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淺談電磁兼容控制、設(shè)計及其測試

日期:2024-09-20 14:44
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摘要: 中心論題: 1、電磁兼容的控制方法和設(shè)計方法 2、元器件的選擇和電路的分析 3、電源系統(tǒng)的EMC設(shè)計 4、接地系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計 5、印制電路板的EMC設(shè)計 6、電磁兼容的測試方法 解決方案: EMC控制策略與控制技術(shù)方案:傳輸通道抑制、空間分離、時間分隔、頻率管理、電氣隔離。 EMC設(shè)計首先提出要求和相應(yīng)指標,然后將其分解成元器件級、電路級、模塊級和產(chǎn)品級的指標要求,逐級分層次的進行設(shè)計。 EMC測試必須依...


中心論題:

 

1、電磁兼容的控制方法和設(shè)計方法

2、元器件的選擇和電路的分析

3、電源系統(tǒng)的EMC設(shè)計

4、接地系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

5、印制電路板的EMC設(shè)計

6、電磁兼容的測試方法


解決方案:

 

EMC控制策略與控制技術(shù)方案:傳輸通道抑制、空間分離、時間分隔、頻率管理、電氣隔離。

EMC設(shè)計首先提出要求和相應(yīng)指標,然后將其分解成元器件級、電路級、模塊級和產(chǎn)品級的指標要求,逐級分層次的進行設(shè)計。

EMC測試必須依據(jù)EMC標準和規(guī)范給出的測試方法進行,并以標準規(guī)定的極限值作為判據(jù)。

 

摘要: 本文提出了對電磁兼容性的控制方法,以及針對不同的設(shè)備或系統(tǒng)不同的設(shè)計方案,并介紹了電磁兼容性的測試。

關(guān)鍵詞: 電磁兼容性;控制;設(shè)計;測試

 

        自從電子系統(tǒng)降噪技術(shù)在70 年代中期出現(xiàn)以來,美國聯(lián)邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992年提出了對商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章,這些規(guī)章要求各個公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴格的磁化系數(shù)和發(fā)射準則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性EMCElectromagnetic Compatibility)。所謂的電磁兼容性是設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

        國際標準化組織已經(jīng)和正在制定EMC 的有關(guān)標準和規(guī)范。我國在這方面的起步雖然較晚,但發(fā)展很快。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展,我國要參與世界技術(shù)市場的競爭,進出口的電子產(chǎn)品都必須通過EMC檢驗。我國98年已立法強制對六類進口電子產(chǎn)品(計算機、顯示器、打印機、開關(guān)電源、電視機和音響)及通信終端產(chǎn)品施行EMC檢測。同時,國內(nèi)也正在審定和驗收正式的EMC認證機構(gòu)和實驗室。產(chǎn)品的EMC檢測是實現(xiàn)電磁兼容不可缺少的技術(shù)手段,強制貫徹電磁兼容標準,則是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高市場競爭力的先決條件。


電磁兼容性的控制方法

        EMC學(xué)科是在早期單純的抗干擾方法基礎(chǔ)上發(fā)展形成的,兩者的目標都是為了使設(shè)備和系統(tǒng)達到在共存的環(huán)境中互不發(fā)生干涉,*大限度地發(fā)揮其工作效率。但是,早期的抗干擾方法和現(xiàn)代的EMC技術(shù)在控制電磁干擾策略思想上有著本質(zhì)的差別。

單純的抗干擾方法在抑制干擾的思想方法上比較簡單,或者認識比較膚淺,主要的思路集中在怎樣設(shè)法抑制干擾的傳播上,因此工程技術(shù)人員處于極為被動的地位,哪里有干擾就在哪里就事論事的給予解決,當然經(jīng)驗豐富的工程師也會采取預(yù)防措施,但這僅僅是根據(jù)經(jīng)驗局部的應(yīng)用,解決問題的方法也是單純的對抗式的措施。

       EMC 技術(shù)在控制干擾的策略上采取了主動預(yù)防、整體規(guī)劃和對抗疏導(dǎo)相結(jié)合的方針。人類在征服大自然各種災(zāi)難性危害中,總結(jié)出的預(yù)防和救治、對抗和疏導(dǎo)等一系列策略,在控制電磁危害中同樣是極其有效的思維方法。

       首先EMC 控制是一項系統(tǒng)工程,應(yīng)該在設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計、研制、生產(chǎn)、使用與維護的各階段都充分的予以考慮和實施才可能有效??茖W(xué)而先進的EMC 工程管理是有效控制技術(shù)的重要組成部分。在控制方法,除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術(shù),如屏蔽、接地、答接、合理布線等方法以外,還可以采取回避和疏導(dǎo)的技術(shù)處理,如空間方位分離、頻率劃分與回避、濾波、吸收和旁路等等,有時這些回避和疏導(dǎo)技術(shù)簡單而巧妙,可以代替成本費用昂貴而質(zhì)量體積較大的硬件措施,收到事半功倍的效果。

      在解決電磁干擾問題的時機上,應(yīng)該由設(shè)備研制后期暴露出不兼容問題而采取挽救修補措施的被動控制方法,轉(zhuǎn)變成在設(shè)備設(shè)計初始階段就開展預(yù)測分析和設(shè)計,預(yù)先檢驗計算,并**規(guī)劃實施細則和步驟,做到防患于未然。把EMC 設(shè)計和可靠性設(shè)計,維護性、維修性設(shè)計與產(chǎn)品的基本功能結(jié)構(gòu)設(shè)計同時進行,并行開展。EMC 控制技術(shù)是現(xiàn)代并行工程的組成內(nèi)容之一。

 


EMC 控制策略與控制技術(shù)方案可分為如下幾類:

a.傳輸通道抑制:具體方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、布線。

b.空間分離:地點位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場矢量方向控制。

c.時間分隔:時間共用準則、雷達脈沖同步、主動時間分隔、被動時間分隔。

d.頻率管理:頻率管制、濾波、頻率調(diào)制、數(shù)字傳輸、光電轉(zhuǎn)換。

e.電氣隔離:變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、DC/DC變換。


電磁兼容性的設(shè)計方法

 

        EMC 設(shè)計的基本原則和方法,首先是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計對EMC 提出的要求和相應(yīng)指標,然后,依據(jù)EMC 的有關(guān)標準和規(guī)范,將設(shè)計產(chǎn)品的EMC 指標要求分解成元器件級、電路級、模塊級和產(chǎn)品級的指標要求,再按照各級要實現(xiàn)的功能要求,逐級分層次的進行設(shè)計。

       EMC 設(shè)計應(yīng)考慮的問題很多,但從根本上講,就是如何提高設(shè)備的抗擾度和防止電磁泄漏。通常采取的措施,一方面設(shè)備或系統(tǒng)本身應(yīng)選用互相干擾*小的設(shè)備、電路和部件,并進行合理的布局。再就是通過接地、屏蔽及濾波技術(shù),抑制與隔離電磁騷擾。對不同的設(shè)備或系統(tǒng)有不同的設(shè)計方法和措施。

下面具體談點粗淺認識。

 


元器件的選擇和電路的分析是EMC 設(shè)計基礎(chǔ)

 

        以計算機為例.它是以數(shù)字電路為主,以低電平傳輸信號的設(shè)備。所用的數(shù)字集成電路既是干擾源,又是干擾的敏感器件,以存儲器為代表的MOS器件就是一個典型例子。存儲器瞬間工作時能產(chǎn)生很大電流,加之工作頻率可達百兆以上,因而易產(chǎn)生竄擾,造成誤動作或通過公共阻抗干擾其它電路。但另一方面,MOS 器件本身的抗擾性又很差。數(shù)字電路傳送脈沖信號,產(chǎn)生的輻射頻率范圍很寬,如時鐘產(chǎn)生器、高速邏輯電路等都會產(chǎn)生高頻干擾和電磁泄漏,同時也會受通信、電視等頻段的電磁騷擾。因此,在設(shè)計時要考慮選用抗干擾器件,合理確定指標和運用接地、屏蔽等技術(shù)。

 


電源系統(tǒng)的EMC 設(shè)計

       無論是信息技術(shù)設(shè)備還是無線電電子、電氣產(chǎn)品都要有電源供電。電源有外電源和內(nèi)電源,電源是典型的也是危害嚴重的電磁干擾源。如電網(wǎng)的沖擊,尖峰電壓可高達千伏以上,會給設(shè)備或系統(tǒng)帶來毀滅性的破壞。另外,電源干線是多種干擾信號侵人設(shè)備的途徑。因此,電源系統(tǒng),特別是開關(guān)電源的EMC 設(shè)計是部件級設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。其措施多種多樣,諸如供電電纜直接從電網(wǎng)總閘引出,電網(wǎng)引出的交流經(jīng)穩(wěn)壓、低通濾波、電源變壓器繞組間的隔離、屏蔽以及浪涌抑制和過壓過流保護等。


接地系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

 

        良好的接地可以保護設(shè)備或系統(tǒng)的正常操作以及人身**??梢韵鞣N電磁干擾和雷擊等。所以接地設(shè)計是非常重要的,但也是難度較大的課題。地線的種類很多,有邏輯地、信號地、屏蔽地、保護地等。接地的方式也可分單點接地、多點接地、混合接地和懸浮地等。理想的接地面應(yīng)為零電位,各接地點之間無電位差。但實際上,任何“地”或接地線都有電阻。當有電流通過時,就會產(chǎn)生壓降,使地線上的電位不為零,兩個接地點之間就會存在地電壓。當電路多點接地,井有信號聯(lián)系時,就將構(gòu)成地環(huán)路干擾電壓。因此,接地技術(shù)十分講究,如信號接地與電源接地要分開,復(fù)雜電路采用多點接地和公共地等。

 


印制電路板的EMC 設(shè)計

        元器件、電路和地線引起的騷擾都會在印制電路板上反映出來。因此,印制電路板的EMC 工程設(shè)計非常關(guān)鍵。印制電路板的布線要合理,如采用多層板,電源線與地線靠近,時鐘線、信號線與地線的距離要近等,以減少電路工作時引起內(nèi)部噪聲。嚴格執(zhí)行印制電路板的工藝標準和規(guī)范,模擬和數(shù)字電路分層布局,以達到板上各電路之間的相互兼容。

       另外,值得注意的是在進行EMC 設(shè)計時,一定不能忽略對靜電放電(ESD)的防護。ESD 防護的關(guān)鍵,一是防止靜電核的產(chǎn)生和積累,再就是阻隔ESD 效應(yīng)的發(fā)生。阻止靜電的方法和措施很多,這里不做贅述。

 


電磁兼容性的測試方法

 

         EMC 設(shè)計與EMC 測試是相輔相成的。EMC設(shè)計的好壞是要通過EMC 測試來衡量的。只有在產(chǎn)品的EMC 設(shè)計和研制的全過程中,進行EMC 的相容性預(yù)測和評估,才能及早發(fā)現(xiàn)可能存在的電磁干擾,并采取必要的抑制和防護措施,從而確保系統(tǒng)的EMC。否則,當產(chǎn)品定型或系統(tǒng)建成后再發(fā)現(xiàn)不兼容的題,則需在人力、物力上花很大的代價去修改設(shè)計或采用補救的措施。然而,往往難以徹底的解決問題,而給系統(tǒng)的使用帶來許多麻煩。

        EMC 測試包括測試方法、測量儀器和試驗場所,測試方法以各類標準為依據(jù),測量儀器以頻域為基礎(chǔ),試驗場地是進行EMC 測試的先決條件,也是衡量EMC 工作水平的重要因素。EMC 檢測受場地的影響很大,尤其以電磁輻射發(fā)射、輻射接收與輻射敏感度的測試對場地的要求*為嚴格。目前,國內(nèi)外常用的試驗場地有:開闊場、半電波暗室、屏蔽室和橫電磁波小室等。

        作為EMC 測試的實驗室大體有兩種類型:一種是經(jīng)過EMC 權(quán)威機構(gòu)審定和質(zhì)量體系認證,而且具有法定測試資格的綜合性設(shè)計與測試實驗室。或稱檢測中心。它包括進行傳導(dǎo)干擾、傳導(dǎo)敏感度及靜電放電敏感度測試的屏蔽室,進行輻射敏感度測試的消聲屏蔽室,用來進行輻射發(fā)射測試的開闊場地和配備齊全的測試與控制儀器設(shè)備。要建立這樣一套完善的實驗室需投入幾百萬甚至數(shù)千萬元人民幣。目前,國內(nèi)已有數(shù)家已建成或正在投資興建。

        另一種類型就是根據(jù)本單位的實際需要和經(jīng)費情況而建立的具有一定測試功能的EMC實驗室。比起大型的綜合實驗室,這類測試實驗室規(guī)模小,造價低。主要適用于預(yù)相容測試和EMC 評估。也就是為了使產(chǎn)品在*后進行EMC 認證之前,具有自測試和評估的手段。如有不足,還可以充分利用社會成果,內(nèi)外合作,進行相互比對和交流,以達節(jié)約開支,改進設(shè)計,不斷提高產(chǎn)品的EMC 之目的。

        在測試儀器方面,以頻譜分析儀為核心的自動檢測系統(tǒng),可以快捷、準確地提供EMC 有關(guān)參數(shù)。新型的EMC 掃描儀與頻譜儀相結(jié)合,實現(xiàn)了電磁輻射的可視化??蓪ο到y(tǒng)的單個元器件,PCB 板、整機與電纜等進行全方位的三維測試,顯示真實的電磁輻射狀況。

       EMC 測試必須依據(jù)EMC 標準和規(guī)范給出的測試方法進行,并以標準規(guī)定的極限值作為判據(jù)。對于預(yù)相容測試,盡管不可能保證產(chǎn)品通過所有項目的標準測試,但至少可以消除絕大部分的電磁干擾,從而提高產(chǎn)品的可信度。而且能夠指出你如何改進設(shè)計、抑制EMI 發(fā)射。

 


        本文僅概略的介紹了一些產(chǎn)生電磁干擾的來源及其產(chǎn)品設(shè)計抑制方法。EMC 作為一門多學(xué)科的高新技術(shù),以其在質(zhì)量保證體系中的重要作用而逐漸被人們所認識。堅持EMC 性設(shè)計,提高貫徹EMC標準的意識性。消除電磁干擾,實現(xiàn)EMC,從根本上提高產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。

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