電磁兼容原理、方法及設計的科普好文
電磁兼容性(EMC)指設備或系統(tǒng)可在所處電磁環(huán)境中穩(wěn)定達標工作,同時不會向周邊設備輸出超標的電磁干擾。EMC 包含兩大核心指標:其一,設備正常工作時向外輻射、傳導的電磁干擾不得超出標準限定值;其二,設備具備相應抗干擾能力,能夠耐受環(huán)境內(nèi)各類電磁擾動,也就是電磁抗擾性能。
電磁兼容主要研究對象
①各類人為電磁噪聲:輸電線路電暈噪聲、車載電磁噪聲、接觸器本體噪聲、導體通斷放電噪聲、電力機車噪聲、城市綜合電磁噪聲等。
②同廊道內(nèi)輸電線路、通信線纜、軌道交通、公路設施、金屬輸油管道等公用設施之間的相互電磁干擾影響。
③超高層樓宇、輸電鐵塔等大型構筑物造成電磁波反射引發(fā)的電磁問題。
④電磁環(huán)境對人體及各類生物產(chǎn)生的輻射作用,涵蓋工頻強電場、中短波與微波輻射帶來的影響。
⑤核電磁脈沖干擾:高空核爆生成的電磁脈沖可大范圍損毀地面指揮、控制、通信、計算機等信息系統(tǒng)。
⑥TEMPEST防信息泄漏技術:針對電子信息設備電磁輻射造成的信息泄露,圍繞信號截獲、電磁防護開展相關研究。
⑦電子設備電磁誤觸發(fā)問題,需通過配套設計提升設備抗干擾性能以規(guī)避故障。
⑧無線電頻譜規(guī)劃與管控:頻譜屬于有限非消耗資源,需統(tǒng)籌管控并高效開發(fā)利用。
⑨電磁兼容相關測試與檢測技術。
⑩自然環(huán)境產(chǎn)生的各類電磁干擾。
提高電磁兼容性的措施
①采用完整屏蔽結構,可阻隔外部輻射侵入系統(tǒng),同時抑制系統(tǒng)自身干擾向外輻射。屏蔽體需保證結構完整,對必要的艙門、縫隙、通風孔及電纜穿孔等位置做屏蔽處理,且屏蔽體必須可靠接地。
②優(yōu)化接地系統(tǒng)設計,小信號電路、大信號電路及干擾源電路盡量分開接地,同時限度降低接地電阻。
③匹配適配的濾波技術,合理選取濾波器通帶頻段,有效減小漏電損耗,提升濾波效果。
④應用限幅防護技術,限幅閾值高于電路正常工作電平,并采用雙向限幅設計,兼顧正負向干擾防護。
⑤合理選型連接電纜、規(guī)范布線方式,長距離傳輸場景可采用光纜替代傳統(tǒng)電纜,規(guī)避傳導干擾。
⑥采用平衡差動電路、波形整形電路、積分電路及選通電路等抗干擾電路設計,提升系統(tǒng)抗擾能力。
⑦合理規(guī)劃系統(tǒng)工作頻率,多主頻信號同時工作時,各信號頻率相互錯開,規(guī)避頻率重疊及諧振干擾。
⑧同廊道布設的各類設備,在工況條件允許的情況下,盡量增大設備間距,削弱設備間的電磁相互干擾。
電磁兼容性設計
的基本原理
1. 接地
接地是電子設備設計中至關重要的環(huán)節(jié),主要包含三大作用:
(1)接地能夠為整套電路系統(tǒng)的所有單元電路提供統(tǒng)一的公共參考零電位,保障電路系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
(2)抵御外界電磁場干擾。設備機殼接地可快速泄放靜電感應積累的電荷,避免電荷積聚形成高壓,引發(fā)設備內(nèi)部火花放電干擾。同時,電路屏蔽體通過合理接地,可實現(xiàn)優(yōu)異的屏蔽效果。
(3)保障設備與人員安全。可有效規(guī)避雷電電磁感應造成的設備損壞,也能防止工頻電源絕緣失效、機殼帶電引發(fā)的人員觸電事故。尤其醫(yī)療設備直接與人體接觸,機殼若接入市電電壓,將產(chǎn)生致命安全風險。
因此,接地是抑制電磁噪聲、防范電磁干擾的核心手段。接地可定義為電路或系統(tǒng)的等電位點 / 等電位基準面,其電位無需與大地電位一致。為防范雷擊損壞、保障人員安全,電子設備機殼、機房金屬結構等必須可靠接地,且接地電阻需嚴格控制在規(guī)范限值以內(nèi)。
電路接地方式主要分為單點接地、多點接地與混合接地三類。單點接地是指整套電路僅設置一個接地參考點,其余所有接地點位均直接連接至該基準點。多點接地是指系統(tǒng)內(nèi)各接地節(jié)點就近連接至接地平面,限度縮短接地引線長度,其中接地平面可選用設備底板、系統(tǒng)地線、設備結構框架等金屬載體。
混合接地通過旁路電容將高頻接地點與接地平面相連,設計過程中需規(guī)避旁路電容與引線電感形成諧振,避免產(chǎn)生新的干擾問題。
2. 屏蔽
屏蔽是通過金屬結構對空間區(qū)域進行隔離,以此控制電場、磁場及電磁波在不同區(qū)域間的感應與輻射傳遞。簡單來說,可利用屏蔽體包裹干擾源元器件、電路、組件、線纜及整機設備,阻斷電磁干擾向外擴散;也可通過屏蔽體隔離接收端設備與電路,避免其受外界電磁場干擾。
屏蔽體可對內(nèi)外電磁干擾能量實現(xiàn)吸收、反射與抵消作用:通過渦流損耗吸收電磁波能量,通過界面反射阻隔電磁波傳播,同時利用電磁感應產(chǎn)生反向電磁場抵消干擾能量,從而有效削弱電磁干擾。
屏蔽體材料選型遵循以下原則:
(1)高頻電磁干擾場景:選用低電阻率、高電導率金屬材料,依靠材料內(nèi)部渦流損耗消耗干擾能量,抵消外部電磁波,實現(xiàn)高頻屏蔽。
(2)低頻電磁干擾場景:選用高磁導率材料,將磁力線約束在屏蔽體內(nèi)部,防止低頻磁場向外擴散。
(3)全頻段屏蔽場景:針對高低頻混合干擾,采用多層不同金屬材料搭建復合屏蔽結構,兼顧全頻段屏蔽性能。
3. 其他干擾抑制方法
(1)濾波
濾波是抑制電磁干擾的關鍵技術手段。
由于干擾信號與有用信號的頻譜頻率不同,濾波器可精準抑制雜散干擾頻譜,大幅降低傳導干擾幅值,實現(xiàn)常規(guī)干擾抑制方式無法達成的效果。濾波網(wǎng)絡既可抑制干擾源、切斷干擾耦合路徑,也能提升接收設備的抗干擾能力。阻容、感容去耦網(wǎng)絡可實現(xiàn)電路與電源的電氣隔離,消除電路間耦合串擾,阻擋干擾信號傳入工作電路。高頻電路可采用電容、電感組成的 CLCM π 型濾波器,通過匹配不同類型濾波器,可有效消除各類無用電磁耦合干擾。
(2)無源元件合理選型
實際應用中的無源元件并非理想器件,電氣特性與理論特性存在偏差,甚至自身會成為電磁干擾源,因此無源元件的合理選型尤為重要。同時,可依托無源元件自身的電氣特性,針對性實現(xiàn)電磁干擾的抑制與防護。
(3)電路優(yōu)化技術
單純的屏蔽手段若無法滿足抗干擾要求,可結合屏蔽工藝,搭配平衡電路等優(yōu)化設計。平衡電路可使雙線電路及配套附屬電路對地、對其他線路保持一致阻抗,讓兩根導線拾取的干擾信號幅值相等,形成共模干擾,最終在負載端相互抵消、自行消除。
除此之外,接點網(wǎng)絡、整形電路、積分電路、選通電路等電路設計技術,均可有效優(yōu)化電路抗干擾性能。綜上,電路優(yōu)化設計是電磁干擾抑制體系中
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