摘要：電和磁是互相關聯的。每一臺電子設備都不可避免電磁兼容問題。因此，為了使電子設備可靠運行，必須研究電磁兼容技術。以實例說明了電磁兼容的思路和設計方法。通過對電磁干擾源的明確認識，對電磁干擾引入路徑的清楚了解，針對電磁干擾敏感的接收電路進行重點保護。

關鍵詞：電磁兼容；電磁干擾；設計

Concepts and Design Methods of Electromagnetic Compatibility

YAN Xiu-sheng, NING Tian-fu, GUO Xiang-yu, GUO Yun-zhi

Abstract:Electricity and magnetism is interrelated. Each and every electric equipment don′ t avoid the problem on electromagnetic compatibility.Therefore,in order that the electric equipment can operate well,it is necessary to research the technology of electromagnetic compatibility.The thinking and design method of electromagnetic compatibility are explained by examples.To understand the source of EMI and the propagative way of EMI clearly the key protection of sensitive receiving circuit for EMI can be carried out.

Keywords:Electromagnetic compatibility; Electromagnetic interference; Design 　

1 引言

1822年安培提出了一切磁現象的根源是電流的假說。1831年法拉第發(fā)現變化的磁場在導線中產生感應電動勢的規(guī)律。1864年麥克斯韋全面論述了電和磁的相互作用，提出了位移電流的理論，總結出麥克斯韋方程，預言電磁波的存在，麥克斯韋的電磁場理論是研究電磁兼容的理論基礎。1881年英國科學家希維賽德發(fā)表了“論干擾”的文章，標志著電磁兼容性研究的開端。

1888年德國科學家赫茲首創(chuàng)了天線，第一次把電磁波輻射到自由空間，同時又成功地接收到電磁波。從此開始了電磁兼容性的實驗研究。

1889年英國郵電部門研究了通信中的干擾問題，使電磁兼容性研究開始走向工程化。1944年德國電氣工程師協(xié)會制訂了世界上第一個電磁兼容性規(guī)范VDE0878，1945年美國頒布了第一個電磁兼容性軍用規(guī)范JAN－I－225。

我國從1983年開始也陸續(xù)頒布了一系列有關電磁兼容性規(guī)范。

雖然電磁干擾問題由來已久，但電磁兼容這個新興的綜合性學科卻是近代形成的。主要研究和應用的內容包括：電磁兼容性標準和規(guī)范；分析和預測；設計；實驗測量；開發(fā)屏蔽材料；培訓教育和管理等。

2 電磁兼容的重要性

2.1 為了電子設備工作的可靠性

電磁兼容性是指電子設備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。電磁干擾是對電子設備工作性能有害的電磁變化現象。電磁干擾不僅影響電子設備的正常工作，甚至造成電子設備中的某些元器件損害。因此，對電子設備的電磁兼容技術要給予充分的重視。既要注意電子設備不受周圍電磁干擾而能正常工作，又要注意電子設備本身不對周圍其它設備產生電磁干擾，影響其它設備正常運行。

2.2 為了電子設備的國際接軌

近來，電磁兼容性已由事后處理發(fā)展到預先分析、預測和設計。電磁兼容已成為現代工程設計中的重要組成部分。電磁兼容性達標認證已由一個國家范圍向全球地區(qū)發(fā)展，使電磁兼容性與安全性、環(huán)境適應性處于同等重要地位。

例如，歐共體將產品的電磁兼容性要求納入技術法規(guī)，強制執(zhí)行89/336/EEC指令，規(guī)定從1996年1月1日起電氣和電子產品必須符合電磁兼容性要求，并加貼CE標志后才能在市場銷售。

為了與國際接軌，我國外經部和國家出入境檢驗局于1999年1月起對個人計算機、顯示器、打印機、開關電源、電視機和音響設備實施電磁兼容性強制檢測。國家技術監(jiān)督局規(guī)定從2002年10月起陸續(xù)對聲音和電視廣播設備、信息技術設備、家用電器、電動工具、電源、照明電器、電點火驅動裝置、金融結算電子設備、安防電子產品和低壓電器實施電磁兼容性強制性認證。

2.3 為了人身和某些特殊材料的安全

電磁波通過與電爆裝置的控制電路感應耦合，形成的干擾電流可能引起電爆裝置的爆炸。因此GJB786中規(guī)定，電引爆器導線上的電磁干擾感應電流和電壓必須小于最大不發(fā)火電流和電壓的15％。另外，各種燃油在強電磁場的作用下（直接照射、電火花、靜電放電）有發(fā)生燃燒和爆炸的危險；電磁能量通過對人體組織的物理化學作用會產生有害的生理效應。因此，為了人身和某些特殊材料的安全，GJB786中還規(guī)定，電子設備的電磁輻射量連續(xù)波的平均功率密度不允許超4mW/cm2，脈沖波的平均功率密度不允許超過2mW/cm2。

2.4 為了當今和未來戰(zhàn)爭的需要

核爆炸時產生的電磁脈沖，以光速向外輻射傳播，其電場強度可達105V/m，磁場強度可達260A/m，脈沖寬度為20ns量級，電磁脈沖峰值處頻率為105Hz。這種電磁脈沖作用于電子設備時，輕者造成電子設備性能惡化，重者造成電路元器件損壞。

特別是在當今和未來戰(zhàn)爭中，已經應用的電磁脈沖彈和正在研制的高功率微波武器都具有類似核爆炸時產生的電磁脈沖輻射，將對電子設備構成致命威脅。而電磁兼容可以為對抗這種威脅提供基本技術指導。

3 電磁兼容的設計思路

為了提高電子設備的電磁兼容能力，必須從開始設計時就給予電磁兼容性以足夠的重視。電磁兼容的設計思路可以從電磁兼容的三要素，即電磁干擾源、電磁干擾可能傳播的路徑及易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件入手。也就是

1）首先，要充分分析電子設備可能存在的電磁干擾源及其性質，盡量消除或降低電磁干擾源的參數。

2）其次，要充分了解電磁干擾可能傳播的路徑，盡量切斷其路徑，或降低與電磁干擾耦合的能力。

3）最后，要充分認識易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件，盡量杜絕其接收電磁干擾的可能性。

據此，在設計時應采取相應對策，消除或部分消除可能出現的電磁干擾，以減輕調試工作的壓力。在調試中，針對具體出現的電磁干擾，以及接收電磁干擾的電路和元器件的表現進行分析，以確定電磁干擾源所在及電磁干擾可能傳播的路徑，再采取相應的解決辦法。

4 電磁兼容的具體實例

4.1 對電磁干擾源要有明確的認識

例如，某探測設備在探測元件無輸入信號時，其放大器輸出端的干擾信號峰峰值為50.8mV，遠遠超過該探測設備輸出端最小探測信號電壓峰峰值4.0mV的要求，致使整個設備無法正常工作。

該臺探測設備的驅動電源采用直流斬波式方波交流電源，驅動螺線管電磁鐵往復運動，由上可見，驅動電源的負載為感性的電磁線圈。對感性的電磁線圈采用直流斬波式方波交流電源供電，在斬波時將產生嚴重的電磁干擾。因為感性的電磁線圈中的電流變化必然產生感應電動勢，電流變化越快，產生的感應電動勢越大。這種感應電動勢將會通過某種路徑傳導耦合到放大器的輸出級，而成為嚴重的電磁干擾。

該臺探測設備的驅動電源采用線性純正弦波電源時，在探測元件無輸入信號時，在放大器輸出端最大探測信號電壓峰峰值僅為4.4mV。而具有隨機性質的噪聲電壓，其峰峰值最大為3.0mV。說明原來的干擾信號已被極大地消除，

從該項工作中，使我們體會到電磁干擾的嚴重性，對電磁干擾的認識僅停留在一般的水平上、泛泛地、全面地采取各種抗干擾措施也不一定見效，必須抓住主要矛盾。

再舉一例，某電子設備，當打開電源開關時，其測量顯示呈紊亂狀態(tài)。究其原因，正是在電源開關時刻，電路由一種穩(wěn)態(tài)轉換到另一種穩(wěn)態(tài)的過渡過程中，所出現的過電壓、過電流所致。為此，采用一定容量和電壓的氧化鋅壓敏電阻并聯在電源上，便收到了較好的效果。這也說明對電磁干擾源有明確認識時，才能有的放矢地采取抗干擾措施，效果明顯。

4.2 對電磁干擾可能的傳播路徑要有清楚了解

在核聚變科學研究中，將巨大的微波能耦合到等離子體中去，以提高核聚變物理參數。為此，需要高能大功率發(fā)射系統(tǒng)。其主電源脈沖電壓達20kV，最大脈沖寬度30ms，最高脈沖功率2400kW。該電源通過電感儲能，直流開斷，脈沖整形等一系列環(huán)節(jié)，由微機控制來實現。

調試過程中，當電壓達數kV時，系統(tǒng)便無法正常運行。輕則控制程序出錯，重則程序全部被沖掉，更嚴重時微機芯片被燒損。由于對電磁干擾認識膚淺，盲目地采取各種措施，如重新布線，改善接地，增加電磁屏蔽和隔離等等，忙了幾個月均不能根本解決問題，挫折迫使我們冷靜了下來。在進行了科學分析后，認定必須要對幅度高達數kV，前后沿很陡的這一電磁干擾源有清楚了解，并對其可能傳播的路徑采取加強隔離措施。在對光電隔離器采用雙重設計后，微機能穩(wěn)定、可靠地工作了。

再舉一例，在激光電源低功率調試中發(fā)現應交替導通的兩個逆變開關IGBT的觸發(fā)信號存在重迭現象，即有互相干擾。如果不消除這種干擾，可能發(fā)生主電路直通故障?；谝郧胺e累的對電磁干擾可能的傳播路徑要有明確認識的工作經驗，我們從逆變開關IGBT的觸發(fā)端倒推，一級一級地檢測觸發(fā)信號，直到產生觸發(fā)信號的TL494集成電路的兩個輸出端，發(fā)現這兩個輸出端的引線距離很近，且平行布線很遠。通過分析表明，這種情況容易產生電容性耦合干擾，干擾的強弱與工作頻率及兩條引線之間的分布電容量有關。當我們將其中一條引線切斷，用一條拉開很遠距離的臨時導線代用后，兩個逆變開關IGBT的觸發(fā)信號不再發(fā)生重迭現象了。

從該項工作中，使我們體會到對電磁干擾可能傳播的路徑有明確的認識，才能順利地排除電磁干擾。否則將無從下手解決存在的電磁干擾問題。

4.3 對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件要進行重點保護

還是上述的第一個例子中，某探測設備在探測元件無輸入信號時放大器輸出端的干擾信號遠遠超過最小探測信號電壓值，致使整個設備無法正常工作。

經過認真分析和實際測試，除了對電磁干擾源缺乏明確的認識和電磁干擾可能傳播的路徑缺乏清楚了解外，對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件也缺乏重點保護。為此對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件——傳感器輸入電路和前級放大電路主要采取兩項電磁兼容性措施：

1）信號接地信號接地的主要目的是為了抑制電磁干擾，應當特別注意低電平電路、信號檢測電路、傳感器輸入電路和前級放大電路的接地。

該探測設備的傳感器輸入電路、前級放大電路和末級放大電路的接地應該只設一個接地點，因為多個接地點會引入共地阻抗的干擾。而這個接地點的位置應當選擇在保證地線中的電流流向為從小信號電路流向大信號電路，從而避免大信號電路的地線電流對小信號電路產生干擾。

2）屏蔽加強該探測設備的傳感器輸入電路和前級放大電路電磁屏蔽，并注意屏蔽的完整性和良好的接地措施。

電磁屏蔽設計時，一般采用電導率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，應以趨膚深度和結構強度為主要考慮因素。另外要注意屏蔽的完整性，如果屏蔽體不完整，將導致電磁場泄漏。

5 電磁兼容的設計方法

5.1 對電磁干擾源的設計方法

電磁干擾源的種類相當繁多，比如，自然的電磁干擾源包括：地球表面的最大磁場強度為52A/m、平均電場強度為130V/m，雷電的大氣干擾，靜電的電暈放電和宇宙噪聲等等。人為的電磁干擾源包括：含有整流子的直流電機換向時產生的電弧和電流變化、電器開關動作時產生的電弧和電流變化，非線性元器件工作時產生的諧波，高頻振蕩器和無線電發(fā)送設備的電磁輻射，汽車點火系統(tǒng)，醫(yī)療用的超聲波發(fā)生器，生活用的微波爐以及電磁脈沖等等?？梢哉f電磁干擾源無處不在，下面僅討論與我們相關的主要電磁干擾源。

5.1.1 供電電源

供電電源，常由于負載的通斷過渡過程、半導體元器件的非線性，脈沖設備及雷電的耦合等因素，而成為電磁干擾源。

供電電源電磁兼容的設計方法為

1）采用交流電源濾波器

由于交流電源濾波器是低通濾波器，不妨礙工頻電能的通過，而對高頻電磁干擾呈高阻態(tài)，有較強的抑制能力。使用交流電源濾波器時，應根據其兩端阻抗和要求的插入衰減系數選擇濾波器的型式。要注意其承受電壓和導通電流的能力，屏蔽與機殼要電氣接觸良好，地線要盡量短、截面足夠大，進出線要遠離，而且濾波器應盡量靠近供電電源。

2）交流電源變壓器加靜電屏蔽

由于電源變壓器初、次級間存在分布電容，進入電源變壓器初級的高頻干擾能通過分布電容耦合到電源變壓器的次級。在電源變壓器初、次級間增加靜電屏蔽后，該屏蔽與繞組間形成新的分布電容。將屏蔽接地，可以將高頻干擾通過這一新的分布電容引入地，從而起到抗電磁干擾的作用。靜電屏蔽應選擇導電性好的材料，且首尾端不可閉合，以免造成短路。

3）脈沖電壓的吸收

對脈沖電壓的電磁干擾可以采用壓敏電阻、固體放電管或瞬態(tài)電壓抑制二極管來吸收。當脈沖電壓吸收器件承受一個高能量的瞬態(tài)過電壓脈沖時，其工作阻抗能立即降到很低，允許通過很大的電流，吸收很大的功率，從而將電壓箝制在允許的水平內。

壓敏電阻或固體放電管可應用于直流或交流電路。單向瞬態(tài)電壓抑制二極管應用于直流電路，而雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管應用于交流電路。使用脈沖電壓的吸收器件時，應選擇其額定電壓略高于設備的最大工作電壓，以保證無脈沖電壓時，吸收器件的功耗最少；當有脈沖電壓時，其箝位的電壓應低于設備的最高絕緣電壓，以保證設備的安全；其通流能力應大于脈沖電壓所產生的電流。

4）直流電源的電磁兼容措施

——整流電路的高頻濾波即在整流管上并聯小電容（0.01μF）進一步濾掉從變壓器進入的高頻干擾。

——直流退耦即在直流電源和地之間并聯2個電容，大電容（10～100μF）濾掉低頻干擾，小電容（0.01～0.22μF）濾掉高頻干擾。

5）電源的其它電磁兼容措施

——控制電路和功率電路采用分相供電或采用不同的電源供電；

——采用UPS（不間斷電源）供電；

——采用電源電壓監(jiān)視集成電路。

5.1.2 暫態(tài)過程

暫態(tài)過程是由于電路機械觸點的分合，負載的通斷和電路的快速切換等導致電路電壓或電流發(fā)生快速變化，而成為電磁干擾源。

暫態(tài)過程的電磁兼容設計方法為

1）電路機械觸點的熄火花電路

電路機械觸點的熄火花電路由電阻（R）和電容（C）串聯組成。其原理是用電容轉換觸點分斷時負載電感（L）上的能量，從而避免在觸點上產生過電壓和電弧造成的電磁干擾，最終由電阻吸收這部分能量。

電路參數計算如下：

R>2（L/C）1/2 （Ω） （1）

C1=4L/R2 （μF） （2）

C2=（Im/300）2L （μF） （3）

式中：R為電阻（Ω）；

L為負載電感（μH）；

Im為負載電感中的最大電流（A）；

C取C1、C2中大者。