电磁兼容技术的发展状况及应用

叮叮小文库电磁兼容技术的发展状况及应用摘要: 电磁兼容技术是解决电磁干扰相关问题的一门技术.电磁兼容设计的目的是解决电路之间的相互干扰,防止电子设备产生过强的电磁发射,防止电子设备对外界干扰过度敏感.近年来,电磁兼容设计技术的重要性日益增加。电磁兼容技术是解决电磁干扰相关问题的一门技术.电磁兼容设计的目的是解决电路之间的相互干扰,防止电子设备产生过强的电磁发射,防止电子设备对外界干扰过度敏感.近年来,电磁兼容设计技术的重要性日益增加,这有两个方面的原因:第一,电子设备日益复杂,特别是模拟电路和数字电路混合的情况越来越多、电路的工作频率越来越高,这导致了电路之间的干扰更加严重,设计人员如果不了解有关的设计技术,会导致产品开发周期过长,甚至开发失败.第二,为了保证电子设备稳定可靠的工作,减小电磁污染,越来越多的国家开始强制执行电磁兼容标准,特别是在美国和欧洲国家,电磁兼容指标已经成为法制性的指标,是电子产品厂商必须通过的指标之一,设计人员如果在设计中不考虑有关的问题,产品最终将不能通过电磁兼容试验,无法走上市场. 因此近年来,电磁兼容教育也在迅速发展,一方面,各种有关电磁兼容设计的书籍层出不穷,各种电子设计的期刊上也不断刊登有关的文章,另一方面,电磁兼容培训越来越受到欢迎.20世纪90年代末,美国参加电磁兼容培训的费用平均为每人每天330美元,目前,已经达到450美元左右,并且企业如果需要专场培训,往往需要与提供培训的公司提前半年签订合同,由此可以看到电子设计人员对电磁兼容技术的需求日益增加. 我国电磁兼容技术起步很晚,无论是理论、技术水平,还是配套产品(屏蔽材料、干扰滤波器等)制造,都与发达国家相差甚远.而与此形成强烈反差的是,在我们加入WTO以后,我们面对的是公平的国际竞争,各国之间唯一的贸易壁垒就是技术壁垒.而电磁兼容指标往往又是众多技术壁垒中最难突破的一道.因此,怎样使设计人员在较短的时间内,掌握电磁兼容设计技术,能够充满信心地面对挑战是我们努力实现的目标. 1 什么是电磁兼容标准 为了规范电子产品的电磁兼容性,所有的发达国家和部分发展中国家都制定了电磁兼容标准.电磁兼容标准是使产品在实际电磁环境中能够正常工作的基本要求.之所以称为基本要求,也就是说,产品即使满足了电磁兼容标准,在实际使用中也可能会发生干扰问题.大部分国家的标准都是基于国际电工委员会(IEC)所制定的标准. IEC有两个平行的组织负责制定EMC标准,分别是CISPR(国际无线电干扰特别委员会)和TC77(第77技术委员会).CISPR制定的标准编号为:CISPR Pub. XX ,TC77制定的标准编号为IEC XXXXX . 关于CISPR:1934年成立.目前有七个分会:A分会(无线电干扰测量方法与统计方法)、B分会(工、科、医射频设备的无线电干扰)、C分会(电力线、高压设备和电牵引系统的无线电干扰)、D分会(机动车和内燃机的无线电干扰)、E分会(无线接收设备干扰特性)、F分会(家电、电动工具、照明设备及类似电器的无线电干扰)、G分会(信息设备的无线电干扰) 关于TC77:1981年成立.目前有3个分会:SC77A(低频现象)、 SC77B(高频现象)、 SC77C(对高空核电磁脉冲的抗扰性). 我国的民用产品电磁兼容标准是基于CISPR和IEC标准,目前已发布57个,编号为GBXXXX - XX,例如GB 9254-98. 欧盟使用的EN标准也是基于CISPR和IEC标准,其对应关系如下: EN55 = CISPR标准, (例: EN55011 = CISPR Pub.11) EN6 = IEC标准, (例: EN61000-4-3 = IEC61000-4-3 Pub.11) EN50 = 自定标准, (例: EN50801) 我国军用产品采用的标准GJB是基于美国军标,例如GJB151A = MIL-STD -461D. 电磁兼容标准分为基础标准、通用标准、产品类标准和专用产品标准. 基础标准:描述了EMC现象、规定了EMC测试方法、设备,定义了等级和性能判据.基础标准不涉及具体产品. 产品类标准:针对某种产品系列的EMC测试标准.往往引用基础标准,但根据产品的特殊性提出更详细的规定. 通用标准:按照设备使用环境划分的,当产品没有特定的产品类标准可以遵循时,使用通用标准来进行EMC测试.对使设备的功能完全正常,也要满足这些标准的要求. 2 电磁兼容标准的内容 尽管电磁兼容标准文件繁多,内容复杂,但从对设备的要求方面看,无非是从以下几个方面进行划分. 两方面的要求:电磁兼容标准对设备的要求有两个方面,一个是设备工作时不会对外界产生不良的电磁干扰影响,另一个是不能对外界的电磁干扰过度敏感.前一个方面的要求称为干扰发射(EMI)要求,后一个方面的要求称为敏感度(EMS)或抗扰度要求. 从能量传播的途径划分:围绕这两个方面的要求,从电磁能量传出设备和传入设备的途径来进一步划分,又有传导干扰和辐射干扰两个方面,传导干扰是指干扰能量沿着电缆以电流的形式传播,辐射干扰是指干扰能量以电磁波的形式传播.因此,对设备的电磁兼容要求可以分为:传导发射、辐射发射、传导敏感度(抗扰度)、辐射敏感度(抗扰度). 按照干扰特性划分:干扰信号的波形有不同的种类,电磁场也有不同的种类,干扰注入的方式也有不同的种类,按照这些不同进一步划分就得到了全部的要求项目. 静电放电试验是一类特殊的试验,它对设备的干扰途径可以是传导性的,也可以是辐射性的,取决于静电放电发生的部位和试验的方法. 3 电磁兼容设计的内容 要使产品具有良好的电磁兼容性,需要专门考虑与电磁兼容相关的设计内容.电磁兼容设计一般包含以下几个方面的内容. * 地线设计:许多电磁干扰问题是由地线产生的,因为地线电位是整个电路工作的基准电位,如果地线设计不当,地线电位就不稳,就会导致电路故障.地线设计的目的是要保证地线电位尽量稳定,从而消除干扰现象. * 线路板设计:无论设备产生电磁干扰发射还是受到外界干扰的影响,或者电路之间产生相互干扰,线路板都是问题的核心,因此设计好线路板对于保证设备的电磁兼容性具有重要的意义.线路板设计的目的就是减小线路板上的电路产生的电磁辐射和对外界干扰的敏感性,减小线路板上电路之间的相互影响. * 滤波设计:对于任何设备而言,滤波都是解决电磁干扰的关键技术之一.因为设备中的导线是效率很高的接收和辐射天线,因此,设备产生的大部分辐射发射都是通过各种导线实现的,而外界干扰往往也是首先被导线接收到,然后串入设备的.滤波的目的就是消除导线上的这些干扰信号,防止电路中的干扰信号传到导线上,借助导线辐射,也防止导线接收到的干扰信号传入电路. * 屏蔽与搭接设计:对于大部分设备而言,屏蔽都是必要的.特别是随着电路工作的频率日益提高,单纯依靠线路板设计往往不能满足电磁兼容标准的要求.机箱的屏蔽设计与传统的结构设计有许多不同之处,一般如果在结构设计时没有考虑电磁屏蔽的要求,很难将屏蔽效果加到机箱上.所以,对于现代电子产品设计,必须从开始就考虑屏蔽的问题 发展现状战争本身是刺激技术的发展的重要因素，先进的技术首先会应用于国防和军事。这样各国军工行业的EMC技术领先于其它行业。从军用电子设备角度看，在战争模式发展到电子战的今天，电子对抗、制电磁权的争夺使得强化电子设备的电磁兼容性是确保在战争环境中人员、武器装备、信息情报的安全、获得战争胜利的关键环节。现代军用装备中大量电子设备密集狭小的空间相互间的电磁干扰非常严重，造成失灵、瘫痪、事故、甚至由于不能同时兼容工作遭受攻击的情况屡见不鲜。美国在电磁兼容方面已搞了五十年，在电磁兼容各个方面都处于领先位置。发射电磁干扰已作为特殊进攻方式应用于战场。目前美国已拥有电磁干扰飞机和电磁炸弹等。特别值得提出的是，美国科研部门为保护通信网和某些军事装备不受强电磁（包括高空核磁爆）影响，正在全力研究新的抗电磁干扰技术。为此，仅在1982年开始时，美国国防部就投入了200亿美元，用以专门对付“电磁脉冲（EMP）的科学研究与设施开发。我国EMC技术的发展状况我国开展EMC工作较晚，与先进国家差距较大，尤其是管理规范和设计规范很缺乏。第一个干扰标准是1966年由原第一机械工业部制定的部级标准JB-854-66船用电气设备工业无线电干扰端子电压测量方法与允许值。八六年我国出台GJB151-86标准后，电磁兼容问题逐步得到重视，到九七年颁布并强制执行了GJB151A-97既军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求；GJB152A97既军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量电磁兼容国军标及保密委标准后，电磁兼容技术水平提高很快。目前已制定国家标准及军用标准三十余个，标准要求基本等同与国际标准和美军标。为考核进出口电子、电气产品的干扰特性提供了一定条件，使我国在电磁兼容标准与规范方面有了较大进展。近年来国家有关部门对电磁兼容十分重视，电磁兼容学术组织纷纷成立，在许多单位建立或改造了EMC实验室，引进较先进的EMI、EMS自动测量系统和设备，在各地区及一些军工系统建立了国家级EMC测量中心，已具备各种EMC测量和试验的能力。电磁兼容学科发展趋势1) 现代工业的快速发展，使辐射源的增长率达到每年，特别是在城市，人为的电磁辐射密度增长系数达到每年。因此，城市中电磁能量密度每年增加倍。在今后25 年内，社会生产所引起的电磁干扰能量密度将增加倍，年内可增加700-1000倍，21世纪电磁环境恶化形势已成定局。因此，如何使电子设备能正常工作将变得越来越困难，并对释放的干扰控制得越来越严格。2) 在军事方面，美俄等国正在研制中的第三代核武器之一就是核电磁脉冲弹。一般的核武器有三大效应：冲击波、热辐射（光辐射）和放射性污染。实际上核武器还有第四效应电磁脉冲（Electromagnetic Pulse 简称EMP），普通核武器以电磁脉冲形式释放的能量仅占核弹总释放量的3/1010-3/105，而核电磁脉冲弹则可将此值提高到40%。核爆炸瞬间，弹体释放出大量射线、射线和高能中子。由于这些射线能量很大，使周围空气分子电离，产生大量带电粒子，这些粒子的运动形成电流，激励电磁场，使爆心周围产生一个很强的瞬时电磁场，它以波的形式以光速向外传播。电场强度可达50100KV/m；频谱很宽，作用范围大，能在电子设备的导体中感应出很大的瞬时电压和电流，使电子设备、电路和元器件受到不同程度的干扰和破坏。EMP可使敌方指挥、控制、通讯和情报、监视、侦察（Command、Control、Communication、Computer Intelligence、Surveillance、Reconnaissance简写为C4ISR）系统遭到毁灭性打击，并导致系统瘫痪、电力网断路、金属管线及地下电缆通讯网等受到影响而陷入无电源、无通讯、无计算机的三无世界。它的后果是破坏电子设备而不伤害人（这与中子弹的效果恰好相反），这就是把核武器常规化了。这个新的发展，直接促成现在研究核电磁脉冲的热潮。3) 电子信息系统的TEMPEST技术发展信息系统的TEMPEST技术是电磁兼容领域发展起来的一个新的研究方向。其具体内容是针对信息设备的电磁干扰与信息泄漏问题，从信息接收和防护两个方面展开一系列研究和开发工作，包括信息接收，破译水平、防泄漏能力与技术、相关规范标准及管理手段等。由于计算机系统是各种信息处理设备中最为关键和重要的组成部分，因而也使得利用信息设备的电磁泄漏来获取信息情报更为及时、准确、广泛、连续，而且安全、可靠、隐蔽。正是这样，TEMPEST 防护研究一般都是针对计算机系统及其外设配置而开展的，也包括接收系统，电传机、数字电话等。信息处理设备的电磁辐射有两方面影响：a、对电磁环境构成污染b、对信息安全与信息保密构成严重威胁海湾战争中，美国通过其间谍卫星的TEMPEST接收系统截获伊拉克及海湾地区的政治、军事、经济情报，其相当多的部分就是利用对方电子设备自身泄漏的电磁波获取的。分析表明，数字电路组成的信息处理设备由于辐射频谱及谐波非常丰富，因而很容易被窃收和解译，其信息泄漏现象非常突出和严重。以计算机视频显示器为例，其中各种印刷电路、各部件之间的电源、信号接口与连线、数据线、接地线等都可以产生程度不同的电磁辐射。在辐射频谱中，所包含的信息也各不相同，理论上这些信息都可以被接收和解译。因此，研究计算机的TEMPEST技术已和研究计算机病毒一样，被认为是涉及计算机安全的重要方面，受到国内外相关部门的密切关注。4)抗干扰问题电磁兼容环境电磁学从电气、电子设备的抗干扰问题，到同一电磁环境中能执行各自功能的共存状态，达到“兼容”，随着科技的发展，电磁兼容学科研究的范围不断扩大，涉及的专业越来越多，目前一些电磁兼容学者又进一步探讨电磁污染，电磁环境对人类及生物的危害影响，地球电磁，地震电磁学，太阳、宇宙电磁等。学科范围已不仅局限于设备与设备、系统与系统之间的问题。因此一些学者也将电磁兼容这一学科发展称为“环境电磁学”。日本文献做出的定义：“预测并控制变化着的地球和天体周围的电磁环境、为协调环境所采取的控制方法、各项电气规程的制定以及电磁环境的协调和电磁能量的合理应用等”电磁兼容设计任何电子设备或电子系统的设计都应包括电磁兼容设计。在设计阶段就考虑电磁兼容，远比制作成型后再试图满足电磁兼容标准要求而采取措施更加节省费用。而且有时对成的产品，EMC问题已无法解决或解决起来很困难，必须对整个产品进行较大的改动。所以电子设备或系统设计必须在产品设计阶段就考虑电磁兼容问题。首先，利用简单的电气和机械原理就可以满足许多EMC要求；其次由于电子设备的驱动器件一般放置在印制电路板（PCB）上。该器件包括潜在干扰源及对电磁能量敏感的元件与电路。因此，PCB的EMC设计是第二重要的。另外，接地设计、电路滤波、机内走线对任何设备的电磁兼容性都是非常重要的。在内部设计完成后，应着重考虑机箱屏蔽设计，如显示窗、通风孔、缝隙、孔洞、连接器接合面等。最后，还需考虑输入、输出电源线、信号线的滤波及其它线缆的设计。我国EMC及其标准的发展我国对EMC的研究，与其它科学技术相比，滞后国外发达国家的程度更为严重。1978年全国科技大会后，国家科技部、原电力部、邮电部、电子部都先后投入较大力量加大了EMC的研究步伐，成立了一系列与EMC有关的学术组织，制定出等同或等效采用了IEC、CISPR等国际组织的EMC标准。改革开放以来，我国从国外引进了许多设备，同时也有许多产品出口到世界各国，因此在EMC标准的实施上就需要有一个共同的规范，世贸组织协定与标准化中规定“在需要有技术条例和标准的地方，如已有有关国际标准或正在规定的国际标准，签字国均应以这些国际标准或其中有关的部分作为制定技术条例和标准的依据，但涉及国家安全需要，对欺骗性作法的防止、对人类健康、安全和动植物生命健康以及环境等保证应除外”，因此国家技术监督局作出如下决定：凡在市场流通领域检查出不符合EMC国家标准的电器产品，有关部门可依据产品质量法依法进行判处。我国是IECTC77的P成员国。1994年为全面规划和推进EMC标准的制订修订工作，促进国家电磁兼容技术进步和保护电磁环境，在全国无线电干扰委员会和国内TC77归口工作基础上，及时成立了全国电磁兼容标准化联合工作组，全面规划以IEC61000系列为主的电磁兼容标准体系和具体目标，IEC61000系列标准的转化工作已经开始，1999年将陆续制订出一批等同或等效采用IEC61000的国家标准并绝大部分为强制执行，以解决电气、电子设备制造部门和用户的急需，同时也为规范我国EMC认证体系提供了依据。国际动态1996年4月29日5月1日在美国Gaithersburgh举行的电磁兼容顾问委员会（ACEC）会议上，ACEC就电能质量问题进行了讨论，并将其作为IEC61000系列的第7部分提交执委会讨论。执委会认为：制定电能质量标准的工作是可行的，首先应准备测量文件；第2步工作应包括电能质量的提高和电平数据。同时也应包括低压和中压系统，测量方法文件应归入IEC61000系列标准，并指定该工作由TC77负责，TC8协助。IEC61000系列标准是基本EMC标准，它不但对装置、实施和系统的电磁辐射提出要求，而且规定了考核其抗扰性的基本测量和试验方法。1997年2月14日IEC正式成立了合格评定局（CAB）。CAB限定成员国12个，中国CSBTS派代表参加工作，IEC副主席作为CAB主席。在这次会议上讨论了“是否在IEC内设立EMC认证制度”的问题，经讨论IEC决定同意由IECEE先提出具体的EMC认证方案。学习电磁兼容技术的整体目标是系统地学习电磁兼容方面的知识，通过学习电磁兼容设计理论，使这些方法、规则、措施等融入实际工作中，来保证产品尽可能可靠。电磁兼容实例应用分析1、接地问题实例一：某系统设备在做422通讯串口的射频场感应传导测试，采用双绞屏蔽线，开始采用的是单端接地，测试时出现的误码率高，几乎没有正确的数据，后来采用双端可靠接地，通讯正常。实例二：某系统设备在做视频鼠标线的射频场感应传导的试验时，在较低频段（3M以下）时显示器有波纹，上下闪动，后来将视频线的显示器侧可靠接地，干扰明显降低，几乎不影响显示。分析：这两种现象都是在做射频场的感应传导试验时出现的，射频场的感应传导抗扰度试验实质是：设备引线变成被动天线，接受射频场的感应，变成传导干扰入侵设备内部，最终以射频电压电流形成的近场电磁场影响设备工作 ，以低频磁场为主。双绞线能够有效地抑制磁场干扰，这不仅是因为双绞线的两根线之间具有很小的回路面积，而且因为双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的方向，因此相互抵销。双绞线的绞节越密，则效果越明显。屏蔽层两端接地时，外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时，也在屏蔽层与地线构成的回路中产生感应电流Is，Is也会感应出磁场，但是这个磁场与原来的磁场磁场方向相反，相互抵消，导致总磁场减小，减小了干扰。2、屏蔽问题实例三：某系统为机柜、机箱式结构，其中控制部分为机箱结构，子板总线板结构，子板均安装面板。做静电试验时，接触放电5.5kv时，对主板面板及左右相邻的面板进行静电试验时，控制板重启或死机，后来在控制板附近的面板之间安装指形簧片，系统在接触放电6.6kv时运行正常。实例四：某系统试验，用普通机柜，系统很敏感，对机柜引出线（通讯线）进行群脉冲试验，采用耦合夹耦合方式，干扰一加上去，系统就不正常，在通讯线两端增加磁环，效果不明显，后来没有办法了，更换了屏蔽机柜，进行试验，有明显效果，做几轮后，系统才会出现倒机想象，在通讯线进机柜处增加安装磁环后，系统工作正常，几轮试验后，没有出现倒机现象，系统工作都正常。分析：现在很多系统都是机箱结构，即控制板、采集板、驱动板等都安装在同一机箱中，进行数据交换与控制。安装完成后各电路板会有一定的缝隙，静电脉冲通过面板缝隙，分布电容向主板耦合，使电源失真或控制发生故障系统重启、死机。在面板之间安装指形簧片，使机箱成为一个良好的屏蔽体，由于电荷的“趋肤效应”，当有静电干扰时，静电会沿着表面泄放至大地，对内部电路的影响减小或者消失。屏蔽机柜对机柜的缝隙和门都进行了处理，缝隙处安装导电簧片，门与机柜接触位置安装导电布衬垫，