電磁兼容危害分析及整改措施

梁樂(lè)波 李榮躍 楊天福 丁協(xié)賓

摘? 要：電磁兼容主要解決的是2個(gè)方面的問(wèn)題，電磁騷擾（EMI）和抗電磁干擾（EMS）。所謂EMI是指產(chǎn)品自身運(yùn)行中不對(duì)其他系統(tǒng)或產(chǎn)品產(chǎn)生危害的干擾；而EMS是指產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中不受周圍電磁環(huán)境的影響，并且能夠完成預(yù)定的功能。無(wú)論是產(chǎn)品工作對(duì)其他系統(tǒng)的危害還是受到周圍環(huán)境對(duì)自身的影響，如果不采取相應(yīng)的措施，輕則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品工作異常，而嚴(yán)重的情況將會(huì)導(dǎo)致重大的事故，因此需要解決電磁兼容中存在的問(wèn)題。該文首先介紹EMI以及EMS原理及傳導(dǎo)方式，說(shuō)明EMI及EMS之間的關(guān)系；隨后，通過(guò)相關(guān)案例介紹電磁的危害以及后果；根據(jù)電磁危害的方式，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)及整改措施，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、整改提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；電磁干擾；危害；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；整改措施

中圖分類號(hào)：TN03? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）05-0141-04

Abstract： Electromagnetic compatibility mainly solves two problems： EMI and EMS. The so-called EMI refers to the interference that does not harm other systems or products in the operation of the product itself， while EMS means that the operation of the product is not affected by the surrounding electromagnetic environment and can complete the predetermined function. Whether it is the harm of product work to other systems or the impact of the surrounding environment on itself， serious cases will lead to major accidents if no corresponding measures are taken， and the light work will lead to abnormal product work. Therefore， it is necessary to solve the problems in electromagnetic compatibility. This paper first introduces the principle and conduction mode of EMI and EMS， and explains the relationship between EMI and EMS， then introduces the harm and consequence of electromagnetic through relevant cases， and puts forward the corresponding design and rectification measures according to the way of electromagnetic hazard， so as to provide reference basis for product design and rectification.

Keywords： electromagnetic compatibility; electromagnetic interference; harm; product design; rectification measures

隨著通信技術(shù)的提升、智能化的發(fā)展，越來(lái)越多的電子控制技術(shù)、人工智能技術(shù)投入到各行各業(yè)，而這些高速通信、先進(jìn)的控制及智能處理，都是以電子板卡作為母體進(jìn)行各種運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各種功能。5G通信的高速數(shù)據(jù)處理、人工智能的大量運(yùn)算會(huì)帶來(lái)巨大的吞吐量，將會(huì)產(chǎn)生大量的電磁兼容性問(wèn)題，因?yàn)樵诩韧?G以下的通信技術(shù)及數(shù)據(jù)處理以及相關(guān)常用的設(shè)備，都會(huì)衍生電磁兼容性問(wèn)題。張晨等[1]按照GB/T 32960.2—2016《電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 第2部分：車載終端》對(duì)某車載終端的電源線進(jìn)行電瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度及輻射發(fā)射檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，裝置或系統(tǒng)在施加騷擾期間和之后均不能正常執(zhí)行預(yù)先設(shè)計(jì)的所有功能；吳小春等[2]對(duì)某驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，電源線傳導(dǎo)發(fā)射不合格以及電磁輻射測(cè)試出現(xiàn)超標(biāo)頻率點(diǎn)的問(wèn)題；朱寶杰等[3]對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行電磁測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電源線傳導(dǎo)發(fā)射在指定頻率范圍內(nèi)超出限值的50%，同時(shí)電纜及互連線的輻射干擾場(chǎng)在100～6 000 MHz的頻率范圍內(nèi)均有不同程度超標(biāo)；傅林[4]在使用某通信車短波電臺(tái)呼叫時(shí)，電話機(jī)能夠聽(tīng)到幾乎無(wú)衰減的話音，造成話機(jī)不能夠正常工作，經(jīng)過(guò)檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)是由于交換機(jī)造成場(chǎng)線耦合干擾導(dǎo)致；馬方馳等[5]在車載娛樂(lè)系統(tǒng)的電磁測(cè)試發(fā)現(xiàn)，RE測(cè)試出現(xiàn)頻率超標(biāo)以及RI測(cè)試揚(yáng)聲器在1.3～1.5 GHz中無(wú)輸出。

電磁干擾問(wèn)題存在于我們生活中的方方面面，電磁干擾可以導(dǎo)致產(chǎn)品自身的功能失效，而某些產(chǎn)品的功能在執(zhí)行某些任務(wù)時(shí)出現(xiàn)失效會(huì)導(dǎo)致重大安全及人員的危害。因此，從電磁干擾產(chǎn)生的原理到傳導(dǎo)方式，分析及設(shè)計(jì)相應(yīng)的整改措施，為產(chǎn)品的電磁兼容性提供指導(dǎo)。

1? 電磁兼容原理及傳導(dǎo)方式

電磁兼容（EMC）主要包括2個(gè)方面的要求[6]，分別是電磁騷擾（EMI）和抗電磁干擾（EMS）。EMI主要是指產(chǎn)品自身在工作的時(shí)候?qū)χ車沫h(huán)境所產(chǎn)生的電磁噪聲。一般根據(jù)產(chǎn)品類型、使用范圍等，會(huì)制定相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)去規(guī)定產(chǎn)品的EMI不能超過(guò)某些限值。一般主要研究以下幾種電磁騷擾：①以線纜為傳導(dǎo)途徑的騷擾方式，主要通過(guò)產(chǎn)品的電源線、信號(hào)線、通信線及控制線等的傳導(dǎo)途徑向外產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾；②通過(guò)電磁效應(yīng)導(dǎo)致，一般通過(guò)空間電磁場(chǎng)向外產(chǎn)生的輻射騷擾；③接入電網(wǎng)的產(chǎn)品在開(kāi)機(jī)和關(guān)閉的過(guò)程中由于感抗或容抗效應(yīng)對(duì)接電網(wǎng)絡(luò)衍生出諧波、電壓波動(dòng)、閃爍等。

EMS又指電磁敏感性，是指產(chǎn)品工作過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的電磁騷擾產(chǎn)生一定的抗干擾的能力。而評(píng)價(jià)產(chǎn)品的是否具有抗干擾能力，要依據(jù)產(chǎn)品具體的使用環(huán)境、產(chǎn)品自身的功能性能、工作方式等方面去評(píng)估。而應(yīng)對(duì)的電磁的干擾主要是以下幾個(gè)方面：①抵抗從產(chǎn)品電源線、信號(hào)線、通信線以及控制線作為傳導(dǎo)途徑的外來(lái)干擾；②抵抗其他產(chǎn)品周圍環(huán)境存在電磁場(chǎng)導(dǎo)致的輻射騷擾；③由于外界的靜電放電對(duì)產(chǎn)品本身帶來(lái)的電磁干擾。

EMI和EMS分別指產(chǎn)品自身的對(duì)外界的干擾以及自身可以承受的干擾能力，電磁兼容主要解決的就是各種電氣設(shè)備在同一個(gè)環(huán)境中相互兼容，同時(shí)做到互不影響。而無(wú)論是EMI還是EMS，主要包括電磁傳導(dǎo)、電磁感應(yīng)和電磁輻射3種方式[7]。傳導(dǎo)指從任何可接觸的部位，如產(chǎn)品的線纜，板卡的管腳等；而電磁感應(yīng)是指電是指因磁通量變化產(chǎn)生的干擾，如產(chǎn)品中的感性效應(yīng)；電磁輻射主要是周圍環(huán)境的電磁場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品自身的干擾。無(wú)論是何種方式的電磁干擾，都需要通過(guò)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及整改進(jìn)行完善，進(jìn)而達(dá)到與周圍環(huán)境的兼容合一。

2? 電磁危害及相關(guān)研究

電磁的危害存在于生活中的方方面面，隨著5G等快速通信技術(shù)發(fā)展，電磁的危害愈發(fā)嚴(yán)重。而電磁的影響主要與電子產(chǎn)品相關(guān)，本文從與電磁干擾密切相關(guān)的通信領(lǐng)域，與人出行相關(guān)的智能交通，與健康相關(guān)的醫(yī)療器械等幾個(gè)方面對(duì)電磁的危害進(jìn)行闡述。

2.1? 通信相關(guān)電磁危害研究

通信領(lǐng)域使用最多的是通信設(shè)備，如手機(jī)、基站等，這些主要是射頻相關(guān)的電磁特性。陳恒勤等[8]在文章中說(shuō)明，世界各國(guó)對(duì)移動(dòng)通話的電波頻率及功率在動(dòng)物和人體細(xì)胞的培養(yǎng)基上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，研究表明無(wú)線電波能使遺傳分子DNA破裂成幾部分，引起皮膚癌或腦癌、早期老年癡呆癥、白內(nèi)障等疾?。徊⑶艺f(shuō)明射頻電磁波主要是通過(guò)熱效應(yīng)使器官的溫度產(chǎn)生變化，導(dǎo)致病變以及非熱效應(yīng)引起的神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂等。因此，電磁干擾在某種程度上，對(duì)人體健康還是有一定的影響。溫伯銀[9]在文中闡述了信息通信中由于諧波電壓、諧波電流和電磁干擾使電能質(zhì)量迅速惡化，而這些干擾中尤其以電源產(chǎn)生的干擾最為突出，表1列出常見(jiàn)的電磁干擾類型及起因。

絕大部分是使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸與控制，而計(jì)算機(jī)經(jīng)常以三相供電系統(tǒng)中的中性線電壓為相對(duì)零點(diǎn)，當(dāng)中性線上承受諧波類的電磁干擾時(shí)，中性導(dǎo)線的阻抗會(huì)產(chǎn)生大的中性線電壓降，出現(xiàn)零點(diǎn)漂移。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在有諧波干擾時(shí)出現(xiàn)程序錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤、時(shí)序措施、無(wú)故重啟，甚至對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

2.2? 交通領(lǐng)域電磁危害研究

目前，國(guó)內(nèi)交通出行方式眾多，包括汽車、軌道、飛機(jī)等等。隨著智能化的發(fā)展，這些交通工具增加了更多的電控設(shè)備，同時(shí)也帶來(lái)了更多的電磁隱患。張劍鋒[10]對(duì)ZPW 2000A軌道電路系統(tǒng)產(chǎn)生的EMI及其危害進(jìn)行了分析，ZPW 2000A軌道電路系統(tǒng)與其他的軌道信號(hào)系統(tǒng)處在同一個(gè)工作環(huán)境中，并且其中的列控系統(tǒng)、集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和電源屏都和ZPW 2000A相連，軌道電路的EMI處理不當(dāng)，可通過(guò)通信線纜將干擾傳遞到列控，使得軌道鐵路和列控之間的數(shù)據(jù)包會(huì)被列控認(rèn)為是無(wú)效數(shù)據(jù)而被丟棄，影響列車正常運(yùn)行；劉少林[11]在文中介紹了城市軌道交通變電所的電磁危害，分析了城市軌道交通電磁干擾的來(lái)源。變電所內(nèi)部的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等高壓設(shè)備在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，由于負(fù)載的感性或容性效應(yīng)，會(huì)在通過(guò)負(fù)載時(shí)產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓或電流，這種突變電流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，對(duì)周圍的電子設(shè)備帶來(lái)電磁騷擾；同時(shí)變電所中的二次設(shè)備電壓布線集中，當(dāng)元器件及布線未增加電磁屏蔽措施，造成強(qiáng)弱回路交錯(cuò)，線路間由于電容或電感耦合，干擾信號(hào)竄進(jìn)弱電回路，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生電磁干擾。

2.3? 醫(yī)療領(lǐng)域電磁危害研究

目前，大量的電子設(shè)備被應(yīng)用于醫(yī)療產(chǎn)業(yè)中，從超聲掃描到核磁共振，都需要電子設(shè)備進(jìn)行控制。同時(shí)，電子治療設(shè)備，諸如電子心臟起搏器、電子輸液泵等，也廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)中。隨著5G通信技術(shù)，為方便信息的傳輸和處理，醫(yī)院廣泛地應(yīng)用了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線掌上設(shè)備等，這些電子設(shè)備對(duì)醫(yī)用治療設(shè)備產(chǎn)生了干擾。張楠等[12]對(duì)醫(yī)療環(huán)境中的電磁干擾對(duì)醫(yī)療設(shè)備的危害進(jìn)行了研究，EMI會(huì)導(dǎo)致診斷用設(shè)備產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，比如心電圖機(jī)、呼吸機(jī)的顯示波型發(fā)生變化，電子監(jiān)示器產(chǎn)生錯(cuò)誤的報(bào)警信號(hào)，嚴(yán)重的甚至引起諸如心肺復(fù)蘇機(jī)停止工作，從而危及患者生命安全。

3? 電磁兼容整改措施

針對(duì)電磁兼容中存在的諸多問(wèn)題，也形成了相關(guān)的設(shè)計(jì)及整改措施，而無(wú)論多么復(fù)雜的設(shè)備，其電磁兼容問(wèn)題都是從騷擾源、耦合路徑以及敏感設(shè)備3個(gè)方面入手[13]。下面從這個(gè)3個(gè)方面進(jìn)行闡述相關(guān)設(shè)計(jì)整改方法。

3.1? 源頭電磁問(wèn)題整改

從電磁騷擾源解決電磁騷擾的根本思想就是在允許的范圍內(nèi)降低騷擾源騷擾，減弱騷擾源的方法是增加去耦電容和在保證信噪比和靈敏度不變的情況下增加衰減器[14]。一般采用電容去降低騷擾源的電磁干擾，圖1是對(duì)電子系統(tǒng)的EMC測(cè)試中，對(duì)于RE測(cè)試超標(biāo)的頻點(diǎn)是由時(shí)鐘信號(hào)以及諧波干擾導(dǎo)致的輻射超標(biāo)，針對(duì)這樣的問(wèn)題，在時(shí)鐘線增加了搭接電容和磁珠，解決了RE測(cè)試超標(biāo)的問(wèn)題，詳細(xì)如圖1所示。

3.2? 耦合路徑電磁兼容問(wèn)題整改

電子產(chǎn)品正常工作需要通過(guò)電源線、通信線以及控制線路等完成能量傳輸以及信息的處理，因此電磁干擾通過(guò)各種線纜耦合的問(wèn)題最多。高榮山[15]對(duì)某設(shè)備電源線傳導(dǎo)發(fā)射發(fā)現(xiàn)，CE102傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試在100 kHz以下有2個(gè)超過(guò)極限值的頻點(diǎn)，通過(guò)分析確定100 kHz以下干擾主要為差模傳導(dǎo)干擾，通過(guò)在電源交流輸入火線和 零線上各串聯(lián)一個(gè)鐵粉芯繞制電感， 電感值約l uH，同時(shí)增加一級(jí)共模抑制器 ，最終測(cè)試合格。

而對(duì)于電子系統(tǒng)中信號(hào)線上電平突變會(huì)導(dǎo)致RF能量超限，在信號(hào)線上并聯(lián)電容同時(shí)通過(guò)對(duì)信號(hào)邊沿使用傅里葉變換分析，減少了RF能量，使得EMI干擾得到了改善，電容對(duì)信號(hào)電平改進(jìn)如圖2所示。

信號(hào)由突變變得平緩，是由于電容的充放電而導(dǎo)致，圖3為電容減緩時(shí)鐘突變的典型連接圖，而對(duì)于電容的選擇，一般根據(jù)戴維南等效電路進(jìn)行計(jì)算電容大小，假設(shè)濾波的最高頻率為fmax，則電容計(jì)算公式如下

3.3? 敏感設(shè)備電磁兼容問(wèn)題整改

電磁敏感設(shè)備是指即使有輕微的功率波動(dòng)、電源變化，都有可能會(huì)導(dǎo)致這些設(shè)備輸出異常，發(fā)生故障甚至損壞。尤其是醫(yī)療設(shè)備，如MRI機(jī)器、X光機(jī)和其他診斷設(shè)備等醫(yī)療設(shè)備需要穩(wěn)定可靠的電源。任何功率波動(dòng)都會(huì)影響讀數(shù)的準(zhǔn)確性，并可能傷害患者。而對(duì)醫(yī)用電子電氣設(shè)備電磁測(cè)試中出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)在按鍵和屏幕處增加抗靜電薄膜，降低由于接觸導(dǎo)致的靜電放電損傷；同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)增加TVS管，對(duì)靜電電壓進(jìn)行吸收和屏蔽，消除靜電已經(jīng)傳導(dǎo)騷擾。對(duì)這些增加防護(hù)以及設(shè)計(jì)上進(jìn)行預(yù)防的，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)傳導(dǎo)測(cè)試不合格的問(wèn)題通過(guò)更換合適的濾波器進(jìn)而解決。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了電磁兼容的原理以及傳導(dǎo)方式，說(shuō)明電磁主要是解決EMI和EMS的問(wèn)題；同時(shí)分析研究了電磁干擾對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中危害怕，同時(shí)針對(duì)電磁干擾問(wèn)題，闡述了如何從源頭、耦合路徑以及敏感設(shè)備解決電磁干擾的問(wèn)題。通過(guò)電磁兼容原理、危害以及整改的研究，為電子產(chǎn)品電磁防護(hù)設(shè)計(jì)提供了參考，為相關(guān)設(shè)計(jì)及測(cè)試人員解決電子產(chǎn)品電磁問(wèn)題提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張晨，邱振宇.某24 V系統(tǒng)車載終端電磁兼容測(cè)試和整改[J].安全與電磁兼，2019（1）：75-77.

[2] 吳小春，徐博.某驅(qū)動(dòng)分系統(tǒng)的電磁兼容分析與整改[J].通信電源技術(shù)，2022（1）：17-21.

[3] 朱寶杰，王小波.某機(jī)載電子設(shè)備的電磁兼容試驗(yàn)分析[J].電子與通信技術(shù)，2022（9）：145-148.

[4] 傅林.通信車電磁兼容問(wèn)題整改案例[J].安全與電磁兼容，2014（1）：67-69.

[5] 馬方馳，高京.車載娛樂(lè)系統(tǒng)的電磁兼容性整改[J].汽車電器，2015（12）：19-21.

[6] 張君.電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)解析與整改手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[7] 安輝，王賓.電磁兼容檢測(cè)分析及優(yōu)化整改思路[J].流體測(cè)量與控制，2022（6）：43-45.

[8] 陳恒勤，張克林.通信機(jī)射頻電磁輻射的危害及預(yù)防[J].警察技術(shù)，1998（1）：42-43.

[9] 溫伯銀.諧波的危害及抑制措施[J].建筑電氣，2006（3）：4-10.

[10] 張劍鋒.ZPW-2000A軌道電路系統(tǒng)電磁干擾及危害分析[J].鐵道通信信號(hào)，2015（51）：122-124.

[11] 劉少林.城市軌道交通變電所電磁干擾防護(hù)措施[J].城市軌道交通研究，2018（7）：58-60.

[12] 張楠，李景格.現(xiàn)代醫(yī)療環(huán)境中電磁干擾（EMI）對(duì)電子醫(yī)療設(shè)備的危害[J].現(xiàn)代電生理學(xué)雜志，2009（1）：33-35.

[13] 沙斐.機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[14] 王貴虎.電磁兼容性整改的幾種方法[J].電子質(zhì)量，2000（1）：32-34.

[15] 高榮山.某設(shè)備電磁兼容測(cè)試整改實(shí)例分析[J].船電技術(shù)，2014（2）：51-53.