電磁兼容危害分析及整改措施

梁樂波 李榮躍 楊天福 丁協(xié)賓

摘? 要：電磁兼容主要解決的是2個方面的問題，電磁騷擾（EMI）和抗電磁干擾（EMS）。所謂EMI是指產(chǎn)品自身運行中不對其他系統(tǒng)或產(chǎn)品產(chǎn)生危害的干擾；而EMS是指產(chǎn)品運行過程中不受周圍電磁環(huán)境的影響，并且能夠完成預定的功能。無論是產(chǎn)品工作對其他系統(tǒng)的危害還是受到周圍環(huán)境對自身的影響，如果不采取相應的措施，輕則會導致產(chǎn)品工作異常，而嚴重的情況將會導致重大的事故，因此需要解決電磁兼容中存在的問題。該文首先介紹EMI以及EMS原理及傳導方式，說明EMI及EMS之間的關系；隨后，通過相關案例介紹電磁的危害以及后果；根據(jù)電磁危害的方式，提出相應的設計及整改措施，為產(chǎn)品的設計、整改提供參考依據(jù)。

關鍵詞：電磁兼容；電磁干擾；危害；產(chǎn)品設計；整改措施

中圖分類號：TN03? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

隨著通信技術的提升、智能化的發(fā)展，越來越多的電子控制技術、人工智能技術投入到各行各業(yè)，而這些高速通信、先進的控制及智能處理，都是以電子板卡作為母體進行各種運算，實現(xiàn)各種功能。5G通信的高速數(shù)據(jù)處理、人工智能的大量運算會帶來巨大的吞吐量，將會產(chǎn)生大量的電磁兼容性問題，因為在既往的4G以下的通信技術及數(shù)據(jù)處理以及相關常用的設備，都會衍生電磁兼容性問題。張晨等[1]按照GB/T 32960.2—2016《電動汽車遠程服務與管理系統(tǒng)技術規(guī)范 第2部分：車載終端》對某車載終端的電源線進行電瞬態(tài)傳導抗擾度及輻射發(fā)射檢測中發(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)行預先設計的所有功能；吳小春等[2]對某驅動分系統(tǒng)進行電磁兼容性測試時發(fā)現(xiàn)，電源線傳導發(fā)射不合格以及電磁輻射測試出現(xiàn)超標頻率點的問題；朱寶杰等[3]對某機載電子設備進行電磁測試，發(fā)現(xiàn)電源線傳導發(fā)射在指定頻率范圍內超出限值的50%，同時電纜及互連線的輻射干擾場在100～6 000 MHz的頻率范圍內均有不同程度超標；傅林[4]在使用某通信車短波電臺呼叫時，電話機能夠聽到幾乎無衰減的話音，造成話機不能夠正常工作，經(jīng)過檢測分析發(fā)現(xiàn)是由于交換機造成場線耦合干擾導致；馬方馳等[5]在車載娛樂系統(tǒng)的電磁測試發(fā)現(xiàn)，RE測試出現(xiàn)頻率超標以及RI測試揚聲器在1.3～1.5 GHz中無輸出。

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

1? 電磁兼容原理及傳導方式

電磁兼容（EMC）主要包括2個方面的要求[6]，分別是電磁騷擾（EMI）和抗電磁干擾（EMS）。EMI主要是指產(chǎn)品自身在工作的時候對周圍的環(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，會制定相應的法規(guī)和標準去規(guī)定產(chǎn)品的EMI不能超過某些限值。一般主要研究以下幾種電磁騷擾：①以線纜為傳導途徑的騷擾方式，主要通過產(chǎn)品的電源線、信號線、通信線及控制線等的傳導途徑向外產(chǎn)生的傳導騷擾；②通過電磁效應導致，一般通過空間電磁場向外產(chǎn)生的輻射騷擾；③接入電網(wǎng)的產(chǎn)品在開機和關閉的過程中由于感抗或容抗效應對接電網(wǎng)絡衍生出諧波、電壓波動、閃爍等。

EMS又指電磁敏感性，是指產(chǎn)品工作過程中對周圍環(huán)境的電磁騷擾產(chǎn)生一定的抗干擾的能力。而評價產(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估。而應對的電磁的干擾主要是以下幾個方面：①抵抗從產(chǎn)品電源線、信號線、通信線以及控制線作為傳導途徑的外來干擾；②抵抗其他產(chǎn)品周圍環(huán)境存在電磁場導致的輻射騷擾；③由于外界的靜電放電對產(chǎn)品本身帶來的電磁干擾。

EMI和EMS分別指產(chǎn)品自身的對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備在同一個環(huán)境中相互兼容，同時做到互不影響。而無論是EMI還是EMS，主要包括電磁傳導、電磁感應和電磁輻射3種方式[7]。傳導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；電磁輻射主要是周圍環(huán)境的電磁場對產(chǎn)品自身的干擾。無論是何種方式的電磁干擾，都需要通過設計、試驗及整改進行完善，進而達到與周圍環(huán)境的兼容合一。

2? 電磁危害及相關研究

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

2.1? 通信相關電磁危害研究

通信領域使用最多的是通信設備，如手機、基站等，這些主要是射頻相關的電磁特性。陳恒勤等[8]在文章中說明，世界各國對移動通話的電波頻率及功率在動物和人體細胞的培養(yǎng)基上進行了相關試驗，研究表明無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、白內障等疾??；并且說明射頻電磁波主要是通過熱效應使器官的溫度產(chǎn)生變化，導致病變以及非熱效應引起的神經(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列出常見的電磁干擾類型及起因。

絕大部分是使用計算機系統(tǒng)進行信息傳輸與控制，而計算機經(jīng)常以三相供電系統(tǒng)中的中性線電壓為相對零點，當中性線上承受諧波類的電磁干擾時，中性導線的阻抗會產(chǎn)生大的中性線電壓降，出現(xiàn)零點漂移。而計算機系統(tǒng)在有諧波干擾時出現(xiàn)程序錯誤、數(shù)據(jù)傳輸錯誤、時序措施、無故重啟，甚至對設備造成永久性損壞。

2.2? 交通領域電磁危害研究

目前，國內交通出行方式眾多，包括汽車、軌道、飛機等等。隨著智能化的發(fā)展，這些交通工具增加了更多的電控設備，同時也帶來了更多的電磁隱患。張劍鋒[10]對ZPW 2000A軌道電路系統(tǒng)產(chǎn)生的EMI及其危害進行了分析，ZPW 2000A軌道電路系統(tǒng)與其他的軌道信號系統(tǒng)處在同一個工作環(huán)境中，并且其中的列控系統(tǒng)、集中監(jiān)測系統(tǒng)和電源屏都和ZPW 2000A相連，軌道電路的EMI處理不當，可通過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)包會被列控認為是無效數(shù)據(jù)而被丟棄，影響列車正常運行；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源。變電所內部的斷路器、隔離開關等高壓設備在開關動作時，由于負載的感性或容性效應，會在通過負載時產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓或電流，這種突變電流會產(chǎn)生強大的磁場，對周圍的電子設備帶來電磁騷擾；同時變電所中的二次設備電壓布線集中，當元器件及布線未增加電磁屏蔽措施，造成強弱回路交錯，線路間由于電容或電感耦合，干擾信號竄進弱電回路，對信號產(chǎn)生電磁干擾。

2.3? 醫(yī)療領域電磁危害研究

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

3? 電磁兼容整改措施

針對電磁兼容中存在的諸多問題，也形成了相關的設計及整改措施，而無論多么復雜的設備，其電磁兼容問題都是從騷擾源、耦合路徑以及敏感設備3個方面入手[13]。下面從這個3個方面進行闡述相關設計整改方法。

3.1? 源頭電磁問題整改

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是對電子系統(tǒng)的EMC測試中，對于RE測試超標的頻點是由時鐘信號以及諧波干擾導致的輻射超標，針對這樣的問題，在時鐘線增加了搭接電容和磁珠，解決了RE測試超標的問題，詳細如圖1所示。

3.2? 耦合路徑電磁兼容問題整改

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

而對于電子系統(tǒng)中信號線上電平突變會導致RF能量超限，在信號線上并聯(lián)電容同時通過對信號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，電容對信號電平改進如圖2所示。

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

3.3? 敏感設備電磁兼容問題整改

電磁敏感設備是指即使有輕微的功率波動、電源變化，都有可能會導致這些設備輸出異常，發(fā)生故障甚至損壞。尤其是醫(yī)療設備，如MRI機器、X光機和其他診斷設備等醫(yī)療設備需要穩(wěn)定可靠的電源。任何功率波動都會影響讀數(shù)的準確性，并可能傷害患者。而對醫(yī)用電子電氣設備電磁測試中出現(xiàn)的問題，通過在按鍵和屏幕處增加抗靜電薄膜，降低由于接觸導致的靜電放電損傷；同時在設計時增加TVS管，對靜電電壓進行吸收和屏蔽，消除靜電已經(jīng)傳導騷擾。對這些增加防護以及設計上進行預防的，依據(jù)相關標準進行測試，針對傳導測試不合格的問題通過更換合適的濾波器進而解決。

4? 結束語

本文介紹了電磁兼容的原理以及傳導方式，說明電磁主要是解決EMI和EMS的問題；同時分析研究了電磁干擾對現(xiàn)實生活中危害怕，同時針對電磁干擾問題，闡述了如何從源頭、耦合路徑以及敏感設備解決電磁干擾的問題。通過電磁兼容原理、危害以及整改的研究，為電子產(chǎn)品電磁防護設計提供了參考，為相關設計及測試人員解決電子產(chǎn)品電磁問題提供了參考。

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