(wǎng)傳遞的路徑。采用電氣遮蔽的方式加工成的遮蔽罩可以有效控制由開(kāi)關(guān)供電所產(chǎn)生的輻射，以及電氣擾動(dòng)對(duì)一些電子設(shè)備元件產(chǎn)生的危害。電源的某個(gè)組成部分通過(guò)和大地連通可達(dá)到抑制干擾的效果。隔斷技術(shù)一般利用繼電器開(kāi)關(guān)、屏蔽變壓器系統(tǒng)或電光隔離器等元件，來(lái)截?cái)嘁噪姎庠肼暤膫鲗?dǎo)形式的傳遞路徑，其優(yōu)點(diǎn)是把二個(gè)部分電路的接地線系統(tǒng)隔絕起來(lái)，從而切斷了利用電阻進(jìn)行耦合的可能性。

2.濾波

濾波電路，是在頻譜區(qū)域上處理電磁噪音的技術(shù)，給電磁噪音創(chuàng)造了一個(gè)可以降低阻抗的通道，以達(dá)到抑制電磁輻射干擾的目的。因此，電源濾波器對(duì)五十Hz的電源頻譜呈高阻抗，但對(duì)電磁噪聲頻率則呈低阻抗。

3.接地

接觸，是指透過(guò)在系統(tǒng)的某些選定地點(diǎn)和某些連結(jié)地面之間形成導(dǎo)電的低電流的通道，將體系中元素的零電勢(shì)值相互連接開(kāi)來(lái)，然后再將它們?cè)谝黄鸷湍承┑葍r(jià)于"地"的基準(zhǔn)點(diǎn)連接起來(lái)。具體方法應(yīng)該把理想化的接地體視為一個(gè)零電位、零輸入電流的物理實(shí)體，看作與各相關(guān)電路中信號(hào)電平相同的參考點(diǎn)，任何不要求的輸入電壓經(jīng)過(guò)它都不形成電壓降。這樣，當(dāng)出現(xiàn)直接雷電的電磁感應(yīng)時(shí)，則可防止對(duì)電氣設(shè)備的破壞;當(dāng)工作頻段交流電源的輸入電壓，由于絕緣不足或其它因素而直接與外殼相連時(shí)，就可減少作業(yè)人員的觸電事件發(fā)。目前基本連接技術(shù)主要有浮地、單點(diǎn)連接、一點(diǎn)連接和混合連接等四類。

結(jié)論：一個(gè)設(shè)計(jì)理想中的電子設(shè)備或系統(tǒng)必須既不輻射任何不想要的能量，也必須不受到其他不想要有的電能的影響。但是因?yàn)殡姎饧夹g(shù)使用比較普遍，以及對(duì)各種干擾性電子設(shè)備的輻射很復(fù)雜，要徹底減少對(duì)電子設(shè)備操作是不可能的。不過(guò)，按照電磁兼容性原理，可通過(guò)多種技術(shù)措施降低對(duì)電子設(shè)備操作，將接地裝置限制在規(guī)定范圍內(nèi)，從而保證了系統(tǒng)或裝置的可靠性。在電子科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，怎樣突破了以往在開(kāi)展電磁兼容性設(shè)計(jì)研究時(shí)的經(jīng)驗(yàn)法和嘗試法，使電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)逐步步入新的系列化設(shè)計(jì)的軌道上，是國(guó)內(nèi)外研究者所面對(duì)的重點(diǎn)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬秀麗.電子裝置電磁兼容研究最新進(jìn)展[J].電子元器件與信息技術(shù)，2020，4（03）：139-140+147.

[2]曹敏，柯睿，陳鄭，程富勇，秦澔澔，朱弘釗.濾波器對(duì)電能表檢定裝置電磁兼容性能的影響[J].電器與能效管理技術(shù)，2015（22）：27-30+58.

[3]陳炳榛.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的電磁兼容設(shè)計(jì)方法研究[J].電子測(cè)試，2021（19）：116-118.

[4]厲旭冉，滿志平.某電子設(shè)備電磁兼容性問(wèn)題的解決方法[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（13）：93-95.

[5]劉德啟.電子測(cè)量中電磁兼容問(wèn)題研究[J].電子制作，2016（06）：86.