電磁兼容性(EMC)指設備或系統可在所處電磁環境中穩定達標工作,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,能夠耐受環境內各類電磁擾動,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的電磁問題。
④電磁環境對人體及各類生物產生的輻射作用,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。
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問題,需通過配套設計提升設備抗干擾性能以規避故障。
⑧無線電頻譜規劃與管控:頻譜屬于有限非消耗資源,需統籌管控并高效開發利用。
⑨電磁兼容相關測試與檢測技術。
⑩自然環境產生的各類電磁干擾。
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,同時抑制系統自身干擾向外輻射。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優化接地系統設計,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、規范布線方式,長距離傳輸場景可采用光纜替代傳統電纜,規避傳導干擾。
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,提升系統抗擾能力。
⑦合理規劃系統工作頻率,多主頻信號同時工作時,各信號頻率相互錯開,規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節,主要包含三大作用:
(1)接地能夠為整套電路系統的所有單元電路提供統一的公共參考零電位,保障電路系統穩定運行。
(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,引發設備內部火花放電干擾。同時,電路屏蔽體通過合理接地,可實現優異的屏蔽效果。
(3)保障設備與人員安全。可有效規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、機殼帶電引發的人員觸電事故。尤其醫療設備直接與人體接觸,機殼若接入市電電壓,將產生致命安全風險。
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范限值以內。
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。多點接地是指系統內各接地節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,設計過程中需規避旁路電容與引線電感形成諧振,避免產生新的干擾問題。
2. 屏蔽
屏蔽是通過金屬結構對空間區域進行隔離,以此控制電場、磁場及電磁波在不同區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。
屏蔽體可對內外電磁干擾能量實現吸收、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,依靠材料內部渦流損耗消耗干擾能量,抵消外部電磁波,實現高頻屏蔽。
(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,實現常規干擾抑制方式無法達成的效果。濾波網絡既可抑制干擾源、切斷干擾耦合路徑,也能提升接收設備的抗干擾能力。阻容、感容去耦網絡可實現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,針對性實現電磁干擾的抑制與防護。
(3)電路優化技術
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,均可有效優化電路抗干擾性能。綜上,電路優化設計是電磁干擾抑制體系中