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电磁兼容概念详解

来 源:未知   作 者:admin  发布时间:2013-01-23 
一、前言

  自从麦克斯韦建立电磁理论、赫芝发现电磁波百余年来,电磁能得到了充分的利用。尤其在科学发达的今天,广播、电视、通信、导航、雷达、遥测遥控及计算机等领域得到了迅速的发展,给人类创造了巨大的物质财富,特别是信息、网络技术的爆炸性发展,使世界的对话距离和时间骤然缩短,世界的面貌焕然一新,地球村的梦想将成为现实。然而,伴随电磁能的利用,也带来了电磁干扰的产生。元用的电磁场,通过辐射和传导的途径,以场和电流(电压)的形式,侵人工作着的敏感的电子设备,使其无法正常工作。而且,如同生态环境污染一样,随着科学技术的发展.电磁环境的污染也越来越严重。它不仅对电子产品的安全与可靠性产生危害,还会对人类及生态产生不良影响。当然,这种污染不会滞留和积累电磁能量,一旦电磁骚扰源停止工作,干扰也即消失。

  电磁环境的不断恶化,引起了世界各工业发达国家的重视,特别是二十世纪七十年代以来,进行了大量的理论研究及实验工作。进而提出了如何使电子设备或系统在其所处的电磁环境中,能够正常的运衍,而对在该环境中工作的其它设备或系统也不引人不能承受的电磁干扰的新课题。这就是所谓的电磁兼容。

  电磁兼容学是一门新兴的跨学科的综合性应用学科。作为边缘技术,它以电气和元线电技术的基本理论为基础,并涉及许多新的技术领域,如微波技术、微电子技术、计算机技术、通信和网络技术、以及新材料等等。电磁兼容技术研究的范围很广,儿乎所有现代化工业领域,如电力、通信、交通、航天、军工、计算机和医疗等都必须解决电磁兼容问题。研究的热点内容主要有:

  电磁干扰源的特性及其传输特性;
  电磁干扰的危害效应;
  电磁干扰的抑制技术;
  电磁频谱的利用和管理;
  电磁兼容性标准与规范;
  电磁兼容性的测量与试验技术;
  电磁泄漏与静电放电等。


  电磁兼容学又是技术与管理并重的实用工程学。开展这样的工程,需要投入大量的人力和财力。国际标准化组织已经和正在制定EMC的有关标准和规范。我国在这方面的起步虽然较晚,但发展很快。随着市场经济的发展,我国要参与世界技术市场的竞争,进出口的电子产品都必须通过EMC检验。因此,我国政府和相关部门越来越关注EMC问题,不断制定了有关的强制性贯彻标准。各部门和军兵种也都开始研究并建立了不同规模的EMC实验室和检测中心。各种形式的技术研讨和交流,促进了EMC技术的普及、推广和应用。我国98年已立法强制对六类进口电子产品(计算机、显示器、打印机、开关电源、电视机和音响)及通信终端产品施行EMC检测。99年国家质量监督局发布了《EMC认证管理办法》。我国电子技术标准化研究所EMC测试实验室被美国联邦通信委员会通过了FCC认可。从2000年2月16日起,出口美国的信息技术设备和发射及接收设备,由该实验室出具的数据将被美国直接接受。目前,国内也正在审定和验收正式的EMC认证机构和实验室。

  产品的EMC检测是实现电磁兼容不可缺少的技术手段,强制贯彻电磁兼容标准,则是保证产品质量和提高市场竞争力的先决条件。


  二、电磁兼容基本概念

  关于EMC的有关概念、定义和术语,在1995年颁布的国家标准GB/T4365“电磁兼容术语”中有详细的阐述。这里仅就几个主要概念作一些辅助说明。


  1.电磁环境(Electromagnetic Environment)
  指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。
  给定场所即空间。所有电磁现象包括全部时间与全部频谱。


  2.电磁兼容性(Electmmagnetic Compatibiiity-EMC)

  设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
   对于EMC这一概念,作为一门学科,可译为“电磁兼容”,而作为一个设备或系统的电磁兼容能力,可称为“电磁兼容性”。
  由定义可以看出,EMC包括两个方面的含义,即设备或系统产生的电磁发射,不致影响其它设备或系统的功能;而本设备或系统的抗干扰能力,又足以使本设备或系统的功能不受其它干扰的影响。这就又引出了另外两个概念――电磁干扰和电磁敏感度。


  3.电磁干扰(Electromagnetic Interference-EMI)
  电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。
  所谓电磁骚扰(Electmmagnetic Disturbance)是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或元生命物质产生损害作用的电磁现象。它可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化,它可能引起设备或系统降级或损害,但不一定会形成后果。而电磁干扰则是由电磁骚扰引起的后果。电磁干扰是由干扰源、藕合通道和接收器三部分构成的。通常称作干扰的三要素。
  根据干扰传播的途径,电磁干扰可分为辐射干扰和传导干扰。
  辐射干扰(Radiated Interference)是通过空间并以电磁波的特性和规律传播的。但不是任何装置都能辐射电磁波的。
  传导干扰(Conducted Interference)是沿着导体传播的干扰。所以传导干扰的传播要求在干扰源和接收器之间有一完整的电路连接。


  4.电磁敏感度(Electmmagnetic SuseeptibilkrEMS)
  在存在电磁骚扰的情况下,装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。敏感度高,抗扰度低。其实二者是一个问题的两个方面,即从不同角度反映装置、设备或系统的抗干扰能力。以电平来表示,敏感度电平(刚刚开始出现性能降低时的电平)越小,说明敏感度越高,抗扰度就越低;而抗扰度电平越高,说明抗扰度也越高,敏感度就越低。
  电磁敏感度也分为辐射敏感度和传导敏感度。


  三、电磁干扰的危害
  人们常说的射频干扰(Radio Frequency Interference-RFI)是指元线电广播范围的干扰。1934年在巴黎举行的国际无线电干扰特别委员会(CISPR),就是第一次开始对电磁干扰及其控制技术的世界性有组织的研究。在人类进入信息化社会的今天,电磁波作为一种资源已在OHz~400GHz宽频范围内,广泛地用于信息技术产品中,如汽车、通信、计算机、家电等产品,大量地拥人社会和家庭。伴之而来的电磁干扰也就从甚低频到微波波段,无孔不入地辐射或传导至运行中的子设备或系统以及周围的环境。给设备或系统以及生态带来各种各样的危害。现就几个领域的电磁骚扰现象作简要介绍。

  (一)信息技术设备的电磁干扰不容忽视
  信息技术设备(Informatbn Technohgy Equipmem-ITE)是指用于以下目的的设备:
  接收来自外部源的数据(如通过键盘、数据线输入);
  对接收到的数据进行某些处理;
  提供数据输出。
  过去,人们往往认为,计算机是以逻辑为特征的数字系统,受自身和外来电磁干扰影响不会很大。尽管在系统设计和工程实现中,也自觉或不自觉地进行着防止和消除各种干扰的工作,然而,提到掌握和运用EMC技术上来认识和研究,其意识性还欠缺。然而,随着微电子技术的发展,计算机己朝高速度、高灵敏度、高集成和多功能方向发展,系统已是含有多种元器件和许多分系统的低压传输信息的复杂设备。高速和高密,会使系统的辐射加重,低压、高灵敏度会使系统的抗扰度降低。因此,由于电磁环境的干扰和系统内部的相互窜扰,严重地威胁着计算机和数字系统工作的稳定性、可靠性和安全性。如兼容机经常出现死机的现象就是典型一例。


  (二)信息技术设备的电磁泄揭威胁着信息安全
  计算机的键盘、显示屏等都会使信息辐射泄漏出去。如果泄漏的是有用信息,一旦被敌方截获,将会造成巨大损失。美国是最早利用电磁辐射泄漏获取情报和重视防信息泄漏的国家。美国曾有人在纽约做过试验,将辐射信号截获设备“数据扫描器”装在汽车上,从曼哈顿南端的贝特利公园,沿华尔街缓行,对沿途的海关大楼、联邦储备银行、世界贸易中心、市政厅、警察总局、纽约电话局以及联合国总部等单位正在工作的计算机进行辐射信号监测。惊奇地发现,纽约是一个巨大的信息库。如果截获者,对其有兴趣,便可通过放大、特征提取、解密、解码等技术或信息处理等,获得有用的情报。据资料介绍,当今的截获技术相当先进,可在1公里之内,获取清晰的屏幕图像。在通信方面,则往往是以传导波的方式泄漏和截获。因为,通信领域的信号传播方式主要是电缆、光缆和无线电波。所以,网络时代,传导形式的泄密更加严重。美国曾在20世纪70年代,一个潜水员在前苏联领海纵深内部的鄂霍次克海120米深的海底军事通信电缆上安装了一个6米长的窃听设备,它大量记录了所有经过电缆的通信信号。由于没有采取任何加密措施,而使大量军事通信情报轻易地落在了美国人手中。美国在信息泄漏的制技术方面也很高明。美国国家安全局和美国国防部从二十世纪六十年代就开始研究制定和逐步完善的防电磁泄漏标准,就是用于计算机及信息设备防信息泄漏的研究被称作Tempest技术。IBM开发的Tempest个人计算机、打印机、显示器等产品.就有明显的市场竞争力。在网络时代,信息泄漏被认为是对网络安全的最大威胁。所以,防信息泄漏已不再只是对军事领域才有意义,而在经济领域及各行各业都应引起足够的重视了。


  (三)机载系统的EMI现象
  我们都知道,在飞机上不允许使用笔记本电脑、手机和听CD片等。其原因就在于避免这些设备产生电磁骚扰。一旦电磁骚扰通过飞机上的电缆线藕合到机上的敏感设备,就可能形成干扰,使设备工作不稳,甚至失控。如果这些骚扰通过机舱的窗户向外辐射,使空间的电磁环境更加复杂,而机身上有大量的传感器和数十付天线,就会因干扰而增加飞机偏离航线或造成其它事故的可能性。本来飞机设计对电磁兼容性,尤其是抗扰性的要求就是非常高的。
  现代交通工具越来越多的依赖于电子系统。对车载接收、监控和定位等电子控制系统来说,如果电磁抗扰度不够,就很容易受空间电磁环境干扰而不能正常工作,甚至失控造成事故。如气囊的保护失灵、定位错误等。铁路道岔的信号自动控制,如果因电磁干扰造成误控,将会给列车的行驶带来不堪设想的灾难。


  (四)微波领域的电磁干扰
  卫星地面站和雷达装置都会受到诸如:特高频波段的电视信号、核电信号等干扰。如美国正在研制的新一代大功率徽波武器,其频率在l~100GHz范围,可想,强的微波辐射将会给电子设备或系统以及生物带来多么严重的破坏和杀伤。
  移动电话正在我国蓬勃发展,可是它所产生的电磁干扰给持手机的人们带来许多困扰和惊恐。目前,国家尚无关于移动电话的电磁辐射卫生标准,也无手机电磁辐射测试方法的标准.但据有关部门的初步检测和分析,认为手机的电磁辐射为点频微波辐波。手机在使用过程中,其电磁辐射以手机与基站(网)取得联系时最大,第一声铃响后,辐射逐渐减小。所以,在手机接通后的最初几秒之内,最好不要马上将手机贴耳接听。因为人的大脑和眼睛对辐射是比较敏感的,以免造成伤害。当然,在通话过程中,声调的高低、声音的大小和快慢也会使辐射有所不同。另外,手机的类型不同,天线的内置或外置,其辐射都会有些差别。

  (五)EMI对医疗卫生设备或系统的危害
  当今,许多医疗设备都采用了先进的电子和信息技术。这些设备的抗扰度如何,直接关系到人们的生命安危。如心脏起膊器,往往就会受到来自计算机、手机等的电磁干扰,使其功能发生变化。据说,一付由生物电控制的假肢,在高压线下受到电磁干扰后人仰车翻。所以医疗设备的电磁兼容性设计尤为重要,医疗单位的电磁环境值得关注。
  另外,雷电和静电放电的危害,也属电磁危害范畴,其危害的严重性是人们多有体会和认识的。


  四、坚持电磁兼容设计,确保产品质量
  EMC学科的建立和一系列电磁兼容标准的制定,为我们从理论与实践的结合上实现产品或系统的电磁兼容提供了指导。
  EMC设计的目标是通过EMC测试和认证。
  EMC设计的最终目的是为了使我们的设备或系统能在预定的电磁环境中正常、稳定的工作,并对该电磁环境中的任何事物不构成电磁骚扰,即实现电磁兼容。
  EMC设计涉及的内容很多。从原理上讲,要研究
干扰的三要素(干扰源、干扰的藕合通道和接收器)和
抑制干扰措施等。从技术来说,主要是如何运用滤波、
接地和屏蔽三大技术。


  电磁兼容设计的基本原则和方法,首先是根据产品设计对EMC提出的要求和相应的指标,然后,依据电磁兼容的有关标准和规范,将设计产品的电磁兼容性指标要求分解成元器件级、电路级、模块级和产品级的指标要求,再按照各级要实现的功能要求,逐级分层次的进行设计。

  电磁兼容性设计应考虑的问题很多,但从根据上讲,就是如何提高设备的抗扰度和防止电磁泄漏。通常采取的措施,一方面设备或系统本身应选用互相干扰最小的设备、电路和部件,并进行合理的布局。再就是通过接地、屏蔽及滤波技术,抑制与隔离电磁骚扰。对不同的设备或系统有不同的设计方法和措施。下面具体谈点粗浅认识。


  (一)元器件的选择和电路的分析是EMC设计的基础
  以计算机为例.它是以数字电路为主,以低电平传输信号的设备。所用的数字集成电路既是干扰源,又是干扰的敏感器件,以存储器为代表的MOS器件就是一个典型例子。存储器瞬间工作时能产生很大电流,加之工作频率可达百兆以上,因而易产生窜扰,造成误动作或通过公共阻抗干扰其它电路。但另一方面,MOS器件本身的抗扰性又很差。数字电路传送脉冲信号,产生的辐射频率范围很宽,如时钟产生器、高速逻辑电路等都会产生高频干扰和电磁泄漏,同时也会受通信、电视等频段的电磁骚扰。因此,在设计时要考虑选用抗干扰器件,合理确定指标和运用接地、屏蔽等技术。


  (二)电珠系统的电磁兼容性设计
  无论是信息技术设备还是无线电电子、电气产品都要有电源供电。电源有外电源和内电源,电源是典型的也是危害严重的电磁干扰源。如电网的冲击,尖峰电压可高达千伏以上,会给设备或系统带来毁灭性的破坏。另外,电源干线是多种干扰信号侵人设备的途径。因此,电源系统,特别是开关电源的EMC设计是部件级设计的重要环节。其措施多种多样,诸如供电电缆直接从电网总闸引出,电网引出的交流经稳压、低通滤波、电源变压器绕组间的隔离、屏蔽以及浪涌抑制和过压过流保护等。


  (三)接地系统的抗干扰设计
  良好的接地可以保护设备或系统的正常操作以及人身安全。可以消除各种电磁干扰和雷击等。所以接地设计是非常重要的,但也是难度较大的课题。地线的种类很多,有逻辑地、信号地、屏蔽地、保护地等。接地的方式也可分单点接地、多点接地、混合接地和悬浮地等。理想的接地面应为零电位,各接地点之间无电位差。但实际上,任何“地”或接地线都有电阻。当有电流通过时,就会产生压降,使地线上的电位不为零,两个接地点之间就会存在地电压。当电路多点接地,井有信号联系时,就将构成地环路干扰电压。因此,接地技术十分讲究,如信号接地与电源接地要分开,复杂电路采用多点接地和公共地等。


  (四)印制电路板的EMC设计
  元器件、电路和地线引起的骚扰都会在印制电路板上反映出来。因此,印制电路板的EMC工程设计非常关键。印制电路板的布线要合理,如采用多层板,电源线与地线靠近,时钟线、信号线与地线的臣离要近等,以减少电路工作时引起内部噪声。严格执行印制电路板的工艺标准和规范,模拟和数字电路分层布局,以达到板上各电路之间的相互兼容。


  另外,值得注意的是在进行EMC设计时,一定不能忽略对静电放电(ESD)的防护。ESD防护的关键,一是防止静电核的产生和积累,再就是阻隔ESD效应的发生。阻止披电的方法和措施很多,这里不做赘述。


  五、掌握并运用EMC测试技术
  EMC设计与EMC测试是相辅相成的。EMC设计的好坏是要通过EMC测试来衡量的。只有在产品的EMC设计和研制的全过程中,进行EMC的相容性预测和评估,才能及早发现可能存在的电磁干扰,并采取必要的抑制和防护措施,从而确保系统的电磁兼容性。否则,当产品定型或系统建成后再发现不兼容的题,则需在人力、物力上花很大的代价去修改设计或采用补救的措施。然而,往往难以彻底的解决问题,而给系统的使用带来许多麻烦。

  EMC测试包括测试方法、测量仪器和试验场所,测试方法以各类标准为依据,测量仪器以频域为基础,试验场地是进行EMC测试的先决条件,也是衡量EMC工作水平的重要因素。EMC检测受场地的影响很大,尤其以电磁辐射发射、辐射接收与辐射敏感度的测试对场地的要求最为严格。目前,国内外常用的试验场地有:开阔场、半电波暗室、屏蔽室和横电磁波小室等。

  作为EMC测试的实验室大体有两种类型:一种是经过EMC权威机构审定和质量体系认证而且具有法定测试资格的综合性设计与测试实验室。或称检测中心。它包括有进行传导干扰、传导敏感度及静电放电敏感度测试的屏蔽室,有进行辐射敏感度测试的消声屏蔽室,有用来进行辐射发射测试的开阔场地和配备齐全的测试与控制仪器设备。要建立这样一套完善的实验室需投入几百万甚至数千万元人民币。目前,国内已有数家已建成或正在投资兴建。


  另一种类型就是根据本单位的实际需要和经费情况而建立的具有一定测试功能的EMC实验室。比起大型的综合实验室,这类测试实验室规模小,造价低。主要适用于预相容测试和EMC评估。也就是为了使产品在最后进行EMC认证之前,具有自测试和评估的手段。如有不足,还可充分利用社会成果,内外合作,相互比对和交流,以达节约开支,改进设计,不断提高产品的电磁兼容性之目的。

  在测试仪器方面,以频谱分析仪为核心的自动检测系统,可以快捷、准确地提供EMC有关参数。新型的EMC扫描仪与频谱仪相结合,实现了电磁辐射的可视化。可对系统的单个元器件,PCB板、整机与电缆等进行全方位的三维测试,显示真实的电磁辐射状况。

  EMC测试必须依据EMC标准和规范给出的测试方法进行,并以标准规定的极限值作为判据。对于预相容测试,尽管不可能保证产品通过所有项目的标准测试,但至少可以消除绝大部分的电磁干扰,从而提高产品的可信度。而且能够指出你如何改进设计、抑制EMI发射。


  六、结束语
  EMC作为一门多学科的高新技术,以其在质量保证体系中的重要作用而逐渐被人们所认识。坚持电磁兼容性设计,提高贯彻EMC标准的意识性。消除电磁干扰,实现电磁兼容,从根本上提高产品的质量与可靠性。