蔡 林，曾立英，蘇邦偉，唐晗翔

（國家工礦電傳動車輛質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（湖南），湖南 湘潭 411201）

0 引 言

隨著社會的發(fā)展、科技的進步和智能制造的推廣，人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)了越來越多的電子產(chǎn)品和電氣設(shè)備。電子、電氣產(chǎn)品技術(shù)日新月異，產(chǎn)品的更新周期變短。隨著電磁場強的不斷增加，電磁場對工業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活環(huán)境的影響越來越大，電磁場環(huán)境日趨復雜。本文對電子、電氣產(chǎn)品電磁兼容性能進行可靠測試與分析，根據(jù)檢測結(jié)果制定切實可行的優(yōu)化方案[1]。

1 電磁兼容分析與檢測

1.1 電磁兼容性分析

電磁兼容性是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在其安裝場所的電磁場環(huán)境中能正常工作，同時不對其他設(shè)備系統(tǒng)形成干擾，簡稱EMC。EMC包含EMI及EMS兩部分。EMI（Electromagneti Cinference）電磁干擾是一種會造成設(shè)備或系統(tǒng)工作不穩(wěn)定或降級的電磁現(xiàn)象；EMS（Electromagnetic Susceptibility）電磁抗干擾或電磁敏感度，指機器在實現(xiàn)自身功能的過程中不受周圍電磁環(huán)境影響。EMC問題產(chǎn)生的三個要素：電磁干擾源、耦合通道和敏感設(shè)備。各種電氣設(shè)備運行時，以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射三種方式來相互作用，某一時刻可能干擾、影響和危害設(shè)備正常運行和人員健康。電磁兼容性即EMC學科，研究和解決這一問題的產(chǎn)生和發(fā)展，主要研究干擾的產(chǎn)生、傳播、接收及抑制的機理，開發(fā)相關(guān)測量和計量技術(shù)。為解決以上問題，遵循技術(shù)經(jīng)濟最優(yōu)的原則，基于干擾的等級、抗干擾能力及其抑制措施做出合理規(guī)劃，以保障工作于該電磁場環(huán)境中的設(shè)備的兼容性。同時，不允許對該環(huán)境中其他任何的實體引入超出允許的電磁場擾動。針對設(shè)備電磁兼容性測試主要有輻射發(fā)射值、輻射敏感度及屏蔽的效能。輻射發(fā)射值測試是指檢測設(shè)備對周圍環(huán)境在全頻段范圍內(nèi)的電磁干擾，分析電磁場干擾的形成機理及抑制措施，一般需對電磁干擾信號的時域、頻域、能量及信號形式等特征進行測試分析。輻射敏感度是測試設(shè)備在承受環(huán)境中電磁場干擾的抗擾度檢測。屏蔽的效能測試則是檢測阻斷干擾耦合通道的能力。以上三項檢測是以符合電磁干擾的三大要素要求為依據(jù)設(shè)置的。

1.2 電磁兼容性檢測

電磁兼容性檢測包括傳導干擾、傳導敏感度、靜電放電敏感度、輻射敏感度及輻射發(fā)射等項目。測試場所主要設(shè)置在開闊場、屏蔽室及電波暗室等符合要求的環(huán)境場所[2]。對測試儀器，采用以頻譜分析儀為核心的自動檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)能自動檢測電磁兼容性的有關(guān)參數(shù)，快速和準確地通過圖表方式進行顯示。如需全方位對電氣產(chǎn)品中的各部件、PCB板及連接電纜進行電磁兼容性檢測，還必須利用電磁兼容掃描儀，結(jié)合檢測系統(tǒng)，才能實現(xiàn)電磁兼容性檢測的可視化。電磁兼容性測試有直接測試、替代測試及自動測試等形式。電磁兼容性檢測須按照相關(guān)標準和規(guī)范進行，并以對應產(chǎn)品標準規(guī)定的限值進行判定。前期的予相容測試能杜絕絕大部分的電磁場干擾，提高產(chǎn)品的可行性，同時能為改進設(shè)計方案、抑制EMI發(fā)射指明方向。

1.3 電磁兼容抑制

電磁兼容的抑制應從EMC問題產(chǎn)生的三個要素——濾波、接地和屏蔽入手[3]。

1.3.1 濾波

由電磁場傳播機理和屏蔽技術(shù)可知，直接穿透屏蔽體的導線均會造成屏蔽體的屏蔽失效。使用濾波器的電磁兼容是抑制的有效方法之一。該技術(shù)是在干擾源的輸入輸出端加裝濾波器，過濾干擾信號或噪聲，提取有用信號。該濾波器件主要由電容、電感、共模電感、電阻、磁珠和二極管等主要元器件組成，需加裝濾波器的數(shù)量取決于有用信號與干擾信號的頻率差。為了提高工作質(zhì)量與效率，可根據(jù)實際情況選擇幾種組合進行使用。

1.3.2 接地

接地有“安全地”和“信號地”兩種接地方式。它的主要作用是為了泄放電荷或建立電路基準電平。這里討論的接地主要是“信號地”。信號地是為了電路能夠正常工作，但不一定與大地相連接，可以是任何定義為電位參考點的位置。電子、電氣設(shè)備啟動瞬間會有強大電磁波形成，嚴重影響周圍設(shè)備。良好的接地能有效屏蔽電磁場，使設(shè)備機殼上累積的大量電荷得到釋放路徑，避免設(shè)備產(chǎn)生靜電放電效應。接地后可將外界電磁場的影響控制在最低水平，抑制效果良好。另外，屏蔽與濾波也需要接地措施。此外，接地是確保設(shè)備安全的有效措施。當設(shè)備的絕緣受損或故障引起外殼帶電時，它能使電流導入大地或使漏電保護器動作，保障人員及設(shè)備的安全。該技術(shù)具有操作簡便、成本較低的優(yōu)勢，已得到了廣泛應用。接地形式包括單點接地、多點接地及混合接地，各有優(yōu)缺點。為確保良好的信號效果，選擇時應綜合考慮。

1.3.3 屏蔽

屏蔽即將干擾源與外部環(huán)境通過各種導電材料隔離開，使干擾源上產(chǎn)生法拉第電磁牢籠，使得設(shè)備的內(nèi)、外部分離，從而控制電磁干擾的范圍。可以實現(xiàn)雙向屏蔽，但是實現(xiàn)完全的屏蔽很難。一般可以利用反射、吸收和抵消等原理制作屏蔽裝置，以控制設(shè)備內(nèi)部電磁場不外流亦或減小外流量，同時需減輕外界環(huán)境中電磁波內(nèi)流對設(shè)備的正常運行產(chǎn)生不利影響，屏蔽主要用于家用電器的電磁場干擾抑制。

電磁場干擾產(chǎn)生的機理比較復雜，在實際中運用一種方法進行抑制很難有效。普遍情況下，綜合采用兩種甚至兩種以上方法才能取得有效抑制電磁干擾的效果。

2 電磁兼容優(yōu)化與整改

2.1 單一產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化與整改

對某一種產(chǎn)品，通過電磁兼容檢測得知電磁騷擾源及耦合途徑，同時運用電磁干擾抑制原理進行整改。整改過程中首先須合理地選擇產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及元器件，以避免影響其正常功能。此外，需注意電機、整流器及變換器等組件以及時鐘電路和其他因素帶來的干擾[4-5]。為了優(yōu)化和整改產(chǎn)品的電磁兼容性，合理優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計、綜合選擇元件和重點關(guān)照核心部件等，是增強電磁兼容性的有效方法。

2.1.1 優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計思路

產(chǎn)品設(shè)計思路對設(shè)備的電磁兼容性起決定性作用。一個產(chǎn)品剛誕生，在完成其功能的同時，會產(chǎn)生功能性干擾和其他干擾。這源于設(shè)計者的思路僅僅只考慮了產(chǎn)品的功能性，缺乏對其功能與電磁兼容性的綜合考量。而電磁兼容設(shè)計要求在元器件級、部件級、設(shè)備級、系統(tǒng)級都達到了互不干擾。因此，產(chǎn)品設(shè)計者應將多種因素納入考慮范圍，把電磁兼容貫穿整個設(shè)計過程。在進行電路設(shè)計的時候，可以對電路進行分層設(shè)計，合理安排每一層電路板的線路，盡量減小設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部電路因設(shè)計產(chǎn)生的電磁干擾。設(shè)計時，應首先考慮元器件型號、形式的選擇和PCB設(shè)計，其次是接地設(shè)計和屏蔽設(shè)計，最后進行濾波設(shè)計和瞬態(tài)騷擾的抑制。為了提高產(chǎn)品電磁兼容的效果，濾波和屏蔽設(shè)計只能作為電磁兼容的輔助手段，在產(chǎn)品開始設(shè)計時就應綜合考慮，因為預防比濾波和屏蔽更有效。2.1.2 綜合選擇元件

產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁干擾中，元器件、部件級上的電磁干擾主要來自不同的元件之間的電磁耦合。實際運用中，電路采用有引腳和無引腳的元件兩種結(jié)構(gòu)。通常情況下，有引腳線元件會產(chǎn)生寄生效果，高頻時更強。相對而言，無引腳元件特別是表面貼裝的元件，寄生效果較小。單就電磁兼容性方面進行選擇時，表面貼裝元件結(jié)構(gòu)效果最佳，一般會優(yōu)先選用，隨后為放射狀引腳元件結(jié)構(gòu)，最后考慮軸向平行引腳的元件。例如，在高頻狀態(tài)，相比引線型電容器結(jié)構(gòu)，濾波電容器應優(yōu)先采用穿心或支座式結(jié)構(gòu)，其引線電感小。如果使用引線式電容結(jié)構(gòu)，必須綜合考慮引線的電感量對濾波效果的影響。主要芯片及部件的選擇過程中，最好選擇本身發(fā)射小的芯片。因為高損耗、大功率器件會產(chǎn)生較明顯的輻射源，所以要盡量避免選擇。優(yōu)選和正確地使用電子元器件是解決電磁場干擾發(fā)射和電磁場敏感度等問題的關(guān)鍵，也是提高產(chǎn)品電磁兼容性的前提。

2.1.3 核心部件重點關(guān)注

產(chǎn)品的核心部件與芯片是產(chǎn)生電磁干擾的關(guān)鍵，應重點關(guān)注。如芯片、變換器、整流器及時鐘電路等關(guān)鍵部件，在大多數(shù)情況下需對重要組件進行屏蔽、隔離處理。日常實際工作中，若產(chǎn)品是由若干模塊組成，各個模塊可以暫停和恢復工作。可以用斷電法來判斷騷擾來源，利用輪流斷電的方式逐漸縮小電磁兼容檢測范圍，然后替換掉懷疑的模塊和部分。若產(chǎn)品的單個模塊不可以獨立暫停和恢復，則可以與其他模塊配合工作，找出騷擾源。如果家電產(chǎn)品EMC超標，一般的解決方式是更換馬達碳刷、馬達電感、馬達碳刷一端對地加Y電容或更換電容參數(shù)等?？傊?，核心部件關(guān)系著產(chǎn)品是否合格，要重點關(guān)注。

2.2 不同產(chǎn)品設(shè)備的電磁兼容

針對不同產(chǎn)品設(shè)備，應該從整個系統(tǒng)折中考慮，重視整體的電磁兼容性設(shè)計。在優(yōu)化與整改過程中，通常采取的方法是時間分隔和空間分離。時間分隔有主動和被動型，是有效提高電磁兼容性的措施，是指相互干擾的兩種設(shè)備盡量避免處于同一時間段同時使用。而空間分離則是控制地點位置、隔離自然地形、控制方位角及電場矢量方向等措施。譬如，利用建筑物產(chǎn)生的自然隔離可以確定安裝電磁的方向及位置，從而有效抑制電磁兼容性不理想的設(shè)備引起的干擾，提高其電磁兼容性。

3 結(jié) 論

電磁場干擾的檢測與抑制課題越來越引起人們的重視和關(guān)注。文中總結(jié)的EMC優(yōu)化與整改的思路，既能夠符合產(chǎn)品功能性要求，又可以降低產(chǎn)品的調(diào)試時間，使產(chǎn)品達到電磁兼容技術(shù)標準的限值要求，為EMC檢測及優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和使用提供參考。