電子設備電磁兼容性設計*

王連坡

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

1 引言

電子設備的廣泛應用和發展,必然導致它們在其周圍空間產生的電磁場電平的不斷增加,電子設備不可避免的在電磁環境中工作,因此,必須要解決電子設備在電磁環境中的適應能力。如果不解決好電子設備系統的電磁兼容性問題,整個系統將無法正常工作,所以電子設備的電磁兼容設計的重要性應該得到我們的充分重視。電磁兼容性的研究是圍繞構成電磁干擾的三要素進行的,即干擾源、干擾傳輸途徑和干擾接受器。電子設備的電磁兼容性設計主要包括:限制干擾源的電磁發射、控制電磁干擾的傳播以及增強敏感設備的抗干擾能力。

2 電子設備電磁兼容性

電磁兼容性是指器件、設備或系統在所處電磁環境中良好運行,并且不對其所在環境產生任何難以承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容涵蓋了電磁干擾和電磁敏感度。為實現系統內設備互不干擾、兼容運行,即要控制騷擾源的電磁發射,又要提高受騷擾對象的抗擾度。

電磁兼容性設計依據為系統內電磁環境及系統內設備的電磁敏感度。設系統內干擾源 N的作用功率為Pin(n=1,2,…),而被干擾設備M能夠承受的電磁干擾的容限為Prm(m=1,2,…),則干擾功率Pamn可用下式決定:

式中:Kimn干擾源N對被干擾源設備M 產生干擾作用的有效作用系數;Kpmn干擾源N對被干擾源設備M產生干擾的耦合作用系數;Ks mn被干擾源設備M對電磁干擾的敏感度。

當干擾功率 Pamn大于受干擾設備的容限Prm時,就需要采取措施改善電磁兼容性。當 Pamn＞Prm時,可以采取措施減小干擾源作用功率Pin或減小干擾源對被干擾設備M的干擾的有效作用的成分(即減小Kimn),也可以采取措施降低干擾源 N對被干擾設備M產生干擾的耦合作用系數Kpmn,如減小耦合電容,減小耦合電感或切斷公共阻抗的耦合渠道;也可以采取措施降低被干擾設備 M的電磁干擾敏感度Ksmn或提高被干擾設備的承受干擾的容限Prm。

3 電磁干擾方式及傳播途徑

電磁干擾按干擾來源可分為自然騷擾源和人為騷擾源,兩種形式的電磁干擾都是影響電子設備電磁兼容性的主要因素,同時搞清電磁干擾的能源和傳播途徑是電子設備電磁兼容性設計的一項主要研究內容。

3.1 內部干擾

內部干擾是指電子設備內部各元器件之間的相互干擾,主要包括以下幾種情況:

1)工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產生漏電造成的干擾;

2)信號通過地線、電源和傳輸導線的阻抗互相耦合或導線之間的互感造成的干擾;

3)設備或系統內部某些元件發熱,影響元器件本身或者其它元器件的穩定性造成的干擾;

4)大功率和高電壓部件產生的磁場、電場通過耦合影響其它部件造成的干擾。

3.2 外部干擾

外部干擾是指電子設備或系統以外的因素對線路、設備或系統產生的干擾,主要包括以下幾種情況:

1)外部高電壓和電源通過絕緣漏電對線路、設備或系統產生的干擾;

2)外部大功率設備在空間產生很強的磁場,通過互相耦合對電子線路、設備或系統產生的干擾;

3)外部空間電磁波對電子線路、設備或系統產生的干擾;

4)工作環境溫度不穩定,引起電子線路、設備或系統內部元器件參數改變造成的干擾;

5)由工業電網供電的設備和由電網電壓通過電源變壓器產生的干擾。

3.3 電磁干擾的傳播途徑

1)沿電源線或信號線傳輸的電磁騷擾稱為傳導干擾。電子系統內各設備之間或電子設備內各單元之間存在各種連線,如電源線、信號互連線及公用地線等,這樣就有可能使一個設備(或單元電路)的電磁能量沿著這類導線傳輸到毗鄰設備或單元電路,造成干擾;

2)輻射干擾是指通過空間傳播的電磁騷擾。騷擾源的周圍空間可劃分兩個區域:緊靠騷擾源的區域稱作近場區或感應場區;距離大于λ/(2π)的區域稱作遠場區或輻射場區。

4 電磁兼容性設計

干擾源、耦合途徑和感受器(敏感裝置)構成了電磁干擾的三要素,三者缺一不可。電子設備電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各類外來的干擾,使電子設備在特定的電磁環境中能夠正常工作,同時又能減少電子設備本身對其它電子設備的電磁干擾。電磁兼容性設計內容包括:限制干擾源的電磁發射、控制電磁干擾的傳播及增強敏感設備的抗干擾能力。

4.1 PCB設計

PCB是電子設備的基石,PCB的電磁兼容設計是設備電磁兼容設計的基石。PCB設計時,主要是在抑制傳導和輻射兩方面采取措施,減輕電磁騷擾產生的影響。電子設備PCB的電磁兼容設計,關鍵在于模擬和邏輯有源器件固有的電磁敏感特性,由于方波信號具有高階諧波成分,因此在數字電路設計時,應在滿足產品設計要求的情況下,盡量選擇低的邊沿變化速度。除元器件選擇外,還要綜合運用去耦電容、鐵氧體端接、線路排布、地和電源設計等有效手段,增強去耦效果,優化抗擾性能。

4.2 屏蔽設計

屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳輸的一種措施。屏蔽體是用以阻止或減小電磁能傳輸而對裝置進行封閉或遮蔽的一種阻擋層,它可以是導電、導磁、介質的,或帶有非金屬吸收填料的。在設備的元器件和布局一定的前提下,屏蔽在電磁兼容性設計中就成為一項非常重要的內容。在屏蔽設計時,重點考慮以下幾項措施:

1)屏蔽體材料的選取。屏蔽材料主要分為電屏蔽和磁屏蔽兩種,在電磁兼容性設計時,應根據設備的具體使用環境合理的選取屏蔽材料,常用金屬材料的相對電導率σr和相對磁導率ur見表1。

2)縫隙的電磁屏蔽設計。實踐證明,當縫隙的最大線形尺寸等于干擾源半波長的整數倍時,縫隙的電磁泄漏最大,一般要求縫隙的最大線形尺寸小于λ/100波長,至少不大于λ/10波長。縫隙的結構示意圖和等效電路如圖1所示。工程設計中,為減小縫隙的長度,主要采用了以下設計:

(1)合理布置螺釘;

(2)采用導電柔性介質的屏蔽設計;

機械化插秧之前需要對栽插大田妥善處理，田面高度相差不得超過3 cm，確保農田表面軟硬適中，不存在雜草和其他雜質磚石。

(3)增大接觸面的屏蔽設計。

表1 常用金屬材料對銅的相對電導率σr和相對磁導率ur[2]

圖1 縫隙示意圖及其等效電路圖

3)孔洞的電磁屏蔽設計。電子設備因通風散熱、調控軸、表頭安裝及連接電纜等不可避免的會開制一些孔洞,電磁能量經孔洞泄漏,是屏蔽體屏蔽效能下降的重要原因之一。且屏蔽效果會隨著孔洞的增大而變小,一般來說,孔洞的尺寸應小于λ/50,且不得大于 λ/20[3]。

4.3 接地技術

在電子設備中,接地是抑制電磁噪聲和防止干擾的重要手段,其中包括接地點的選擇,電路組合接地的設計和抑制接地干擾措施的應用等方面都應全面考慮。以下為減小電磁干擾所采取的接地技術設計:

1)減少接地點之間電位差;

2)管形接地線;

3)保證接地線的電氣連接可靠性;

4)接地方式的選擇。在電子設備中有三種基本接地方式:懸浮地、單點接地和多點接地。單點接地適用于低頻,多點接地適用于高頻。一般來說,頻率在1MHz以下可采用單點接地方式,頻率高于10MHz應采用多點接地方式,頻率在1MHz～10MHz之間,可以采用混合接地。

4.4 濾波技術

濾波技術是抑制電氣、電子設備傳導干擾的主要手段之一,也是提高電子設備抗傳導干擾能力的重要措施。電磁干擾濾波器可以顯著地減小傳導干擾電平,利用阻抗失配原理,使電磁干擾信號受到衰減。濾波器的安裝對其性能影響非常大,在使用濾波器時應注意以下事項:

1)濾波器金屬殼與機箱殼必須保證良好面接觸,并將地線界好[4];

2)濾波器輸入線、輸出線必須拉開距離,切忌并行,以免濾波器效能降低;

3)濾波器的連接線以選用雙絞線為佳,它可有效消除部分高頻干擾信號;

4)濾波器的安裝位置應選在電源入口處,以縮短輸入線在機箱內的長度,減少輻射干擾。

4.5 合理布局

合理布局包括系統內各單元之間的相對位置和電纜走線等,其基本原則是使感受器和干擾源盡可能遠離,輸出與輸入端口妥善分隔,高電平電纜及脈沖引線與低電平電纜分別敷設。通過合理布局能使相互干擾減小到最小程度而費用又不多。

5 電磁兼容性預評估及建模

5.1 電磁兼容性預評估

電磁兼容的管理和計劃往往并不包括在電子設備或系統的設計中,目前比較流行的做法就是依賴傳統的設計實踐,在設計完成后,付出更高的代價來解決試驗中出現的電磁干擾問題。但隨著電磁干擾問題的影響范圍及程度的不斷增加,傳統的設計實踐已不再總能滿足電磁兼容要求,必須采取電磁兼容性預評估技術。

對電磁兼容預估應在設備、分系統或系統一級設計時就盡可能早的加以考慮,然后在隨后的設計中不斷的改進完善。電磁兼容預評估的主要目的可歸納為下列的一個或幾個:盡早使有問題的區域暴露出來,并據此使設計從經濟上更為合算;縮短設備推向市場的周期等。

5.2 電磁兼容性計算機建模

電磁兼容性是一門非常復雜的多學科交叉的新興學科,要想對某設備或系統進行電磁兼容性預評估,必須先將該設備或系統簡化成一個比較簡單的數學模型。建模方法通常主要受制于頻率和被建模幾何體。用計算機程序來輔助電磁兼容性分析,不僅可以節省大量時間,還能盡可能減少計算誤差和加速計算進程。計算機建模過程主要由以下五個步驟[5]:

1)幾何圖形描述的定義;

2)電氣描述的定義;

3)模型的有效性;

4)求解結果描述的定義;

5)輸出顯示。

不管使用什么類型的程序,必不可少的是要將計算結果與實際測量結果或根據工程經驗得出的結果進行比較,以檢查它們的一致性。

6 結語

電子設備在設計過程和實際應用及維護的各階段,都充分地予以考慮和實施才是有效電子設備的電磁兼容控制策略,科學而先進的電磁兼容工程管理是有效控制技術的重要組成部分。電子設備運行過程中各種干擾是隨機的,在設計之前應對其進行預評估,在設計過程中合理運用屏蔽、濾波、接地及合理布局等技術,通過科學試驗檢驗設備的電磁兼容性,以其能夠對各種干擾進行定位消除等。

[1]馮慈章,馬西奎.工程電磁場導論[M].北京:高等教育出版社,2002

[2]邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京:東南大學出版社,2005

[3]王連坡,茅文深.電磁屏蔽技術在結構設計中的應用[J].艦船電子工程,2010,30(1)

[4]周旭.電子設備結構與工藝[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004,7

[5]王守三,楊自佑,譯.電磁兼容原理與應用[M].北京:機械工業出版社,2006