電磁兼容原理、方法及設計

什麼是電磁兼容

電磁兼容性（EMC）是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行並不對其環境中的任何設備產生沒法忍受的電磁干擾的能力。所以，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程當中對所在環境產生的電磁干擾不能超過必定的限值；另外一方面是指器具對所在環境中存在的電磁干擾具備必定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

電磁兼容的主要研究對象

①各類人爲噪聲，如輸電線電暈噪聲、汽車噪聲、接觸器自身噪聲及導體開臺時放電引發的噪聲、電氣機車噪聲、城市噪聲等。

②共用走廊內各類公用事業設備（輸電線、通訊、鐵路、公路、石油金屬管線等）相互間的影響。

③超高層建築、輸電線、鐵塔等大型建築物引發的反射問題。

④電磁環境對人類及各類生物的做用。其中包括強電線等工頻場，中、短波及微波電磁輻射的影響。

⑤核電磁脈衝的影響。高空核爆炸產生的電磁脈衝能大面積破壞地面上的指揮、控制、通訊、計算機及報系統。

⑥探譜（TEMPEST）技術。其實質內容是針對信息設備的電磁輻射與信息泄漏問題，從信息接收和防禦兩方面所開展的一系列研究工做。

⑦電子設備的誤動做。爲了防止誤動做，必須採起措施以提升設備的抗干擾能力。

⑧頻譜分配與管理。無線電頻譜是一種有限的資源，但不是消耗性的，既要科學地管理，又要充分地利用。

⑨電磁兼容與測量。

⑩天然界影響等。

提升電磁兼容性的措施

①使用完善的屏蔽體可防止外部輻射進入本系統，也可防止本系統的干擾能量向外輻射。屏蔽體應保持完整性，對必不可少的門、縫、通風孔和電纜孔等須妥善處理，屏蔽體要有可靠的接地。

②設計合理的接地系統，小信號、大信號和產生干擾的電路儘可能分開接地，接地電阻儘量小。

③使用合適的濾波技術，濾波器的通帶通過合理選擇，儘可能減少漏電損耗。

④使用限幅技術，限幅電平應高於工做電平，而且應雙向限幅。

⑤正確選用鏈接電纜和佈線方式，必要時可用光纜代替長電纜。

⑥採用平衡差動電路、整形電路、積分電路和選通電路等技術，

⑦系統頻率分配要恰當。當一個系統中有多個主頻信號工做時，儘可能使各信號頻率避開，甚至避開對方的諧振頻率。

⑧共用走廊的各類設備，在條件許可時，應保持較大的隔距，以減輕相互之間的影響。

電磁兼容性設計的基本原理

1.接地

接地是電子設備的一個很重要問題。接地目的有三個：

（1）接地使整個電路系統中的全部單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統能穩定地幹做。

（2）防止外界電磁場的干擾。機殼接地可使得因爲靜電感應而積累在機殼上的大量電荷經過大地泄放，不然這些電荷造成的高壓可能引發設備內部的火花放電而形成干擾。另外，對於電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可得到良好的屏蔽效果。

（3）保證安全工做。當發生直接雷電的電磁感應時，可避免電子設備的毀壞；當工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它緣由直接與機殼相通時，可避免操做人員的觸電事故發生。此外，不少醫療設備都與病人的人體直接相連，當機殼帶有110V或220V電壓時，將發生致命危險。

所以，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地能夠理解爲一個等電位點或等電位面，是電路或系統的基準電位，但不必定爲大地電位。爲了防止雷擊可能形成的損壞和工做人員的人身安全，電子設備的機殼和機房的金屬構件等，必須與大地相鏈接，並且接地電阻通常要很小，不能超過規定值。

電路的接地方式基本上有三類，即單點接地、多點接地和混合接地。單點接地是指在一個線路中，只有一個物理點被定義爲接地參考點。其它各個須要接地的點都直接接到這一點上。多點接地是指某一個系統中各個接地點都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引線的長度最短。接地平面，能夠是設備的底板，也能夠是貫通整個系統的地導線，在比較大的系統中，還能夠是設備的結構框架等等。

混合接地是將那些只需高頻接地點，利用旁路電容和接地平面鏈接起來。但應儘可能防止出現旁路電容和引線電感構成的諧振現象。

2.屏面

屏蔽就是對兩個空間區域之間進行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另外一個區域的感應和輻射。具體講，就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個系統的干擾源包圍起來，防止干擾電磁場向外擴散；用屏蔽體將接收電路、設備或系統包圍起來，防止它們受到外界電磁場的影響。

由於屏蔽體對來自導線、電纜、元部件、電路或系統等外部的干擾電磁波和內部電磁波均起着吸取能量（渦流損耗）、反射能量（電磁波在屏蔽體上的界面反射）和抵消能量（電磁感應在屏蔽層上產生反向電磁場，可抵消部分干擾電磁波）的做用，因此屏蔽體具備減弱干擾的功能。

屏蔽體材料選擇的原則是：

（1）當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率（高電導率）的金屬材料中產生的渦流（P=I2R，電阻率越低（電導率越高），消耗的功率越大），造成對外來電磁波的抵消做用，從而達到屏蔽的效果。

（2）當干擾電磁波的頻率較低時，要採用高導磁率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內部，防止擴散到屏蔽的空間去。

（3）在某些場合下，若是要求對高頻和低頻電磁場都具備良好的屏蔽效果時，每每採用不一樣的金屬材料組成多層屏蔽體。

3.其它抑制干擾方法

（1）濾波

濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。

濾波器能夠顯着地減少傳導干擾的電平，由於干擾頻譜成份不等於有用信號的頻率，濾波器對於這些與有用信號頻率不一樣的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的做用。因此，採用濾波網絡不管是抑制干擾源和消除干擾耦合，或是加強接收設備的抗干擾能力，都是有力措施。用阻容和感容去耦網絡能把電路與電源隔離開，消除電路之間的耦合，並避免干擾信號進入電路。對高頻電路可採用兩個電容器和一個電感器（高頻扼流圈）組成的CLCMπ型濾波器。濾波器的種類不少，選擇適當的濾波器能消除不但願的耦合。

（2）正確選用無源元件

實用的無源元件並非「理想」的，其特性與理想的特性是有差別的。實用的元件自己可能就是一個干擾源，所以正確選用無源元件很是重要。有時也能夠利用元件具備的特性進行抑制和防止干擾。

（3）電路技術

有時候採用屏蔽後仍不能知足抑制和防止干擾的要求，能夠結合屏蔽，採起平衡措施等電路技術。平衡電路是指雙線電路中的兩根導線與鏈接到這兩根導線的全部電路，對地或對其它導線都具備相同的阻抗。其目的在於使兩根導線所檢拾到的干擾信號相等。這時的干擾噪聲是一個共態信號，可在負載上自行消失。另外，還可採用其它一些電路技術，例如接點網絡，整形電路，積分電路和選通電路等等。總之，採用電路技術也是抑制和防止干擾的重要措施。

一、電磁兼容的分層設計原則

這主要是按照電磁兼容設計的前後順序來考慮的，從先到後可分爲如下幾層：

（1）元器件的選擇和PCB設計，這是關鍵的；

（2）接地設計，這是主要的手段。以上兩層若是設計的好，可完成電磁兼容的80%以上的工做。

（3）屏蔽設計；

（4）濾波設計和瞬態騷擾抑制。以上兩層是輔助手段，多爲過後補救措施，也是咱們最不提倡的。

（5）可根據實際電路須要，結合以上幾層來綜合設計。

二、保證電磁兼容的方法

主要根據構成干擾的三要素從下幾方面來保證電磁兼容。

2.1在不一樣等級上保證電磁兼容

1）從元器件級上來講，當是無源元件時，考慮

（1）工做頻帶之外的元件參數與工做頻帶上的有很大的區別；

（2）插件元件的末端引線有電感存在，當高頻時這個電感易發生電磁兼容問題；

（3）元件有寄生電容，寄生電感，在電路上表現爲分佈參數，在分析電路時也要考慮由它帶來的等效電路。當是有源元件時，工做中產生的電磁輻射也會以傳導電流的方式成爲干擾源，當是非線性元件時還可能發生頻譜成分的變化，這種變化也會引發干擾。

2）從設備級上來講，主要是保證減小對敏感設備的耦合，可考慮

（1）增長脈衝前沿時間以減小干擾的頻寬；

（2）消除電路中震盪器產生的諧波及信號的諧波；

（3）限制干擾輻射或消除干擾的傳播途徑。

3）從系統級上來講，主要是靠組織或系統工程的方法來保證，由於有可能在單個設備上的電磁兼容獲得了改善，但同時卻影響了其它設備的工做條件，使得其它設備的性能指標變壞，此時須要從系統上折中考慮，另外，重要的一點是電磁兼容設計必須獲得系統整體設計的高度重視。

2.2減少導線之間的耦合

主要是從增大導線之間的距離，使用屏蔽，使用雙絞線或使用屏蔽加雙絞這幾個方面來考慮。

2.3接地

主要應考慮

（1）接地導線及公共線的阻抗應最小，最好小於產品最高工做頻率的λ/20之內；

（2）接地導線應採用橫截面爲管形的接地線；

（3）可靠接地，並防止鏈接點造成氧化層；

（4）使用一點並聯接地（低頻用）或者多點接地（高頻用）。

2.4屏蔽

當是低頻磁場時，主要考慮磁屏蔽，當屏蔽層越厚，材料導電率越高，屏蔽效能越好；當是高頻磁場、電場或電磁場時，主要考慮用薄金屬屏蔽並良好接地。另外一個值得注意的是在線纜製做時，要求電纜屏蔽層和鏈接器插頭的金屬外殼要有360度的完整搭接，不能出現「豬尾巴」現象，不然效果大大打折扣。

2.5濾波

主要考慮

（1）抑制工做頻帶之外的干擾；

（2）在信號電路中用吸取濾波器消除無用的頻譜成分；

（3）在電源電路（尤爲是開關電源中），操縱電路，控制電路，以及轉換電路中消除產生的干擾。在工程實際中，一個最值得注意的地方是電源濾波器的安裝，常見的濾波器的錯誤安裝如圖2所示。

2.6電子設備的空間位置

因爲各類電子設備的接收特性以及干擾源設備的輻射特性都具備必定的方向性和必定的做用距離，能夠利用這些特性適當安排電子設備在設備空間中的位置以免干擾和被幹擾，即注意肯定電子設備之間的空間距離和位置的格局。

三、PCB設計技術

除了元器件的選擇和電路設計外，良好的印製板（PCB）佈線在電磁兼容設計中也是一個很是重要的因素。既然PCB是系統的固有成分，在PCB佈線中加強電磁兼容性不會給產品的最終完成帶來附加費用，從這一點來講也是很是經濟的。

3.1注意電磁兼容設計的帶寬

在EMC中，除了基本頻率外，還需考慮諧波因素，一般取十倍頻，但在數字電路中卻有些不一樣，好比在時鐘電路和邏輯門電路中，輻射帶寬與數字信號的上升沿或降低沿有關係，而不是數字信號的重複週期，其關係爲：rtF/1max，其中rt是脈衝的上升沿時間。例如，典型時鐘驅動的邊沿速率是2ns，此時，maxF≈160MHz，再考慮十倍頻，則此時鐘電路可能產生直到1.6GHz的輻射帶寬。因此在選擇器件時要選擇慢速的邏輯器件系列，由於器件對電磁輻射貢獻的大小與工做頻率無直接關係而只取決於邊沿速率（這和從電路功能設計上選擇快速器件是矛盾的，在電路設計時須要折中考慮）。還有從器件的抗擾能力上來講，CMOS器件是最好的，由於它的噪聲容限高。從封裝上來講，BGA是最好的，由於它的引線很短。脈衝信號的頻譜如圖3所示。

3.2注意用於PCB電磁兼容設計的電路與電路原理圖不一樣

主要是因爲PCB的電路原理圖沒有考慮電路中元件及PCB線條的分佈參數，如分佈電感，分佈電容，分佈互感，分佈互電容以及傳輸延遲等項。例如導線在高頻時等效於電感和電阻的串聯。開關速度越高，對負載阻抗的要求就越高，要求時鐘驅動器的輸出阻抗必須等於時鐘線條的波阻抗，一般時鐘驅動器都要加串聯電阻，經驗值通常爲10～30Ω。

3.3注意PCB佈線原則

（1）20-H原則，決定印製線條間的距離，表述以下：全部的具備必定電壓的PCB都會向空間輻射電磁能量（如圖4a），爲減少這個效應，PCB的物理尺寸都應該比最靠近的接地板的物理尺寸小20H（其中H是兩層PCB的間距），即3mm左右，這樣可以使輻射強度降低70%（如圖4b）。20-H原則示意圖如圖4所示：

根據工程實際經驗，採用20-H規則後會大大提升PCB的自激頻率。

（2）3-W原則，它決定PCB的電源層與邊沿的距離，表述以下：當兩條印製線的間距較小時，兩線之間會發生電磁串擾，從而使電路功能失常。爲避免這種影響，應保持任何線條間距不小於三倍的印製線條寬度，即3W，W爲印製線條寬度。印製線條的寬度取決於線條阻抗的要求。

（3）保證信號在PCB上可靠的傳輸，確保信號的完整性。這裏面主要的問題通常包括時延、阻抗不匹配、地彈跳、串音等。這不但影響到電子器件的穩定工做，還會產生電磁干擾。通常在高速邏輯設計中最容易碰到時延問題，處理很差會產生不但願的脈衝干擾。傳輸時延對信號的影響如圖5所示。

3.4注意肯定PCB佈線層數

首先在設計中要有一個重要的概念，就是每一個佈線層最好與實平面（電源或接地）相鄰。原則：

（1）電源平面應靠近接地平面而且安排在接地平面之下。這樣能夠利用兩金屬平板之間的電容做電源的平滑電容，同時地平面還能夠對電源面的輻射電流起到屏蔽的做用。

（2）數字電路和模擬電路分開。數字地和模擬地之間能夠不開槽，但須有一個完整的統一的地平面，且嚴格按數字部分和模擬部分分區。

（3）中間層的印製線條造成平面波導，在表面層造成微帶線，二者傳輸特性不一樣。

（4）電路尤爲高頻電路是主要的干擾和輻射源，必定要單獨安排，遠離敏感電路。

（5）信號面應安排與整塊金屬平面相鄰，這樣是爲了產生通量對消做用。

（6）不一樣層所含的雜散電流和高頻輻射電流不一樣，佈線時應區別對待。對於雜散電流能夠用去耦電容，對於高頻輻射電流能夠經過減少迴路面積。

如下是常見的PCB層設計，供參考（S表示信號層，G表示地層，P表示電源層）。四層板：S1，G，P，S2

六層板：S1，G，S2，P，G，S3

八層板：S1，G，S2，G，P，S3，G，S4

十層板：S1，G，S2，S3，G，P，S4，S5，G，S6（但S4對電源噪聲敏感）

3.5注意PCB接地設計

1）首先，要創建分佈參數的概念。高於必定頻率時，任何金屬導線均可當作是由電阻和電感構成的器件，因此，接地引線具備必定阻抗而且構成電氣迴路，無論是單點接地仍是多點接地都必須構成低阻抗迴路進入真正地或機架。

2）接地方法

（1）單點接地。若是元件，電路的工做頻率小於1MHz時，單點接地是很好的方式，但當頻率升高時，鏈接線電感做用突出，此時接地阻抗將升高，當接地線的長度爲週期信號四分之一波長的奇數倍時，不但阻抗高，還會成爲輻射電磁能量的天線。

（2）多點接地。高頻電路均採用多點接地，此時可以使接地阻抗達到最小，可將射頻電流由接地平面分流到金屬地板上去，由於實體金屬板有較低的電感份量會造成低阻抗迴路。

（3）數字電路應看成爲高頻模擬電路處理，也應該保持低電感接地，並使用高質量退耦電容（0.1uF並聯0.001uF相差兩個數量級）接地。

（4）接地與信號迴路，射頻電流總要找一條道路回饋到起始點去，在電磁兼容設計中，一般老是使高速邏輯電路儘量靠近底版，接地板安裝，以便更好減小高頻輻射環路。接參考地的地線長度必定要很短，短到產品最高工做頻率的λ/20之內。

（5）接地次序，因爲通常是電源地騷擾（或噪聲）最大，故它應先接到參考地（這樣作的目的是讓參考地先把騷擾吸取掉），而後再送到模擬地和數字地上去。

3.6注意PCB中電容的設計

EMC中的電容可分爲退耦電容，旁路電容，和容納電容。退耦電容主要是用來濾除高頻器件在電源板上引發的輻射電流，爲器件提供一個局域化的直流，還能減低印製電路中的電流衝擊的峯值，一般陶瓷電容被用來做爲退耦電容，其值取決於最快信號的上升時間和降低時間例如，對於33MHz的時鐘信號，可使用4.7uF到100uF的電容，對於100MHz的時鐘信號，可使用10uF的電容；另外，工程上也要考慮ESR對退耦能力的影響，通常選擇ESR值低於1歐姆的電容。旁路電容能消除高頻輻射噪聲，一般鋁電解電容和鉭電容比較適合作旁路電容，其電容值取決於PCB板上的瞬態電流要求，通常在10-470uF範圍內，若PCB板上有許多集成電路，高速開關電路和具備長引線的電源，則應選擇大容量的電容。容納電容是用來解決開關器件工做時電源電壓會發生突降的問題。

總之，選擇電容時，不但應該選擇溫度係數好的，還要選擇等效串聯電感小的（小於10nH）和等效串聯電阻小的（小於0.5Ω）電容。從材質上說，低於50MHz時通常選擇Z5U材質，它性能穩定，介電常數大，電容容量大，大於50MHz時通常選擇NPO材質，它介電常數小。一般工程上的實際作法是一大一小（指電容值）兩個電容並聯使用。

3.7注意PCB過孔的設計

在佈線時儘可能少穿過孔，由於過孔阻抗和線阻抗不同，存在阻抗突變，從而產生駐波使信號變壞，容易造成輻射，尤爲是在時鐘須要穿層時，要作技術處理，時鐘線跨層時的處理如圖6所示。