澳门太阳网-深度剖析电磁兼容性原理、方法及设计

什么是电磁兼容电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运营并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC还包括两个方面的拒绝：一方面是指设备在长时间运营过程中对所在环境产生的电磁干扰无法多达一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中不存在的电磁干扰具备一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。电磁兼容的主要研究对象①各种人为噪声，如输电线电晕噪声、汽车噪声、接触器自身噪声及导体无线电视台时静电引发的噪声、电气机车噪声、城市噪声等。②共用走廊内各种公用事业设备（输电线、通信、铁路、公路、石油金属管线等）相互间的影响。

③超高层建筑、输电线、铁塔等大型建筑物引发的光线问题。④电磁环境对人类及各种生物的起到。其中还包括强劲电线等工频场，中、短波及微波电磁辐射的影响。

⑤核电磁脉冲的影响。高空核爆炸产生的电磁脉冲能大面积毁坏地面上的指挥官、掌控、通信、计算机及报系统。⑥探谱（TEMPEST）技术。

其实质内容是针对信息设备的电磁辐射与信息外泄问题，从信息接管和防水两方面所积极开展的一系列研究工作。⑦电子设备的误动作。为了避免误动作，必需采取措施以提升设备的抗干扰能力。

⑧频谱分配与管理。无线电频谱是一种受限的资源，但不是消耗性的，既要科学地管理，又要充份地利用。⑨电磁兼容与测量。

⑩自然界影响等。提升电磁兼容性的措施①用于完备的屏蔽体可避免外部电磁辐射转入本系统，也可避免本系统的阻碍能量向外电磁辐射。

屏蔽体应维持完整性，对必不可少的门、针、通风孔和电缆孔等需处置，屏蔽体要有可信的短路。②设计合理的接地系统，小信号、大信号和产生阻碍的电路尽可能分离短路，短路电阻尽量小。

③用于适合的滤波技术，滤波器的通带经过合理自由选择，尽可能增大漏电损耗。④用于限幅技术，限幅电平不应低于工作电平，并且不应双向限幅。⑤准确搭配相连电缆和布线方式，适当时能用光缆替换宽电缆。

⑥使用均衡差动电路、整形电路、积分电路和选通电路等技术，⑦系统频率分配要合理。当一个系统中有多个主频信号工作时，尽可能使各信号频率避免，甚至避免对方的谐振频率。⑧共用走廊的各种设备，在条件许可时，不应维持较小的隔距，以减低相互之间的影响。

电磁兼容性设计的基本原理1.短路短路是电子设备的一个很最重要问题。短路目的有三个：（1）短路使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参照零电位，确保电路系统能平稳地干不作。（2）避免外界电磁场的阻碍。

机壳短路可以使得由于静电感应而累积在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷构成的高压有可能引发设备内部的火花放电而导致阻碍。另外，对于电路的屏蔽体，若自由选择适合的短路，也可取得较好的屏蔽效果。

（3）确保安全性工作。当再次发生必要雷电的电磁感应时，可避免电子设备的破坏；当工频交流电源的输出电压因绝缘不当或其它原因必要与机壳相连时，可避免操作者人员的电线事故再次发生。此外，很多医疗设备都与病人的人体必要连接，当机壳具有110V或220V电压时，将再次发生可怕危险性。

因此，短路是诱导噪声避免阻碍的主要方法。短路可以解读为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。

为了避免失火有可能导致的损毁和工作人员的人身安全，电子设备的机壳和机房的金属构件等，必需与大地相连接，而且短路电阻一般要较小，无法多达规定值。电路的短路方式基本上有三类，即单点短路、多点短路和混合短路。单点短路是所指在一个线路中，只有一个物理点被定义为短路参考点。

其它各个必须短路顶点都必要收到这一点上。多点短路是所指某一个系统中各个相接地点都必要收到距它最近的接地平面上，以使短路引线的长度最较短。

接地平面，可以是设备的底板，也可以是全线贯通整个系统的地导线，在较为大的系统中，还可以是设备的结构框架等等。混合短路是将那些只需高频相接地点，利用旁路电容和接地平面连接起来。但不应尽可能防止出现旁路电容和引线电感包含的谐振现象。

2.屏面屏蔽就是对两个空间区域之间展开金属的隔绝，以掌控电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应器和电磁辐射。明确谈，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，避免阻碍电磁场向外扩散；用屏蔽体将接管电路、设备或系统包围起来，避免它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的阻碍电磁波和内部电磁波皆起着吸取能量（涡流损耗）、光线能量（电磁波在屏蔽体上的界面光线）和抵销能量（电磁感应在屏蔽层上产生偏移电磁场，可抵销部分阻碍电磁波）的起到，所以屏蔽体具备弱化阻碍的功能。

屏蔽体材料自由选择的原则是：（1）当阻碍电磁场的频率较高时，利用较低电阻率（低电导率）的金属材料中产生的涡流（P=I2R，电阻率就越较低（电导率越高），消耗的功率越大），构成对外来电磁波的抵销起到，从而超过屏蔽的效果。（2）当阻碍电磁波的频率较低时，要使用低导磁率的材料，从而使磁力线容许在屏蔽体内部，避免蔓延到屏蔽的空间去。（3）在某些场合下，如果拒绝对高频和低频电磁场都具备较好的屏蔽效果时，往往使用有所不同的金属材料构成多层屏蔽体。

3.其它诱导阻碍方法（1）滤波滤波是诱导和避免阻碍的一项最重要措施。滤波器可以贞着地增大传导阻碍的电平，因为阻碍频谱成份不相等简单信号的频率，滤波器对于这些与简单信号频率有所不同的成份有较好的诱导能力，从而起着其它阻碍诱导无法起着的起到。

所以，使用滤波网络无论是诱导干扰源和避免阻碍耦合，或是强化接管设备的抗干扰能力，都是有力措施。用阻容和感容去耦网络能把电路与电源隔离开，避免电路之间的耦合，并防止干扰信号转入电路。

对高频电路可使用两个电容器和一个电感器（高频扼流圈）构成的CLCMπ型滤波器。滤波器的种类很多，自由选择必要的滤波器能避免不期望的耦合。

（2）准确搭配无源元件简单的无源元件并不是“理想”的，其特性与理想的特性是有差异的。简单的元件本身有可能就是一个干扰源，因此准确搭配无源元件十分最重要。有时也可以利用元件具备的特性展开诱导和避免阻碍。（3）电路技术有时候使用屏蔽后仍无法符合诱导和避免阻碍的拒绝，可以融合屏蔽，采行均衡措施等电路技术。

均衡电路是指双线电路中的两根导线与相连到这两根导线的所有电路，对地或对其它导线都具备完全相同的电阻。其目的在于使两根导线所检拾到的干扰信号大于。

这时的阻碍噪声是一个共态信号，可在阻抗上自行消失。另外，还可使用其它一些电路技术，例如接点网络，整形电路，积分电路和选通电路等等。

总之，使用电路技术也是诱导和避免阻碍的最重要措施。1、电磁兼容的分层设计原则这主要是按照电磁兼容设计的先后顺序来考虑到的，从先到后可分成以下几层：（1）元器件的自由选择和PCB设计，这是关键的；（2）短路设计，这是主要的手段。

以上两层如果设计的好，可已完成电磁兼容的80%以上的工作。（3）屏蔽设计；（4）滤波设计和瞬态侵扰诱导。以上两层是辅助手段，多为事后补救措施，也是我们最不倡导的。

（5）可根据实际电路必须，融合以上几层来综合设计。2、确保电磁兼容的方法主要根据包含阻碍的三要素从下几方面来确保电磁兼容。

2.1在有所不同等级上确保电磁兼容1）从元器件级上来说，当是无源元件时，考虑到（1）工作频带以外的元件参数与工作频带上的有相当大的区别；（2）插件元件的末端引线有电感不存在，当高频时这个电感不易再次发生电磁兼容问题；（3）元件有寄生电容，宿主电感，在电路上展现出为产于参数，在分析电路时也要考虑到由它带给的等效电路。当是有源元件时，工作中产生的电磁辐射也不会以传导电流的方式沦为干扰源，当所谓线性元件时还有可能再次发生频谱成分的变化，这种变化也不会引发阻碍。2）从设备级上来说，主要是确保增加对脆弱设备的耦合，可考虑到（1）减少脉冲前沿时间以增加阻碍的频宽；（2）避免电路中波动器产生的谐波及信号的谐波；（3）容许阻碍电磁辐射或避免阻碍的传播途径。

3）从系统级上来说，主要是靠的组织或系统工程的方法来确保，因为有可能在单个设备上的电磁兼容获得了提高，但同时却影响了其它设备的工作条件，使得其它设备的性能指标变差，此时必须从系统上折衷考虑到，另外，最重要的一点是电磁兼容设计必需获得系统总体设计的高度重视。2.2增大导线之间的耦合主要就是指减小导线之间的距离，用于屏蔽，用于双绞线或用于屏蔽加双缚这几个方面来考虑到。

2.3短路主要不应考虑到（1）短路导线及公共线的电阻不应大于，最差大于产品最低工作频率的λ/20以内；（2）短路导线不应使用横截面为管形的接地线；（3）可信短路，并避免连接点构成水解层；（4）用于一点并连接起来地（低频用）或者多点短路（高频用）。2.4屏蔽当是低频磁场时，主要考虑到磁屏蔽，当屏蔽层就越薄，材料导电亲率越高，屏蔽效能就越好；当是高频磁场、电场或电磁场时，主要考虑到用厚金属屏蔽并较好短路。另一个值得注意的是在线缆制作时，拒绝电缆屏蔽层和连接器插头的金属外壳要有?360度的原始搭接，无法经常出现“猪尾巴”现象，否则效果大大打折扣。

2.5滤波主要考虑到（1）诱导工作频带以外的阻碍；（2）在信号电路中用吸取滤波器避免多余的频谱成分；（3）在电源电路（特别是在是开关电源中），操控电路，控制电路，以及切换电路中避免产生的阻碍。在工程实际中，一个最值得注意的地方是电源滤波器的加装，少见的滤波器的错误加装如图2右图。2.6电子设备的空间方位由于各种电子设备的接管特性以及干扰源设备的电磁辐射特性都具备一定的方向性和一定的起到距离，可以利用这些特性必要决定电子设备在设备空间中的方位以防止阻碍和被阻碍，即留意确认电子设备之间的空间距离和方位的格局。

3、PCB设计技术除了元器件的自由选择和电路设计外，较好的印制板（PCB）布线在电磁兼容设计中也是一个十分最重要的因素。既然PCB是系统的固有成分，在PCB布线中强化电磁兼容性会给产品的最后已完成带给附加费用，从这一点来说也是十分经济的。3.1留意电磁兼容设计的比特率在EMC中，除了基本频率外，还须要考虑到谐波因素，一般来说所取十倍频，但在数字电路中却有些有所不同，比如在时钟电路和逻辑门电路中，电磁辐射比特率与数字信号的下降沿或上升沿有关系，而不是数字信号的反复周期，其关系为：rtF?/1max?，其中rt是脉冲的下降沿时间。

例如，典型时钟驱动的边沿速率是2ns，此时，maxF≈160MHz，再考虑十倍频，则此时钟电路有可能产生直到1.6GHz的电磁辐射比特率。所以在自由选择器件时要自由选择较慢的逻辑器件系列，因为器件对电磁辐射贡献的大小与工作频率无必要关系而只各不相同边沿速率（这和从电路功能设计上自由选择较慢器件是对立的，在电路设计时必须折衷考虑到）。还有从器件的抗扰能力上来说，CMOS器件是最差的，因为它的噪声容限低。

从PCB上来说，BGA是最差的，因为它的引线很短。脉冲信号的频谱如图3右图。3.2留意用作PCB电磁兼容设计的电路与电路原理图有所不同主要是由于PCB的电路原理图没考虑到电路中元件及PCB线条的产于参数，如产于电感，分布电容，产于互感，产于言和电容以及传输延后等项。

例如导线在高频时EOS电感和电阻的串联。电源速度越高，对阻抗电阻的拒绝就越高，拒绝时钟驱动器的输出阻抗必需相等时钟线条的波阻抗，一般来说时钟驱动器都要特串联电阻，经验值一般为10～30Ω。

3.3留意PCB布线原则（1）20-H原则，要求印制线条间的距离，阐释如下：所有的具备一定电压的PCB都会向空间电磁辐射电磁能量（如图4a），为增大这个效应，PCB的物理尺寸都应当比最靠近的相接地板的物理尺寸小20H（其中H是两层PCB的间距），即3mm左右，这样可使辐射强度上升70%（如图4b）。20-H原则示意图如图4右图：根据工程实际经验，使用20-H规则后不会大大提高PCB的自激频率。

（2）3-W原则，它要求PCB的电源层与边沿的距离，阐释如下：当两条印制线的间距较小时，两线之间不会再次发生电磁串扰，从而使电路功能紊乱。为防止这种影响，不应维持任何线条间距不大于三倍的印制线条宽度，即3W，W为印制线条宽度。印制线条的宽度各不相同线条电阻的拒绝。（3）确保信号在PCB上可信的传输，保证信号的完整性。

这里面主要的问题一般还包括时延、电阻不给定、地跳跃、串音等。这不但影响到电子器件的平稳工作，还不会产生电磁干扰。一般在高速逻辑设计中最更容易遇到时延问题，处置很差不会产生不期望的脉冲阻碍。

传输时延对信号的影响如图5右图。3.4留意确认PCB布线层数首先在设计中要有一个最重要的概念，就是每个布线层最差与实平面（电源或短路）邻接。

原则：（1）电源平面不应附近接地平面并且决定在接地平面之下。这样可以利用两金属平板之间的电容不作电源的光滑电容，同时地平面还可以对电源面的电磁辐射电流起着屏蔽的起到。

（2）数字电路和仿真电路分离。数字地和仿真地之间可以不开槽，但需有一个原始的统一的地平面，且严苛按数字部分和仿真部分分区。

（3）中间层的印制线条构成平面波导，在表面层构成微带线，两者传输特性有所不同。（4）电路特别是在高频电路是主要的阻碍和辐射源，一定要分开决定，靠近脆弱电路。（5）信号面应决定与整块金属平面邻接，这样是为了产生通量对歧义起到。（6）有所不同层含有的杂散电流和高频电磁辐射电流有所不同，布线时应区别对待。

对于杂散电流可以用去耦电容，对于高频电磁辐射电流可以通过增大电路面积。以下是少见的PCB层设计，供参考（S回应信号层，G回应地层，P回应电源层）。四层板：S1，G，P，S2六层板：S1，G，S2，P，G，S3八层板：S1，G，S2，G，P，S3，G，S4十层板：S1，G，S2，S3，G，P，S4，S5，G，S6（但S4对电源噪声脆弱）3.5留意PCB短路设计1）首先，要创建产于参数的概念。

低于一定频率时，任何金属导线都可看作是由电阻和电感包含的器件，所以，短路引线具备一定电阻并且包含电气电路，不管是单点短路还是多点短路都必需包含较低电阻电路转入确实地或机架。2）短路方法（1）单点短路。如果元件，电路的工作频率大于1MHz时，单点短路是很好的方式，但当频率增高时，连接线电感起到引人注目，此时短路电阻将增高，当接地线的长度为周期信号四分之一波长的奇数倍时，不但电阻低，还不会沦为电磁辐射电磁能量的天线。（2）多点短路。

高频电路皆使用多点短路，此时可使短路电阻超过大于，可将射频电流由接地平面分流到金属地板上去，因为实体金属板有较低的电感分量不会构成较低电阻电路。（3）数字电路应该作为高频仿真电路处置，也应当维持较低电感短路，并用于高质量弃耦电容（0.1uF并联0.001uF差距两个数量级）短路。

（4）短路与信号电路，射频电流总要去找一条道路期望到接续点去，在电磁兼容设计中，一般来说总是使高速逻辑电路尽量附近底版，相接地板加装，以便更佳增加高频电磁辐射环路。相接参照地的地线长度一定要很短，较短到产品最低工作频率的λ/20以内。

（5）短路次序，由于一般是电源地侵扰（或噪声）仅次于，故它不应再行收到参照地（这样做到的目的是让参照地先把侵扰吸取掉），然后再行送往仿真地和数字地上去。3.6留意PCB中电容的设计EMC中的电容可分成弃耦电容，旁路电容，和容纳电容。弃耦电容主要是用来杂讯高频器件在电源板上引发的电磁辐射电流，为器件获取一个局域简化的直流，还能降低印制电路中的电流冲击的峰值，一般来说陶瓷电容被用来作为弃耦电容，其值各不相同最慢信号的上升时间和下降时间例如，对于33MHz的时钟信号，可以用于4.7uF到100uF的电容，对于100MHz的时钟信号，可以用于10uF的电容；另外，工程上也要考虑到ESR对退耦能力的影响，一般自由选择ESR值高于1欧姆的电容。

旁路电容能避免高频电磁辐射噪声，一般来说铝电解电容和钽电容较为合适做到旁路电容，其电容值各不相同PCB板上的瞬态电流拒绝，一般在10-470uF范围内，若PCB板上有许多集成电路，高速开关电路和具备宽引线的电源，则不应自由选择大容量的电容。容纳电容是用来解决问题电源器件工作时电源电压不会再次发生突降的问题。总之，自由选择电容时，不但应当自由选择温度系数好的，还要自由选择等效串联电感小的（大于10nH）和等效串联电阻小的（大于0.5Ω）电容。

从材质上说道，高于50MHz时一般自由选择Z5U材质，它性能平稳，介电常数大，电容容量大，小于50MHz时一般自由选择NPO材质，它介电常数小。一般来说工程上的实际作法是众多部分（指电容值）两个电容并联用于。3.7留意PCB过孔的设计在布线时尽量少穿越孔，因为过孔电阻和线电阻不一样，不存在电阻变异，从而产生驻波使信号变差，更容易构成电磁辐射，特别是在是在时钟必须穿着层时，要做到技术处置，时钟线跨层时的处置如图6右图。

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