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EMC(電磁兼容性)是研究EMI(電磁干擾)的學科，是一門新的綜合性學科。隨著國民經濟和高科技產業的迅速發展，EMC技術已由最初單純排除干擾逐步發展成為從理論上、技術上全面控制用電設備在其電磁環境中正常工作能力保證的系統工程。EMC既是電子設備系統工程的重要指標，也是產品質量可靠性保證中的重要組成部分。 1 EMC EMC是指電子設備在共同的電磁環境中，能一起執行各自功能的共存狀態，即該設備不會由于受到處于同一電磁環境中的其他設備的電磁發射導致或遭受不允許的降級，也不會使同一電磁環境中其他設備因受其電磁發射而導致或遭受不允許的降級。 EMC包括EMl和EMS(電磁敏感)兩方面的內容。EMI是指電子產品向外發出干擾，EMS是指電子產品抵抗EMI的能力。為了使系統達到EMC，必須以系統的電磁環境為依據，要求每個用電設備不產生超過一定限度的電磁發射，同時又要求它具有一定的抗EMI能力。只有對每個設備作這兩方面的約束，才能保證系統達到完全兼容。但是隨著技術的發展、系統日趨復雜、電子計算機的廣泛應用及電子電路集成度的提高，同時電子電路的EMS不斷提高，抗擾度不斷降低，這種各顯其能、互相包容兼顧的狀態很難達到。 要做好EMC設計，必須根據EMI的種類、特性、傳播途徑和耦合方式等情況，采取相應的抗干擾措施。EMI大致可概括為自然干擾源和人為干擾源兩大類。自然干擾源可分為電子噪聲、天電噪聲、地球外噪聲和沉積靜電等4類；人為干擾源是指由人為因素造成的各種EMI，其典型例子有連續波干擾源、瞬態干擾源和非線性現象所產生的干擾源。 2 發射機干擾信號的傳播途徑和耦合方式 發射機是一個產生大功率發射信號的裝置，其自身就是強干擾源。因此發射機EMC設計的重點應放在抑制本身產生的干擾上。發射機產生干擾的環節較多，干擾信號具有幅度大、頻譜寬的特點。 發射機產生的干擾信號主要來自以下3個方面： a)大功率脈沖調制器、開關電源都工作在大電流脈沖方式，在脈沖前、后沿期間，由于分布電感和分布電容的存在，會產生瞬變充／放電過程，從而對附近的電子電路構成嚴重干擾。另外，開關管的驅動波形，MOSFET漏源波形等開關電源中的電壓、電流波形都是接近矩形波的周期波，因此，其頻率都是MHz級別的，這些高頻信號也會對控制電路的信號造成干擾。 b)各種大功率開關，如交流接觸器、繼電器、脈沖電子開關、尖端放電和各種控制開關等，在接通或斷開電感電容負載時，都會產生很強的瞬態干擾信號。 c)微波管、微波功率組件、射頻傳輸系統和檢測裝置會產生不可避免的微波泄漏，并且在不同的器件類型及其不同的系統組成中，泄漏的頻譜和幅值是不同的。如磁控管的射頻能量可通過陰極引線向外輻射；具有降壓收集極的行波管，由于收集極處于高電位上，其絕緣距離較大，成為形成該類微波管微波泄露的主要地方；而速調管的陰極是在電子槍中，處于微波功率的輸入區，功率較小，微波泄漏也較小。固態微波功率組件是靠盒體進行屏蔽，其接縫、輸入／輸出接頭、指示燈、開關等處都可能泄漏微波，另外，高速電子打在微波管的收集極或管體上，會產生X射線。 發射機產生的干擾信號的主要耦合途徑有傳導耦合、共阻抗耦合、感應耦合和輻射耦合。 a)傳導耦合，是干擾源與敏感設備之間的主要耦合途徑之一，可通過電源線、信號線、互連線和接地導體進行耦合。 b)共阻抗耦合，是出現在兩個以上不同電路的電流共同流經一個公共阻抗所產生的，這種情況下的電源線和地線常流過多個不同電路的電流，電流變化越大，其影響越大。 c)感應耦合，是導體之間、部件(變壓器、繼電器和電感器)之間以及部件與導體之間的一種主要干擾耦合方式。 d)輻射耦合，其途徑包括機殼與電纜、機殼與機殼、電纜與電纜等多種形式。 針對以上耦合途徑，雷達發射機的抗干擾設計應從減小干擾信號強度、減小干擾源與敏感電路之間的耦合、按最小敏感度要求設計敏感電路3方面考慮。 3 EMC設計 電子設備的EMC設計思想就是采用屏蔽、隔離、接地、濾波等多種方法將外系統對本系統的干擾以及本系統對外部的干擾減弱，通過選擇抗干擾能力強的元器件以及提高固有元器件的抗干擾強度等多方面設計，使系統內的部件對于EMI敏感程度降低。為了提高電子設備的EMC能力，必須從開始設計時就給予EMC以足夠的重視。由于發射機本身的特點決定了已無法從EMI發射源來進行抗干擾設計，只能通過切斷耦合途徑或提高敏感設備自身的可靠性來著手解決EMC問題。具體方法概括為地線設計、屏蔽設計、瞬態抑制和濾波設計4個方面。 3.1 地線設計 地線設計是最有效且廉價的解決EMI的方法，設計思想有3點：一是地線應盡量短，以減小地線電阻，降低地線干擾電壓；二是合理布局，減小互耦；三是各種地線各行其道，互不干涉。通常采用懸浮接地、單點接地、多點接地和混合接地4種形式。 a)懸浮接地，是將電路或設備中的接地系統在電器上與參考地及其他導體相隔離。懸浮地與大地間有電位隔離問題，常用光／電耦合器、光纖隔離和變壓器隔離等，對于高電位(數千伏以上)的隔離常用光纖或變壓器實現。 b)單點接地，適合于較近的多單元低頻(低于1MHz)電路的接地。但是當地線長度超過被傳信號1／4波長時，其接地電阻將增大，從而失去接地作用。 c)多點接地，適合于高頻(高于10 MHz)系統和數字電路的接地，宜采用大面積接地，以減小地阻抗和地線的趨膚效應。 d)混合接地，適合于大系統，因為在實際設備中，單一的接地方式很難滿足系統要求，因此需要采用混合接地。在雷達發射機的實際地線設計系統中，為了實現較好的混合接地，常采用安全地、模擬地、數字地三地分開接地的方式。安全地線目的是用低電阻連接來排除內部或外部產生的電磁場電流，從而基本上保持設備間的等電位。模擬地線由絕緣導體組成，以保證與安全地和數字地隔離，可作為模擬電路和模擬電路電源接地。數字地線由絕緣導體組成，以保證與安全地和模擬地隔離，用于數字電路和數字電路電源接地。具體做法是機柜內采用3條面積較大的匯流條，各單元的3種地分別接在各自對應的匯流條上，然后分別引出機柜，再與機柜間的3條匯流條(其面積應更寬)對應相連，最后將各匯流條分別引線到同一點匯人大地。每個接地系統內部以及三通道接地系統之間都不應造成接地系統的閉合回路，以免形成環路電流，這種環路電流是形成設備中干擾的一種主要來源。 對于高頻信號的接地，可通過一個10 nF～100 nF的無感電容器與機殼相接，以便使高頻電流信號就近接地。使用屏蔽雙絞線或屏蔽電纜時，為了防止其耦合，屏蔽層應接地。但當干擾源頻率較高時，則單端接地的屏蔽層會產生諧振。這時可采用雙層屏蔽電纜，并將外屏蔽層兩端接地，內屏蔽層單端接地。 3.2 屏蔽設計 對輻射性耦合需采用屏蔽技術加以抑制。即通過對敏感電路的屏蔽，減小其所受的干擾，也可以通過對干擾源的屏蔽來削弱其干擾信號的輻射強度。雷達發射機能產生干擾源的地方較多，且于擾信號的強度也大。因此，發射機的屏蔽設計既要對干擾源進行屏蔽，也要對敏感電路進行屏蔽，才能達到EMC設計的要求。雷達發射機中輻射干擾源的屏蔽主要集中在大功率微波管和射頻傳輸系統上，常用的方法是用具有絕緣特性的微波吸收材料包封泄漏微波的縫隙，同時對安裝微波管的機箱或機柜再采取一次屏蔽處理，以提高其屏蔽效果。對于變壓器、電感器或強大電流引線，均應采用磁屏蔽罩或磁屏蔽套來屏蔽磁干擾，并且將這些器件或導線安裝在遠離小信號或敏感電路的地方，以減小其耦合。對于既有磁場干擾又有電場干擾的干擾源，其屏蔽盒體應采用在具有高磁導率材料的表面鍍上一層高電導率材料(金或銀)的方法。屏蔽體材料選擇的原則是： a)當干擾電磁場的頻率較高時，利用高電導率的金屬材料中產生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，電阻電導率越高，這種抵消作用越大，從而達到屏蔽的效果。 b)當EMI波的頻率較低時，則采用高導磁率的材料，使磁力線限制在屏蔽體內部，防止擴散到屏蔽的空間去。 c)在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用不同的金屬材料組成多層屏蔽體。任何結構的金屬都是良好的EMI吸收材料，增加屏蔽物厚度，可增加EMI的吸收量。 3.3 濾波設計 為滿足EMC要求，對傳導性耦合需采用濾波技術，即采用EMI濾波器件加以抑制，濾波器可以顯著地減小傳導干擾的電平。采用濾波網絡無論是抑制干擾源和消除干擾耦合，或是增強接收設備的抗干擾能力，都是一種有力的措施。應用阻容和感容去耦網絡(如隔離變壓器)能把電路與電源隔離開，消除電路之間的耦合，并避免干擾信號進入電路，達到既能抑制共模干擾，又能抑制差模干擾的作用。 近年來，開關電源在雷達發射機中得到廣泛應用，開關電源除了具有體積小、效率高的特點外，能發射強烈的EMI也是一大特征，因此電源線上必須安裝濾波器，否則不可能滿足EMC的要求。安裝在電源線上的濾波器稱為電源線干擾濾波器，安裝在信號線上的濾波器稱為信號線干擾濾波器。之所以這樣劃分，主要是因為兩者除了都對EMI有較大的抑制作用外，分別還有一些特殊的考慮。信號線干擾濾波器要考慮濾波器不能對工作信號有嚴重的影響，不能造成信號的失真；電源線干擾濾波器除了要滿足安全方面的要求外，還要確保當負載電流較大時，電路中的電感不能發生飽和，否則濾波器性能會下降。 根據要濾除的干擾信號的頻率與工作頻率的相對關系，干擾濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器等種類。在EMC設計中，低通濾波器用得最多。這是因為： a)EMI大多是頻率較高的信號，因為頻率越高的信號越容易輻射和耦合。 b)數字電路中許多高次諧波是電路工作所不需要的，必須濾除，以防止對其他電路產生干擾。 c)電源線上的濾波器都是低通濾波器。 常用的低通濾波器是由電感和電容組成的，電容并聯在要濾波的信號線與信號地線之問或者信號線與機殼地或大地之間，電感串聯在要濾波的信號線上。 3.4 瞬態抑制 針對雷達發射機控制電路中交流接觸器、繼電器以及脈沖電子開關等，在接通或斷開的瞬間產生的電火花或電弧干擾，應正確選擇和使用各種瞬態電壓抑制器件，如壓敏電阻、齊納二極管等。如在電源輸入端、整流橋的輸出端和容易產生尖峰電壓的地方并聯一個壓敏電阻可以有效地泄放浪涌電壓，壓敏電阻類似于兩個反極性串聯的穩壓二極管。當電路電壓小于壓敏電阻標稱電壓時，其電阻很大，只有幾微安的漏電流通過，一旦電路中的電壓超過了壓敏電阻標稱電壓時，壓敏電阻的電阻會立刻減少，同時可以通過數千安的電流，將浪涌電流釋放。在選取壓敏電阻時，要注意電路中的浪涌電流和電壓應在壓敏電阻的額定范圍內，超過了壓敏電阻的額定范圍，壓敏電阻會損壞。 另外，可在交流接觸器線圈兩端并聯RC吸收網絡，在繼電器線圈兩端并聯續流二極管等方法來減小該類器件通斷瞬間的干擾脈沖的能量。在信號線的輸入／輸出端口采用RS485／RS422收發器，可消除靜電尖峰電壓。 3.5其他常用的提高設備EMC的方法 3.5.1 PCB的設計 良好的PCB(印制電路板)設計在EMC設計中是非常重要的因素，通過選擇元器件、合理布局和布線，可以改善電源的瞬變特性和輻射特性、減少電磁輻射強度，對達到電子設備EMC要求有明顯的作用。 a)元器件的選用：盡量少用高速器件；有引腳的元件有寄生效果，因此引腳的長度應盡可能短；從提高EMC的角度來看，表面貼裝元件效果最好，其次是放射狀引腳元件，最后是軸向平行引腳的元件。 b)印制電路板的布局：當高速、中速和低速數字電路混用時，在PCB上要給它們分配不同的區域；對低電平模擬電路和數字邏輯電路要盡可能地分離；易受干擾的元器件不能彼此靠得太近；盡量采用多層PCB，使地線和電源線的面積盡可能地大，盡可能地縮小高頻大電流電路所包圍的面積；縮短高電壓元器件的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的EMI；有脈沖電路流過的區域應遠離輸出端，使噪聲源與直流輸出部分分離；交流輸入端盡量遠離輸出端，可避免由于相互問靠得太近，通過線路間的耦合，將原本“干凈”的輸出由于受到輸入端的EMI而受到“污染”。 c)印制電路板的布線：單面或雙面PCB的電源線和地線應盡可能靠近，最好的方法是電源線布在PCB的一面，地線布在PCB的另一面，上下重合，這會使電源的阻抗最低；專用零伏線和電源的走線寬度應≥1 mm；整塊PCB上的電源和地線要呈“井”字分布，使得布線的電流達到均衡；在PCB上模擬地與數字地要分開，最終在合理的地方匯合。 PCB上的線寬不要突變，導線不要突然拐彎。為減少平行走線時的串擾，可增加印刷線條間的距離，或在走線之間有意安插一根零伏線，作為線條之間的隔離；集成電路的電源引腳要加旁路電容到地。PCB設計中還要特別注意電流導線環路尺寸，因為這些回路相當于正在工作的小天線，隨時向空間進行輻射。 3.5.2 設備內的布線 盡量選用雙絞線、屏蔽雙絞線和同軸電纜等有抑制EMI能力的導線或電纜，走線時應將設備的輸入線與輸出線分開、大信號線與小信號線分開、濾波器的輸入線與輸出線分開、高頻電纜與視頻電纜分開；信號通道進行光電隔離，采用光纖傳輸，用光纜代替電子設備間的信號電纜，可免除連接線外界的EMI的影響，同時提供良好的電氣隔離并保證傳輸數據的保密。 3.5.3 軟件抗干擾設計 由于發射機功率很大，其微波峰值功率達數兆瓦，調制脈沖電壓可高達上百千伏，脈沖電流達數千安，且有許多強功率開關和非線性元器件，是一個強干擾源，而發射機監控電路又是一個敏感度很高的小信號電路，要可靠地工作，需要在設計過程中采取各種抗干擾措施。硬件上采取的措施包括采用隔離電源供電、用光電隔離輸入／輸出信號等。軟件上則常采用下面的一些方法來提高發射機監控電路的抗干擾性。 a)對于輸入的開關信號進行延時去抖動。 b)A／D轉換采用數字濾波，如采用比較平均法、平均法等，以防止突發性干擾。 c)在軟件中的關鍵部位設置看門狗，保證即使軟件走飛也能從頭開始。 d)盡量用查詢代替中斷，把中斷減少到最少。 e)通信加奇偶校驗或采用查詢、表決、比較等措施，防止通信出錯。 4 結束語 由于電子技術的廣泛應用，而且在電子設備運行過程中各種干擾是隨機的，要完全消除EMI是不可能的。但是，根據EMC原理，可以采取許多技術措施減小EMI，使EMI控制到一定范圍內，從而保證系統或設備的EMC。但是，隨著電子系統的集成化、綜合化，以上措施的應用往往會與成本、質量、功能要求產生矛盾，因此必須權衡利弊，研究出最合理的措施來滿足電子設備的EMC要求。保證設備的EMC是一項復雜的技術任務，對于這個問題不存在萬能的解決方法。只要掌握有關EMC的基本原理，認真分析和試驗，就能找到合適的解決問題的方法。 |
