EMC电磁兼容设计new

1、电磁兼容设计 周云正浙江佩洁尔医疗科技有限公司 浙江上虞 312351电子镇流器，高转换速率的开关电源（SMPS）和电器产品，不可避免地出现电磁辐射及干扰问题，严重时会导致其它电子仪器的失灵；其它电器也会干扰它的正常工作。为此，电磁兼容性（EMC）的设计要符合我国现行标准（CCC）的电磁兼容性要素的控制，也符合美国的联邦通信委员会（FCC）、欧洲联盟（EU）所制定的有关标准和规范。知识：自从一八二二年安培率先提出一切磁现象的根源是电流的假说，继而由法拉第发现感应电动势的规律，最终由麦克斯韦根据电与磁的相互作用，预言电磁波的存在，奠定当今所研究的电磁兼容理论基础。电磁兼容性是指电子设备在电磁环境

2、中正常工作的能力。所谓电磁兼容设计就是要使电子设备既不受周围电磁干扰（EMS）而能正常工作；又能使电子设备本身不对周围其它电子设备产生电磁干扰（EMI），影响其正常运行。电子设备的电磁兼容已成为现代工程设计中的重要组成部分。工业发达国家如美国、英国、德国、日本等已经将电磁兼容要求纳入技术规范，欧共体规定自一九九六年一月一日起强制执行89/336/EEC指令，并加贴CE标志后才准许销售。为了与国际接轨，我国的国家技术监督局规定自二OO二年十月起对电子产品，低压电器实施电磁兼容强制性认证。电磁兼容性设计是我们电气工作师不得不研究的一门紧要课题。 举例：医院内对电磁干扰敏感的设备医院里的病人监测系统

3、（血压计、心电图仪）对于电磁干扰是极其敏感的，因为被测的人体电信号非常微弱，通常以微伏、纳安级为单位，由高灵敏度探头提取，易受外界电磁干扰而产生误差，或导致失灵；再则人体作为天线，更容易感应各种频率的电磁干扰信号，降低检测设备的抗扰阈值。核磁共振成像系统的信号取样电路灵敏度很高，是极易受干扰影响其成像质量的。植入人体内的心脏起搏器，心电去颤器，受到外界强电磁干扰脉冲后会导致失效，心脏停止跳动，或出现房颤，危及病人生命。便携式诊断仪器，如脉搏分析仪、血氧计都含有微信号放大的高增益IC电路，干扰电磁脉冲从电源线、输入探头及引线中窜入而受到干扰。已公开报道的医疗设备受电磁干扰所发生的案例已屡见不鲜：

4、一九九八年三月,美国得克萨斯州的奥斯汀市一家医院的医疗检测系统失灵，究其原因是附近的一家电视台发射了数字电视信号。一辆救护车上的监护设施停止工作，查实是救护车上的通信设备所产生的场强达20V/m，超过了医疗设备的干扰容限。一家医院的核磁共振仪每天定时失效一次，原来是每天此时有一辆垃圾车从附近通过，车上的金属体使其磁场发生扭曲。据报导，某些数字式手机通话时，常常引起心脏起搏机失效。电磁兼容的重要性开关电源大都选用脉宽调制式稳定电压，工作频率为20-70KHz。由于半导体功率器件发生电流瞬变和电压瞬变（di/dt, dv/dt）,不可避免地出现电磁噪声。电子镇流器也工作在开关状态，它们属于一种强电

5、磁干扰源。电磁兼容性设计不当，其所产生的电磁干扰通过传导和辐射会对其它电子仪器设备产生影响，可能使整个系统无法正常作。电磁骚扰及相关要求国家标准GB/T 4365-1995电磁兼容术语对电磁兼容定义为“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。”又陆续制定了无线电干扰和抗扰度测量设备规范（GB/T 6113-1995），电动工具、家用电器和类似器具无线电干扰特性的测量方法和允许值（GB/T 4343-84）等。我国在该领域起步较晚，而国外已达上百个标准之多。起草的标准主要参照国际电工委员会（IEC）的有关规定，与国际接轨。电源骚扰电压的限值如下表。

6、上述限值电平单位用dBV表示，根据dBV2OLogV(uV) 可得：uV=OdB uV而60 dBuV=1mVEMC测试设备：，其频率范围：，精度达du可以满足要求 EMC 是电磁兼容性。是指电气设备和电子系统在设定的电磁环境和规定的安全界限范围内以设计的等级和性能运行，而不会受电磁干扰引起的损坏或不可接受的性能恶化。电磁干扰它包括机器内部干扰和系统之间的干扰。提高EMC的方法：电路设计时最好用贴片器件、晶体等振荡器件外壳接地、会产生火花的器件要用RC电路吸收放电电流、采用金属体屏蔽电路。EMC产品标准 GB13837、GB9254、GB4343、 GB9383、GB17625.1、GB138

7、36、 GB/T17618、GB/17626； CISPR13、CISPR20、 CISPR22、FCC 。测试设备有频谱分析仪、电磁干扰接收分析仪。厂 长见的几种屏蔽材料 陆续更新中导电布织物类型金属镀层电阻率 应用优点聚酯纤维镍/铜/镍 0.05ohms/square导电泡棉特殊形状,适应特定环境的安装泡棉泡棉类型压缩变形 (ASTMD 3574)颜色 应用优点聚氨酯5 to 10% 黑或灰导电泡棉可阻燃压缩衬垫形状复杂热塑性橡胶(TPE) 20%黄或白导电泡棉形状复杂可阻燃金属化泡棉 5%灰色I/O衬垫形状复杂 0.08ohms/square压敏胶带压敏胶带不锈钢上180剥离强度（AST

8、M3330）耐热性（3MTMInternalTest) 应用优点3MTM9485或相同产品75 oz/in(82N/100mm)短期：450F（232C） 长期：300F（149C）高粘性抗剪切高剥离强度及高耐热性Nitto D5052或相同产品87 oz/in(95N/100mm)短期：311F（155C）长期：240F（160C）高粘性抗剪切高内粘强度、高剥离强度及高耐热性3MTM950或相同产品75 oz/in(82N/100mm)短期：250F（121C）长期：180F（82C）高粘性高剥离强度铜箔布织物类型电阻率 应用优点纯软质铜+聚脂纤维 0.02ohms/square导电泡棉任意

9、成型,可阻燃导电性好,并导热电磁兼容性(EMC)是指“一种器件、设备或系统的性能，它可以使其在自身环境下正常工作并且同时不会对此环境中任何其它设备产生强烈电磁干扰(IEEE C63.12-1987)。”对于无线收发设备来说，采用非连续频谱可部份实现EMC性能，但是很多有关的例子也表明EMC并不总是能够做到。例如在笔记本计算机和测试设备之间、打印机和台式计算机之间以及行动电话和医疗仪器之间等都具有高频干扰，我们把这种干扰称为电磁干扰(EMI)。 EMC问题来源 所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化，有时变化速率还相当快，这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，而相应的电

10、路则会将这种能量发射到周围的环境中。 EMI有两条途径离开或进入一个电路：辐射和传导。信号辐射是藉由外壳的缝、槽、开孔或其它缺口泄漏出去；而信号传导则藉由耦合到电源、信号和控制在线离开外壳，在开放的空间中自由辐射，从而产生干扰。 很多EMI抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现，大多数时候下面这些简单原则可以有助于实现EMI屏蔽：从源头处降低干扰；藉由屏蔽、过滤或接地将干扰产生电路隔离以及增强敏感电路的抗干扰能力等。EMI抑制性、隔离性和低敏感性应该作为所有电路设计人员的目标，这些性能在设计阶段的早期就应完成。 对设计工程师而言，采用屏蔽材料是一种有效降低EMI的方法。如今已有多种外壳屏

11、蔽材料得到广泛使用，从金属罐、薄金属片和箔带到在导电织物或卷带上喷射涂层及镀层(如导电漆及锌线喷涂等)。无论是金属还是涂有导电层的塑料，一旦设计人员确定作为外壳材料之后，就可着手开始选择衬垫。 金属屏蔽效率 可用屏蔽效率(SE)对屏蔽罩的适用性进行评估，其单位是分贝，计算公式为 SEdB=A+R+B 其中 A：吸收损耗(dB) R：反射损耗(dB) B：校正因子(dB)(适用于薄屏蔽罩内存在多个反射的情况) 一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些场合可能会要求将场强降至为最初的十万分之一，即SE要等于100dB。 吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量

12、损耗的数量，吸收损耗计算式为 AdB=1.314(f)1/2t 其中 f：频率(MHz) ：铜的导磁率 ：铜的导电率 t：屏蔽罩厚度 反射损耗(近场)的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离。对于杆状或直线形发射天线而言，离波源越近波阻越高，然后随着与波源距离的增加而下降，但平面波阻则无变化(恒为377)。 相反，如果波源是一个小型线圈，则此时将以磁场为主，离波源越近波阻越低。波阻随着与波源距离的增加而增加，但当距离超过波长的六分之一时，波阻不再变化，恒定在377处。 反射损耗随波阻与屏蔽阻抗的比率变化，因此它不仅取决于波的类型，而且取决于屏蔽罩与波源之间的距离。这种情况适用于小型带屏蔽

13、的设备。 近场反射损耗可按下式计算 R(电)dB=321.8-(20lg r)-(30lg f)-10lg(/) R(磁)dB=14.6+(20lg r)+(10lg f)+10lg(/) 其中 r：波源与屏蔽之间的距离。 SE算式最后一项是校正因子B，其计算公式为 B=20lg-exp(-2t/) 此式仅适用于近磁场环境并且吸收损耗小于10dB的情况。由于屏蔽物吸收效率不高，其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加，所以校正因子是个负数，表示屏蔽效率的下降情况。 EMI抑制策略 只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低，另外如

14、果初始磁场较强也会使导磁率降低，还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率。综上所述，选择用于屏蔽的高导磁性材料非常复杂，通常要向EMI屏蔽材料供货商以及有关咨询机构寻求解决方案。 在高频电场下，采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果，但条件是屏蔽必须连续，并将敏感部份完全遮盖住，没有缺口或缝隙(形成一个法拉第笼)。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多个部份进行制作，因此就会有缝隙需要接合，另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便黏着与附加卡或装配组件的联机。 设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙，而且设备运行过程中还会需要用到这

15、些孔隙。制造、面板联机、通风口、外部监测窗口以及面板黏着组件等都需要在屏蔽罩上打孔，从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免，但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的。 任一频率电磁波的波长为: 波长()=光速(C)/频率(Hz) 当缝隙长度为波长(截止频率)的一半时,RF波开始以20dB/10倍频(1/10截止频率)或6dB/8倍频(1/2截止频率)的速率衰减。通常RF发射频率越高衰减越严重，因为它的波长越短。当涉及到最高频率时，必须要考虑可能会出现的任何谐波，不过实际上只需考虑一次及二次谐波即可。 一旦知道了屏蔽罩内RF辐射的频率及强度，就可计算出屏蔽罩

16、的最大允许缝隙和沟槽。例如如果需要对1GHz(波长为300mm)的辐射衰减26dB,则150mm的缝隙将会开始产生衰减，因此当存在小于150mm的缝隙时，1GHz辐射就会被衰减。所以对1GHz频率来讲，若需要衰减20dB，则缝隙应小于15 mm(150mm的1/10)，需要衰减26dB时，缝隙应小于7.5 mm(15mm的1/2以上)，需要衰减32dB时，缝隙应小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。 可采用合适的导电衬垫使缝隙大小限定在规定尺寸内，从而实现这种衰减效果。 屏蔽设计难点 由于接缝会导致屏蔽罩导通率下降，因此屏蔽效率也会降低。要注意低于截止频率的辐射其衰减只取决于缝隙的长度

17、直径比，例如长度直径比为3时可获得100dB的衰减。在需要穿孔时，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波导特性；另一种实现较高长度直径比的方法是附加一个小型金属屏蔽物，如一个大小合适的衬垫。上述原理及其在多缝情况下的推广构成多孔屏蔽罩设计基础。 多孔薄型屏蔽层：多孔的例子很多，比如薄金属片上的通风孔等等，当各孔间距较近时设计上必须要仔细考虑。下面是此类情况下屏蔽效率计算公式 SE=20lg (fc/o/)-10lg n 其中 fc/o：截止频率 n：孔洞数目 注意此公式仅适用于孔间距小于孔直径的情况，也可用于计算金属编织网的相关屏蔽效率。 接缝和接点：电焊、铜焊或锡焊是薄片之间进行永久性固定的常用方式，接

18、合部位金属表面必须清理干净，以使接合处能完全用导电的金属填满。不建议用螺钉或铆钉进行固定，因为紧固件之间接合处的低阻接触状态不容易长久保持。 导电衬垫的作用是减少接缝或接合处的槽、孔或缝隙，使RF辐射不会散发出去。EMI衬垫是一种导电介质，用于填补屏蔽罩内的空隙并提供连续低阻抗接点。通常EMI衬垫可在两个导体之间提供一种灵活的连接，使一个导体上的电流传至另一导体。 封孔EMI衬垫的选用可参照以下性能参数： 特定频率范围的屏蔽效率 黏着方法和密封强度 与外罩电流兼容性以及对外部环境的抗腐蚀能力。 工作温度范围 成本 大多数商用衬垫都具有足够的屏蔽性能以使设备满足EMC标准，关键是在屏蔽罩内正确地

19、对垫片进行设计。 垫片系统：一个需要考虑的重要因素是压缩，压缩能在衬垫和垫片之间产生较高导电率。衬垫和垫片之间导电性太差会降低屏蔽效率，另外接合处如果少了一块则会出现细缝而形成槽状天线，其辐射波长比缝隙长度小约4倍。 确保导通性首先要保证垫片表面平滑、干净并藉由必要处理以具有良好导电性，这些表面在接合之前必须先遮住；另外屏蔽衬垫材料对这种垫片具有持续良好的黏合性也非常重要。导电衬垫的可压缩特性可以弥补垫片的任何不规则情况。 所有衬垫都有一个有效工作最小接触电阻，设计人员可以加大对衬垫的压缩力度以降低多个衬垫的接触电阻，当然这将增加密封强度，会使屏蔽罩变得更为弯曲。大多数衬垫在压缩到原来厚度的3

20、0%至70%时效果比较好。因此在建议的最小接触面范围内，两个相向凹点之间的压力应足以确保衬垫和垫片之间具有良好的导电性。 另一方面，对衬垫的压力不应大到使衬垫处于非正常压缩状态，因为此时会导致衬垫接触失效，并可能产生电磁泄漏。与垫片分离的要求对于将衬垫压缩控制在制造商建议范围非常重要，这种设计需要确保垫片具有足够的硬度，以免在垫片紧固件之间产生较大弯曲。在某些情况下，可能需要另外一些紧固件以防止外壳结构弯曲。 压缩性也是转动接合处的一个重要特性，如在门或插板等位置。若衬垫易于压缩，那么屏蔽性能会随着门的每次转动而下降，此时衬垫需要更高的压缩力才能达到与新衬垫相同的屏蔽性能。在大多数情况下这不太

21、可能做得到，因此需要一个长期EMI解决方案。 如果屏蔽罩或垫片由涂有导电层的塑料制成，则添加一个EMI衬垫不会产生太多问题，但是设计人员必须考虑很多衬垫在导电表面上都会有磨损，通常金属衬垫的镀层表面更易磨损。随着时间成长这种磨损会降低衬垫接合处的屏蔽效率，并给后面的制造商带来麻烦。 如果屏蔽罩或垫片结构是金属的，那么在喷涂抛光材料之前可加一个衬垫把垫片表面包住，只需用导电膜和卷带即可。若在接合垫片的两边都使用卷带，则可用机械固件对EMI衬垫进行紧固，例如带有塑料铆钉或压敏黏结剂(PSA)的“C型”衬垫。衬垫黏着在垫片的一边，以完成对EMI的屏蔽。 衬垫及附件 目前可用的屏蔽和衬垫产品非常多，包

22、括铍-铜接头、金属网线(带弹性内芯或不带)、嵌入橡胶中的金属网和定向线、导电橡胶以及具有金属镀层的聚氨酯泡沫衬垫等。大多数屏蔽材料制造商都可提供各种衬垫能达到的SE估计值，但要记住SE是个相对数值，还取决于孔隙、衬垫尺寸、衬垫压缩比以及材料成分等。衬垫有多种形状，可用于各种特定应用，包括有磨损、滑动以及带铰链的场合。目前许多衬垫带有黏胶或在衬垫上面就有固定装置，如挤压插入、管脚插入或倒钩装置等。 各类衬垫中，涂层泡沫衬垫是最新也是市面上用途最广的产品之一。这类衬垫可做成多种形状，厚度大于0.5mm，也可减少厚度以满足UL燃烧及环境密封标准。还有另一种新型衬垫即环境/EMI混合衬垫，有了它就可以

23、无需再使用单独的密封材料，从而降低屏蔽罩成本和复杂程度。这些衬垫的外部覆层对紫外线稳定，可防潮、防风、防清洗溶剂，内部涂层则进行金属化处理并具有较高导电性。最近的另外一项革新是在EMI衬垫上装了一个塑料夹，同传统压制型金属衬垫相比，它的重量较轻，装配时间短，而且成本更低，因此更具市场吸引力。 结论 设备一般都需要进行屏蔽，这是因为结构本身存在一些槽和缝隙。所需屏蔽可藉由一些基本原则确定，但是理论与现实之间还是有差别。例如在计算某个频率下衬垫的大小和间距时还必须考虑信号的强度，如同在一个设备中使用了多个处理器时的情形。表面处理及垫片设计是保持长期屏蔽以实现EMC性能的关键因素。 第一讲产品骚扰的

24、抑制方法 造成设备性能降级或失效的电磁干扰必须具备三个要素，即有一个电磁骚扰源；有一台对干扰敏感的设备；及有一条电磁干扰的传播途径。为解决设备的电磁兼容问题，无论从抑制骚扰源逸出，或切断电磁干扰的传播通路，或提高设备自身的抗干扰能力，都能取得满意效果。为此，本讲座拟从三个不同侧面讨论提高设备电磁兼容的措施，包括产品骚扰的抑制方法；提高产品抗扰度的方法；产品内部的电磁兼容性设计要点。首先讨论产品骚扰的抑制方法。产品骚扰的抑制有三种基本方法，即接地、屏蔽和滤波。每种方法在电路与系统的设计中各有独特作用，但在使用上又是相互关连。如良好的接地可降低设备对屏蔽和滤波的要求；而良好的屏蔽也能降低对滤波的要

25、求。1接地“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。1.1设备的信号接地设备的信号接地，可能是以设备中的某一点或一块金属薄板来作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。实用中有三种基本的信号接地方式，即浮地、单点接地和多点接地。（1）浮地采用浮地的目的是将电路或设备与公共接地系统，或可能引起环流的公共导线隔离开来。浮地还可以使不同电位间的电路配合变得容易。实现电路或设备浮地的方法有变压器隔离和光电隔离。浮地的最大优点是抗干扰性能好。浮地的缺点是由于设备不与公共地相连，容易在两者间造成静电积累，当电荷积累到一定程度后，在设备地与公共地之间的电位差

26、可能引起剧烈的静电放电，而成为破坏性很强的骚扰源。一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻，用以释放所积聚的电荷。注意控制泄放电阻的阻抗，太低的电阻值会影响设备泄漏电流的合格性。（2）单点接地单点接地是指在一个电路或设备中只有一个物理点被定义为接地参考点，电路或设备中凡需要接地的点都被接至这一点。对一个系统，如采用单点接地，则系统中的每个设备都有自己的单点接地点，然后各设备的“地”再与系统中唯一指定的参考接地点相连。单点接地的缺点是当系统工作频率很高时，以致信号的波长可与接地线长度相比拟时（如达到1/4波长），接地线就不能作为一根普通连接线考虑，它会呈现某种电抗效应，使接地效

27、果不理想，此时必须引进多点接地概念。（3）多点接地多点接地指设备中凡需要接地的点都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地线最短。这里说的接地平面可以是设备的底板、专用接地母线，甚至是设备的框架。多点接地的优点是简单，凡需要接地的点都可以就近接地，从而使接地线上出现高波驻波的现象大为减少。故多点接地在高频下使用有上佳表现。多点接地对接地点的维护要求较高，任何一些因锈蚀或松动等原因，均可造成接地效果变差，使设备工作不可靠。图1.1干扰源的电位梯度图1.2金属板屏蔽图1.3磁场屏蔽（4）混合接地单点和多点接地的各自优缺点，促使人们想到了混合接地。只将需要就近接地的点，就近直接与接地平面相连（或对需

28、要高频接地的点，通过旁路电容与接地平面相连），其余各点均采用单点接地。单点接地与多点接地的分界常以流通信号波长的0.05倍为界，凡单点接地线长度达到0.05以上时，就应当用多点接地。（5）信号接地线的处理信号接地是在指定的两个点（其中有一个被称为“地”的参考点）间建立导电通路，以便实现电路与机壳，或电路与指定接地板之间的连接。最关键的是要强调连接良好，建立低阻抗的通路，这对射频电流在接地回路中的流动特别重要。1.2设备的接大地（1）设备的接大地实用中，除认真考虑设备内部的信号接地外，通常还要将设备的信号地、机壳与大地连在一起，并以大地作为设备的接地参考点。设备接大地的目的有三个：设备的安全接地

29、，保证了对设备的操作人员实现安全保护。泄放机箱上所积聚的电荷，避免因电荷积聚使机箱电位升高，造成电路工作的不稳定。避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化，造成设备工作的不稳定。由此可见，设备接大地除了对人员安全、设备安全的考虑外，也是抑制干扰发生的重要手段。实用中，如能将接地与屏蔽、滤波等技术配合使用，将会对提高设备的电磁兼容性起到事半功倍的作用。（2）接大地的方法与接地电阻接大地有效性的重要指标是接地电阻。接地电阻除与接地电极的制作方式有关外，也和大地自身的性质有关。人们习惯把地下金属管道作为接地电极，由于它与大地有较大的接触面积，可取得较小的接地电阻。但做法不规范，流入管

30、道的故障电流和杂散电流容易对管道检修人员造成伤害。此外，任何非金属的管道构件都能使接地的有效性受到破坏。正确的接大地方法是用直径1cm2cm的铜棒（长2m4m）打入地下，深度在2m以上。一根铜棒的接地电阻在25左右，这对一些小功率电气设备已足够用。若要更小的接地电阻，可增加铜棒附近地域的盐份和水份，必要时还可将几根铜棒互连成网。在权衡设备投资及防雷、防电源故障和防电磁脉冲的要求后，接地电阻以10为设计目标是合理的。2屏蔽屏蔽能有效抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是限制设备内部的辐射电磁能越出某一区域；二是防止外部的辐射电磁能进入某一区域。按屏蔽所起的作用分，有电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。2.1电场屏蔽设备中电位不同物体间（包括导线间）的相互感应可看成是分布电容间的电压分配（参见图1.1）。图1.1中，干扰源A与受感应物B之间的电压关系为UB=为减弱A对B的感应，可采