電氣產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法

崔 燦

（新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

1 電磁兼容性工作時(shí)機(jī)

大量實(shí)踐表明，在電氣產(chǎn)品的開發(fā)階段，如果不能及時(shí)的解決電子兼容性問題，那么將會(huì)對(duì)后續(xù)的一系列工作產(chǎn)生直接影響，同時(shí)也會(huì)在無(wú)形當(dāng)中耗費(fèi)大量成本，如果等到批量生產(chǎn)階段再解決電磁兼容性問題，整體費(fèi)用將會(huì)增加100倍左右。而再將產(chǎn)品投入應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)電磁性兼容問題之后再解決，成本費(fèi)用將高達(dá)1000倍。由此可見，在產(chǎn)品開發(fā)階段，必須要重點(diǎn)關(guān)注電磁兼容性設(shè)計(jì)問題，同時(shí)還要盡可能的將這些問題在產(chǎn)品定型之前解決。如果不對(duì)電子兼容性問題進(jìn)行考慮，只是按照常規(guī)性計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品生產(chǎn)裝配成試驗(yàn)件之后，再測(cè)試其電磁兼容性，一旦發(fā)現(xiàn)問題，不僅調(diào)整起來(lái)難度大，而且會(huì)浪費(fèi)大量的物力、人力和時(shí)間，延長(zhǎng)產(chǎn)品交付周期，同時(shí)也會(huì)面臨更多的研制風(fēng)險(xiǎn)，因此，不管是任何一種電氣電子產(chǎn)品，及時(shí)的進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。

2 電子電路分析以及有源器件選擇

在電氣電子產(chǎn)品電路功能設(shè)計(jì)工作完成之后，通常需要對(duì)相關(guān)的電子電路和有源器件進(jìn)行分析，在此過程中要特別關(guān)注的問題是，要對(duì)那些容易受到干擾的電路、器件進(jìn)行重點(diǎn)分析。正常情況下，視頻電路、高速時(shí)鐘電路、高速邏輯電路以及電接點(diǎn)電氣等，都會(huì)存在潛在不易被人察覺的電磁騷擾源。此外，低電平模擬電路、微處理器等也很容易受到干擾，從而形成誤動(dòng)作，而對(duì)于功率放大器、線性電源、組合邏輯電器等，往往不會(huì)受到電磁干擾[1]。

模擬電路通常存在接收寬帶，若電磁干擾的部分或全部落入模擬電路的接收寬帶中，干擾信號(hào)將會(huì)很快地被接收，之后在有用信號(hào)上進(jìn)行疊加，最后進(jìn)入到模擬電路，如果干擾和有用信號(hào)的相比較大，將會(huì)對(duì)設(shè)備的正常、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生直接影響。對(duì)于模擬電路，高頻震蕩也有可能會(huì)成為干擾源，因此必須要對(duì)反饋和相位進(jìn)行合理選擇，以免出現(xiàn)高頻震蕩，對(duì)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生影響。

數(shù)字電路在脈沖狀態(tài)下工作，其高頻分量通常能夠延伸至幾百兆赫以上。此外，外部的干擾脈沖，還將會(huì)導(dǎo)致數(shù)字電路誤觸發(fā)。因此，數(shù)字電路既容易受到干擾，且其自身也屬于干擾源。通過對(duì)較低的脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行選擇，能夠大幅度緩解數(shù)字電路的電子干擾。正常情況下，干擾脈沖的強(qiáng)度只有在超出一定范圍之后，才能夠?qū)е聰?shù)字電路出現(xiàn)誤觸發(fā)的問題，而這里所提到的“范圍”，其實(shí)就是指敏感度門限，具體如噪聲能量容限、交流噪聲容限、直流噪聲容限等。HTL和CMOS電路的噪聲容限較高，因此一般可以對(duì)這些電路進(jìn)行優(yōu)先選擇。此外，還要對(duì)有源器件電磁干擾的敏感性和發(fā)射特性進(jìn)行篩選，然后將容易受到干擾的電路和干擾源電路進(jìn)行集中和分類，以減少電路之間的互相影響和干擾，同時(shí)也更加便于采取其他的防護(hù)措施[2]。

3 產(chǎn)品地線設(shè)計(jì)

在對(duì)電氣電子產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，地線設(shè)計(jì)至關(guān)重要，但同時(shí)也是難度較大的一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。實(shí)踐過程中，地線既可以是接地平面，也可以是專用的回線，在個(gè)別情況下，還可以對(duì)產(chǎn)品的金屬外殼進(jìn)行應(yīng)用。電阻為0的地線往往是最理想的設(shè)計(jì)，主要是因?yàn)榻拥攸c(diǎn)之間不存在電位差。但在具體的電氣電子產(chǎn)品中，卻往往不存在理想的地線設(shè)計(jì)，所有的地線都是既存在電擾，同時(shí)也存在電阻，在電流通過時(shí)，壓降的產(chǎn)生實(shí)屬必然。在此情況下，電位也會(huì)出現(xiàn)此起彼伏的現(xiàn)象，且接地點(diǎn)之間也會(huì)有電位差的存在。鑒于這種情況，如果電路之間存在信號(hào)關(guān)聯(lián)，且電路屬于多點(diǎn)接地時(shí)，就會(huì)形成地環(huán)路干擾，且共模電流還會(huì)在信號(hào)連接中形成，與有用信號(hào)之前相互疊加，共同作用于負(fù)載端，由于電路存在不平衡性，還會(huì)產(chǎn)生差模干擾電壓，從而對(duì)電路產(chǎn)生干擾。為了避免這種問題，減少地環(huán)路干擾，一般應(yīng)用切斷地環(huán)路的方法。實(shí)踐過程中，可以將機(jī)殼地和電路板信號(hào)地線絕緣，產(chǎn)生伏地，但是這樣的操作往往只適用于低頻的狀態(tài)下。圖1為典型的低頻設(shè)備接地示例。如果頻率較高，那么機(jī)殼和電路板之間的分布電容依然能夠形成地環(huán)路干擾。除了這種操作之外，還可以采用平衡電路對(duì)不平衡電路進(jìn)行取代，避免差模干擾電壓的形成。此外，還可以將隔離變壓器、光耦合器、共模扼流圈等設(shè)置在兩個(gè)電路之間，這樣也能夠產(chǎn)生良好的效果。將濾波器連接器安裝在產(chǎn)品的外殼上，之后將低通濾波器安裝在各個(gè)插孔和各個(gè)插針上，這樣也能夠有效地對(duì)高頻共振電流進(jìn)行濾除。而將鐵氧體磁環(huán)應(yīng)用于電纜或者電路連接部位，也能夠?qū)Ω哳l共模干擾進(jìn)行消除[4]。

圖1 典型的低頻設(shè)備接地示例

一些復(fù)雜、繁瑣的電氣電子產(chǎn)品經(jīng)常包含多種電氣組件，因此在對(duì)地線進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，通常需要按照如下方法來(lái)進(jìn)行。首先，需要對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部各電路的信號(hào)類型、工作電平等抗干擾能力以及干擾特性進(jìn)行分析。其次，對(duì)地線進(jìn)行分類，具體可以分為機(jī)殼地線、干擾源地線、信號(hào)地線等。最后，對(duì)地線的系統(tǒng)圖和總體的電路布局圖進(jìn)行規(guī)劃，然后再進(jìn)行系統(tǒng)化的改進(jìn)與分析，確定最終的布局方案。

4 濾波、屏蔽、接地等相關(guān)措施

電子屏蔽就是借助屏蔽體對(duì)電磁波的空間傳播進(jìn)行阻礙，通過屏蔽體接地，能夠?qū)Ω哳l電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行同時(shí)屏蔽，以免由于電磁感應(yīng)的存在而對(duì)屏蔽效能產(chǎn)生影響。

屏蔽電纜主要就是將金屬防波套包裹在導(dǎo)線絕緣層外部，屏蔽電纜的屏蔽層在完成接地之后，能夠產(chǎn)生良好的屏蔽效果。干擾源對(duì)電路運(yùn)行產(chǎn)生干擾，一般都是通過芯線和屏蔽層之間的耦合電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過屏蔽層接地，使干擾無(wú)法耦合到芯線上，這樣屏蔽層也能夠發(fā)揮出良好的屏蔽效果。在磁場(chǎng)屏蔽過程中，對(duì)于電纜的應(yīng)用，通常要確保屏蔽層兩端接地。對(duì)于低頻電路，通常會(huì)采用單端接地的方式，如果信號(hào)源不接地，且通過電纜連接于公共端接地放大器，那么電纜屏蔽層一般要接在公共端。對(duì)于高頻電路，一般采用雙端接地的方式，在屏蔽層接地過程中，連接器屏蔽外殼應(yīng)該與屏蔽層進(jìn)行360°的緊密連接，同時(shí)產(chǎn)品外殼也要與連接器屏蔽外殼進(jìn)行連好連接，只有這樣才能夠產(chǎn)生良好的屏蔽效果。

對(duì)于電氣電子產(chǎn)品屏蔽體，電磁干擾主要是通過電源線入口和I/O接口進(jìn)行傳輸，屏蔽體內(nèi)部的電磁干擾能夠耦合至與I/O接口連接的電源線或者導(dǎo)線上，從而形成干擾電流，同時(shí)外部的電磁干擾也可以通過于I/O接口連接的電源線或者導(dǎo)線進(jìn)入屏蔽體。此外，還能夠在電磁感應(yīng)之下形成干擾電流，然后進(jìn)入屏蔽體。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾電流的有效控制，提高屏蔽體的屏蔽性能，通?？稍陔娫淳€輸入口和I/O接口位置，分別設(shè)置饋通濾波器或?yàn)V波器連接器。

目前，可供選擇的屏蔽材料種類眾多，具體如金屬網(wǎng)線、銅接頭、導(dǎo)電橡膠、金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等，且大部分的材料供應(yīng)商都能夠?yàn)榭蛻籼峁┏龆喾N襯墊能夠達(dá)到的SE估計(jì)值，但要注意，SE僅僅只是相對(duì)數(shù)值，具體情況還要取決于材料的具體成分、襯墊壓縮比、襯墊的具體尺寸、孔隙等。襯墊的形狀多種多樣，能夠滿足多種應(yīng)用要求。在市面上，涂層泡沫襯墊應(yīng)用最為廣泛，這種襯墊能夠被制作成多種多樣的形狀，厚度在0.5 mm以上。此外，EMI混合襯墊在當(dāng)前的市面上也比較常見，通過這種襯墊的實(shí)踐應(yīng)用，也就無(wú)需再對(duì)密封材料進(jìn)行單獨(dú)應(yīng)用，同時(shí)也能夠大幅度節(jié)約屏蔽成本，減輕復(fù)雜程度。EMI混合襯墊具有防清洗溶劑、防風(fēng)、防潮等特點(diǎn)，內(nèi)部涂層都是經(jīng)過了一系列金屬化處理，導(dǎo)電性能良好，相比于傳統(tǒng)的產(chǎn)品類型，整體重量更輕，且裝配時(shí)間也比較短，因此更加有助于節(jié)約成本，目前的市場(chǎng)發(fā)展前景良好。

大多數(shù)設(shè)備都需要進(jìn)行屏蔽，這主要是因?yàn)樵O(shè)備結(jié)構(gòu)自身存在縫隙和槽，所選擇的屏蔽方式可以通過相關(guān)基本原則加以確定，但是現(xiàn)實(shí)和理論之間經(jīng)常會(huì)存在差距。例如，在對(duì)特定頻率下某個(gè)襯墊的間距和大小進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常還需要對(duì)信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行考慮，在設(shè)備當(dāng)中，如果對(duì)多個(gè)處理器進(jìn)行應(yīng)用，那么只有做好墊片設(shè)計(jì)和表面處理工作，才能夠保證長(zhǎng)期屏蔽效果，而這也是EMC性能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要素。

5 結(jié) 論

本文主要對(duì)電氣產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)中要點(diǎn)進(jìn)行了分析，具體內(nèi)容包括電磁兼容性工作時(shí)機(jī)、有源器件選擇和電路分析、地線設(shè)計(jì)、濾波、屏蔽、接地等相關(guān)措施。