电磁兼容的概念及设计方法剖析

9)关键词：电磁兼容；电磁干扰；设计ConceptsandDesignMethodsofElectromagneticCompatibilityYANXiu-sheng,NINGTian-fu,GUOXiang-yu,GUOYun-zhiAbstract:Electricityandmagnetismisinterrelated.Eachandeveryelectricequipmentdon′tavoidtheproblemonelectromagneticewell,itisnecessarytoresearchthetechnologyofelectromagneticcompatibility.Thethinkinganddesignmethodofelectromagnetic 9章，标志着电磁兼容性研究的开端。干扰问题由来已久，但电磁兼容这个新兴的综合性学科却是近2电磁兼容的重要性2.1为了电子设备工作的可靠性电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对电子设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响电子设备的正常工2.2为了电子设备的国际接轨围向全球地区发展，使电磁兼容性与安全性、环境适应性处于同等重要地位。92.3为了人身和某些特殊材料的安全电磁波通过与电爆装置的控制电路感应耦合，形成的干扰电流可能引起电爆装置的爆炸。因此GJB786中规定，电引爆器导线上的电磁干扰感应电流和用下(直接照射、电火花、静电放电)有发生燃烧和爆炸的危险；电磁能量通过2.4为了当今和未来战争的需要3电磁兼容的设计思路为了提高电子设备的电磁兼容能力，必须从开始设计时就给予电磁兼容除或降低电磁干扰源的参数。94电磁兼容的具体实例4.1对电磁干扰源要有明确的认识例如，某探测设备在探测元件无输入信号时，其放大器输出端的干扰信该台探测设备的驱动电源采用直流斩波式方波交流电源，驱动螺线管电台探测设备的驱动电源采用线性纯正弦波电源时，在探测元件无输入4.2对电磁干扰可能的传播路径要有清楚了解在核聚变科学研究中，将巨大的微波能耦合到等离子体中去，以提高核聚变物理参数。为此，需要高能大功率发射系统。其主电源脉冲电压达20kV，脉冲整形等一系列环节，由微机控制来实现。9再举一例，在激光电源低功率调试中发现应交替导通的两个逆变开关4.3对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件要进行重点保护输出端的干扰信号远远超过最小探测信号电压值，致使整个设备无法正常工作。经过认真分析和实际测试，除了对电磁干扰源缺乏明确的认识和电磁干路和前级放大电路主要采取两项电磁兼容性措施：电平电路、信号检测电路、传感器输入电路和前级放大电路的接地。该探测设备的传感器输入电路、前级放大电路和末级放大电路的接地应大信号电路的地线电流对小信号电路产生干扰。注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削体不完整，将导致电磁场泄漏。95电磁兼容的设计方法5.1对电磁干扰源的设计方法电磁干扰源的种类相当繁多，比如，自然的电磁干扰源包括：地球表面工作时产生的谐波，高频振荡器和无线电发送设备的电磁辐射，汽车点火系统，无处不在，下面仅讨论与我们相关的主要电磁干扰源。5.1.1供电电源供电电源，常由于负载的通断过渡过程、半导体元器件的非线性，脉冲设备及雷电的耦合等因素，而成为电磁干扰源。供电电源电磁兼容的设计方法为1)采用交流电源滤波器由于交流电源滤波器是低通滤波器，不妨碍工频电能的通过，而对高频2)交流电源变压器加静电屏蔽性好的材料，且首尾端不可闭合，以免造成短路。对脉冲电压的电磁干扰可以采用压敏电阻、固体放电管或瞬态电压抑制9压敏电阻或固体放电管可应用于直流或交流电路。单向瞬态电压抑制二保证设备的安全；其通流能力应大于脉冲电压所产生的电流。4)直流电源的电磁兼容措施——直流退耦即在直流电源和地之间并联2个电容，大电容(10~100μF)滤掉低频干扰，小电容(0.01~0.22μF)滤掉高频干扰。5)电源的其它电磁兼容措施——采用UPS(不间断电源)供电；暂态过程是由于电路机械触点的分合，负载的通断和电路的快速切换等导致电路电压或电流发生快速变化，而成为电磁干扰源。暂态过程的电磁兼容设计方法为1)电路机械触点的熄火花电路电路机械触点的熄火花电路由电阻(R)和电容(C)串联组成。其原理是用电容转换触点分断时负载电感(L)上的能量，从而避免在触点上产生过电压和电弧造成的电磁干扰，最终由电阻吸收这部分能量。1C=(I/300)2L(μF)2m L为负载电感(μH)；I为负载电感中的最大电流(A)；m122)电感负载的续流电路和吸收电路直流电路电感负载的续流电路是用二极管反并联在电感负载上。当切断FNV>2V(5)RRMNFV为二极管反向重复峰值电压；RRMNV感负载的额定电压。N效果会更好。因为压敏电阻吸收能量更3)电容负载的限流电路(t)将开关闭合，切除限流电阻。9NN NN4)电路快速切换的电磁兼容措施电路快速切换(包括晶闸管换流、直流斩波、二极管关断时的电荷存储效应等)将导致电压或电流的快速变化，而成为电磁干扰源。对此可采用如下电磁兼容措施——用电感电容谐振电路代替直流斩波，以降低电流变化率或电压变化电磁辐射包括电子设备内部和外部两种电磁辐射源。其实任一电流的周围都存在磁场，而变化的磁场会产生变化的电场，这种电磁场就是电磁干扰源。路和器件，路和器件。对电磁辐射的电磁兼容设计是，采用电磁屏蔽的方法，即用屏蔽材料将电磁辐射源封闭起来，使其外部电磁场强低于允许值。10rrrrr9rf为电磁波频率(Hz)；D为辐射源到屏蔽体的距离(m)。而言10rr二是吸收，进入金属屏蔽内的电磁波在金属屏蔽内传播时，由于衰减而rr式中：d为屏蔽材料厚度(mm)。蔽体的厚度不必过大，而以结构强度为主要考虑因素。是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。应当特别注意电磁屏蔽的完整性，特别是电磁场屏蔽，因为它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场5.1.4雷电雷电是带电云对地或带电云之间的放电现象。带电云对地放电为直接雷和非常短的持续时间，因此雷电是非常强的干扰源。雷电的电磁兼容的设计方法是9，以保护电子设备。5.1.5静电当不同介质的材料相互摩擦时，会发生电荷转移而产生静电。当然静电防静电的电磁兼容的设计方法是用防静电地板和静电消除器等等。——采用静电屏蔽和接地措施，将静电产生的电荷引走。——采用耐静电电压值高的器件。——采用静电保护措施，例如增加串联电阻以降低静电放电电流，增加5.1.6无线电发射源无线电发射机的频率范围为103~1012Hz。扰源。对无线电发射源的电磁兼容的设计方法是——严格控制无线电发射的方位角度，以减少无线电发射源干扰的空间9——采用完整的电磁屏蔽和可靠的接地措施，以减少无线电发射源的泄5.2对电磁干扰可能传播的路径的设计方法当两个电路存在公共阻抗时，一个电路的电参数通过公共阻抗对另一个1)对共电源内阻产生的电磁干扰，可以用不同的电源分别供电的方法，——限制电阻的方法增大共回路导线的截面、减小共回路导线的长度和种类和作用9此外，还有一种浮地式，即该电路的地与大地无导体连接。其优点是该——对接地电阻的要求过电压的影响，而且使操作人员受到电击伤害的威胁。因此，一般要求接地电阻小于4Ω。接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。为此降低接地电阻的二是降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓和接地极作紧密又牢靠三是降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的电导率(如入盐水)。地单点接地式。)。地线的长度(L/m)与截面积(S/mm2)的关系为S>0.83L(11)9——屏蔽地4)电位隔离地扰。点通断时的弹跳和干扰以及接触电阻等。发射和光敏半导体(光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等)的光——浮地浮地可使功率地(强电地)和信号地(弱电地)之间的隔离电9112个导体具有相同地电位，通过两个导体之间的电容，在另一个导体上将产生干扰2212121图1电容性耦合的等值电路图在上述分析中，两导线间的有效耦合长度应远小于信号波长(一般为1)尽可能减小干扰源U的幅值和干扰源的变化速度ω。112123)耦合电容设计得尽可能小4)屏蔽屏蔽的目的切断干扰源和被干扰对象之间的电力线，以免除电容性耦合项；——要有良好的屏蔽接地，否则屏蔽的效果降低。当导线的长度小于工5)平衡平衡的目的当干扰源和被干扰对象的基准电位是互相独立时，可以采用干扰对象的导线交叉对称。92211)尽可能减小干扰源电流i的变化速度。1M此3)屏蔽屏蔽的目的切断干扰源和被干扰对象之间的磁力线，以免除电感性耦合屏蔽的方法采用铁磁性导体的静态磁屏蔽，采用良导体感应涡流的动态——铁磁性导体的静态磁屏蔽适用于低频磁场。屏蔽的效果与屏蔽材料的相对磁导率μ、厚度d、几何形状以及磁场方向有关。例如横向磁场中的圆ssr(16)材料的性质，几何形状，屏蔽的密闭程度以及磁场的频率有关。屏蔽系数a可d用式(17)进行近似计算dok(17)o9k面积的比例有关。4)平衡方法，可以减小或免除电感性耦合的电磁干扰。——磁场去耦即使被干扰回路耦合的干扰源磁场最少。例如安排两个回——磁场抵消因为干扰磁场引起的感应电流在相邻绞线回路的同一根导场抵消效果越好。幅射性耦合是电磁场通过空间耦合到被干扰对象的。如被干扰对象是两根导线，它就是接收电场的天线。天线的等值电路图见图3。图3天线的等值电路图等值电压源U(即接收的干扰电压)为U=Eh(18)UU=BdS/dt(20)耦合的电磁兼容设计方法是1)采用空间分离的方法即把相互容易干扰的设备和导线尽量安排得远一低。2)采用时间分离的方法即使产生辐射的设备和易接收辐射的设备在不同3)采用频率分离的方法即使产生辐射的设备和易接收辐射的设备的工作量。5)减小天线有效高度。6)减少环线面积。5.3对易接收电磁干扰的电磁敏感电路和器件的设计方法通常用敏感度来描述敏感设备对电磁干扰响应的程度。敏感度越高，表数字电路组成。5.3.1模拟电路模拟电路的电磁兼容设计方法是例如，设计低噪声电路，减少带宽，抑制干扰传输；平衡输入，抑制干扰；选用高质量电源等。2)采用如下几种信号滤波器——低通滤波器9当干扰信号的频带高于有用信号的频带比较远时，可采用低通滤波器来LLLLf为信号的频率(Hz)；R为滤波器的电阻(Ω)；R为负载的电阻(Ω)；LC为滤波器的电容(F)。高通滤波器有用信号的频带比较远时，可采用高通滤波器来GG f为信号的频率(Hz)；R为滤波器的电阻(Ω)；C为滤波器的电容(F)。YLYL(22)f为信号的频率(Hz)；9R为负载的电阻(Ω)；LC为滤波器的电容(F)；——选通滤波器5.