電磁兼容檢測分析及優化整改思路

蔡 林，曾立英，蘇邦偉，唐晗翔

（國家工礦電傳動車輛質量監督檢驗中心（湖南），湖南 湘潭 411201）

0 引 言

隨著社會的發展、科技的進步和智能制造的推廣，人們的日常生活和工業生產中出現了越來越多的電子產品和電氣設備。電子、電氣產品技術日新月異，產品的更新周期變短。隨著電磁場強的不斷增加，電磁場對工業生產以及人們的生活環境的影響越來越大，電磁場環境日趨復雜。本文對電子、電氣產品電磁兼容性能進行可靠測試與分析，根據檢測結果制定切實可行的優化方案[1]。

1 電磁兼容分析與檢測

1.1 電磁兼容性分析

電磁兼容性是指電子、電氣設備或系統在其安裝場所的電磁場環境中能正常工作，同時不對其他設備系統形成干擾，簡稱EMC。EMC包含EMI及EMS兩部分。EMI（Electromagneti Cinference）電磁干擾是一種會造成設備或系統工作不穩定或降級的電磁現象；EMS（Electromagnetic Susceptibility）電磁抗干擾或電磁敏感度，指機器在實現自身功能的過程中不受周圍電磁環境影響。EMC問題產生的三個要素：電磁干擾源、耦合通道和敏感設備。各種電氣設備運行時，以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射三種方式來相互作用，某一時刻可能干擾、影響和危害設備正常運行和人員健康。電磁兼容性即EMC學科，研究和解決這一問題的產生和發展，主要研究干擾的產生、傳播、接收及抑制的機理，開發相關測量和計量技術。為解決以上問題，遵循技術經濟最優的原則，基于干擾的等級、抗干擾能力及其抑制措施做出合理規劃，以保障工作于該電磁場環境中的設備的兼容性。同時，不允許對該環境中其他任何的實體引入超出允許的電磁場擾動。針對設備電磁兼容性測試主要有輻射發射值、輻射敏感度及屏蔽的效能。輻射發射值測試是指檢測設備對周圍環境在全頻段范圍內的電磁干擾，分析電磁場干擾的形成機理及抑制措施，一般需對電磁干擾信號的時域、頻域、能量及信號形式等特征進行測試分析。輻射敏感度是測試設備在承受環境中電磁場干擾的抗擾度檢測。屏蔽的效能測試則是檢測阻斷干擾耦合通道的能力。以上三項檢測是以符合電磁干擾的三大要素要求為依據設置的。

1.2 電磁兼容性檢測

電磁兼容性檢測包括傳導干擾、傳導敏感度、靜電放電敏感度、輻射敏感度及輻射發射等項目。測試場所主要設置在開闊場、屏蔽室及電波暗室等符合要求的環境場所[2]。對測試儀器，采用以頻譜分析儀為核心的自動檢測系統。本系統能自動檢測電磁兼容性的有關參數，快速和準確地通過圖表方式進行顯示。如需全方位對電氣產品中的各部件、PCB板及連接電纜進行電磁兼容性檢測，還必須利用電磁兼容掃描儀，結合檢測系統，才能實現電磁兼容性檢測的可視化。電磁兼容性測試有直接測試、替代測試及自動測試等形式。電磁兼容性檢測須按照相關標準和規范進行，并以對應產品標準規定的限值進行判定。前期的予相容測試能杜絕絕大部分的電磁場干擾，提高產品的可行性，同時能為改進設計方案、抑制EMI發射指明方向。

1.3 電磁兼容抑制

電磁兼容的抑制應從EMC問題產生的三個要素——濾波、接地和屏蔽入手[3]。

1.3.1 濾波

由電磁場傳播機理和屏蔽技術可知，直接穿透屏蔽體的導線均會造成屏蔽體的屏蔽失效。使用濾波器的電磁兼容是抑制的有效方法之一。該技術是在干擾源的輸入輸出端加裝濾波器，過濾干擾信號或噪聲，提取有用信號。該濾波器件主要由電容、電感、共模電感、電阻、磁珠和二極管等主要元器件組成，需加裝濾波器的數量取決于有用信號與干擾信號的頻率差。為了提高工作質量與效率，可根據實際情況選擇幾種組合進行使用。

1.3.2 接地

接地有“安全地”和“信號地”兩種接地方式。它的主要作用是為了泄放電荷或建立電路基準電平。這里討論的接地主要是“信號地”。信號地是為了電路能夠正常工作，但不一定與大地相連接，可以是任何定義為電位參考點的位置。電子、電氣設備啟動瞬間會有強大電磁波形成，嚴重影響周圍設備。良好的接地能有效屏蔽電磁場，使設備機殼上累積的大量電荷得到釋放路徑，避免設備產生靜電放電效應。接地后可將外界電磁場的影響控制在最低水平，抑制效果良好。另外，屏蔽與濾波也需要接地措施。此外，接地是確保設備安全的有效措施。當設備的絕緣受損或故障引起外殼帶電時，它能使電流導入大地或使漏電保護器動作，保障人員及設備的安全。該技術具有操作簡便、成本較低的優勢，已得到了廣泛應用。接地形式包括單點接地、多點接地及混合接地，各有優缺點。為確保良好的信號效果，選擇時應綜合考慮。

1.3.3 屏蔽

屏蔽即將干擾源與外部環境通過各種導電材料隔離開，使干擾源上產生法拉第電磁牢籠，使得設備的內、外部分離，從而控制電磁干擾的范圍。可以實現雙向屏蔽，但是實現完全的屏蔽很難。一般可以利用反射、吸收和抵消等原理制作屏蔽裝置，以控制設備內部電磁場不外流亦或減小外流量，同時需減輕外界環境中電磁波內流對設備的正常運行產生不利影響，屏蔽主要用于家用電器的電磁場干擾抑制。

電磁場干擾產生的機理比較復雜，在實際中運用一種方法進行抑制很難有效。普遍情況下，綜合采用兩種甚至兩種以上方法才能取得有效抑制電磁干擾的效果。

2 電磁兼容優化與整改

2.1 單一產品的設計優化與整改

對某一種產品，通過電磁兼容檢測得知電磁騷擾源及耦合途徑，同時運用電磁干擾抑制原理進行整改。整改過程中首先須合理地選擇產品的結構及元器件，以避免影響其正常功能。此外，需注意電機、整流器及變換器等組件以及時鐘電路和其他因素帶來的干擾[4-5]。為了優化和整改產品的電磁兼容性，合理優化產品的設計、綜合選擇元件和重點關照核心部件等，是增強電磁兼容性的有效方法。

2.1.1 優化產品設計思路

產品設計思路對設備的電磁兼容性起決定性作用。一個產品剛誕生，在完成其功能的同時，會產生功能性干擾和其他干擾。這源于設計者的思路僅僅只考慮了產品的功能性，缺乏對其功能與電磁兼容性的綜合考量。而電磁兼容設計要求在元器件級、部件級、設備級、系統級都達到了互不干擾。因此，產品設計者應將多種因素納入考慮范圍，把電磁兼容貫穿整個設計過程。在進行電路設計的時候，可以對電路進行分層設計，合理安排每一層電路板的線路，盡量減小設備或系統內部電路因設計產生的電磁干擾。設計時，應首先考慮元器件型號、形式的選擇和PCB設計，其次是接地設計和屏蔽設計，最后進行濾波設計和瞬態騷擾的抑制。為了提高產品電磁兼容的效果，濾波和屏蔽設計只能作為電磁兼容的輔助手段，在產品開始設計時就應綜合考慮，因為預防比濾波和屏蔽更有效。2.1.2 綜合選擇元件

產品產生的電磁干擾中，元器件、部件級上的電磁干擾主要來自不同的元件之間的電磁耦合。實際運用中，電路采用有引腳和無引腳的元件兩種結構。通常情況下，有引腳線元件會產生寄生效果，高頻時更強。相對而言，無引腳元件特別是表面貼裝的元件，寄生效果較小。單就電磁兼容性方面進行選擇時，表面貼裝元件結構效果最佳，一般會優先選用，隨后為放射狀引腳元件結構，最后考慮軸向平行引腳的元件。例如，在高頻狀態，相比引線型電容器結構，濾波電容器應優先采用穿心或支座式結構，其引線電感小。如果使用引線式電容結構，必須綜合考慮引線的電感量對濾波效果的影響。主要芯片及部件的選擇過程中，最好選擇本身發射小的芯片。因為高損耗、大功率器件會產生較明顯的輻射源，所以要盡量避免選擇。優選和正確地使用電子元器件是解決電磁場干擾發射和電磁場敏感度等問題的關鍵，也是提高產品電磁兼容性的前提。

2.1.3 核心部件重點關注

產品的核心部件與芯片是產生電磁干擾的關鍵，應重點關注。如芯片、變換器、整流器及時鐘電路等關鍵部件，在大多數情況下需對重要組件進行屏蔽、隔離處理。日常實際工作中，若產品是由若干模塊組成，各個模塊可以暫停和恢復工作。可以用斷電法來判斷騷擾來源，利用輪流斷電的方式逐漸縮小電磁兼容檢測范圍，然后替換掉懷疑的模塊和部分。若產品的單個模塊不可以獨立暫停和恢復，則可以與其他模塊配合工作，找出騷擾源。如果家電產品EMC超標，一般的解決方式是更換馬達碳刷、馬達電感、馬達碳刷一端對地加Y電容或更換電容參數等?？傊?，核心部件關系著產品是否合格，要重點關注。

2.2 不同產品設備的電磁兼容

針對不同產品設備，應該從整個系統折中考慮，重視整體的電磁兼容性設計。在優化與整改過程中，通常采取的方法是時間分隔和空間分離。時間分隔有主動和被動型，是有效提高電磁兼容性的措施，是指相互干擾的兩種設備盡量避免處于同一時間段同時使用。而空間分離則是控制地點位置、隔離自然地形、控制方位角及電場矢量方向等措施。譬如，利用建筑物產生的自然隔離可以確定安裝電磁的方向及位置，從而有效抑制電磁兼容性不理想的設備引起的干擾，提高其電磁兼容性。

3 結 論

電磁場干擾的檢測與抑制課題越來越引起人們的重視和關注。文中總結的EMC優化與整改的思路，既能夠符合產品功能性要求，又可以降低產品的調試時間，使產品達到電磁兼容技術標準的限值要求，為EMC檢測及優化產品設計和使用提供參考。