一、電磁兼容概念

電磁兼容EMC（Electromagnetic compatibility)

對于設備或系統(tǒng)的性能指標來說， 直譯為“電磁兼容性” ；

但作為一門學科來說， 應該譯為“電磁兼容”。

國家標準GB/T4365-1995《電磁兼容術語》對電磁兼容所下的定義為“設備或 系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。”

簡單的說，就是抗干擾的能力和對外騷擾的程度。

電磁兼容是研究在有限的空間、有限的時間、有限的頻譜資源條件下，各種用電設備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)；廣義的還包括生物體）可以共存并不致引起降級的一門科學。

二、基本概念

Electromagnetic compatibility（EMC） 電磁相容—電子產品能夠在一電磁環(huán)境中工作而不會降低功能或損害之能力；

Electromagnetic interference（EMI） 電磁干擾—電子產品之電磁能量經由傳導或輻射之方式傳播出去的過程；由干擾源、耦合通道及被干擾接收機三要素組成 。

Radio frequency（RF）無線電頻率，射頻—通訊所用的頻率范圍，大約是10kHz 到100GHz。這些能量可以是有意產生的，如無限電傳發(fā)射器，或者是被電子產品無意產生的；RF能量經由兩種模式傳播：

Radiated emissions（RE）—此種RF 能量的電磁場經由媒介而傳輸；RF 能量一般在自由空間（free space）內傳播，然而，其他種類也有可能發(fā)生。

Conducted emissions（CE）—此種RF 能量的電磁場經由道題媒介而傳播，一般是經由電線或內部連接電纜；Line Conducted interference（LCI）指的是在電源線上的RF 能量。

Susceptibility容忍度，耐受性—相對的測量產品暴露在EMI環(huán)境中混亂或損害的程度。

Immunity免疫力—一相對的測量產品承受EMI的能力；

Electrical overstress（EOS）電子過度高壓—當遇到高壓突波產品承受到的損壞或只是功能喪失；EOS包括雷擊以及靜電放電的事件。

Electrostatic discharge（ESD）靜電放電—一種高電壓脈波，可能使被影響的產品損壞或者失去功能雖然雷擊也是一種高電壓脈波，ESD一般指的是較少安培數，且由人體所粗觸發(fā)引起的；一般情況下也將雷擊視為ESD類別，因其保護方式很相似，只是大小的分別而已。

Radiated susceptibility（RS）輻射耐受性—產品承受經由自由空間傳播而來的EMI的能力。

Conducted susceptibility（CS）傳導耐受性—產品承受經外接電纜，電源線以及其他I/O cable 傳播而來的電磁能量的能力；

Containment 封閉、包圍—防止RF 能量逸出一個封閉物體（enclosure），一般是以金屬屏蔽（Faraday cage），或是用塑膠外殼再加以導電涂料。由相互原則，我們也可視containment 為防止RF 能量進入enclosure。

Suppression 壓制—經由設計以在源頭端降低或消除RF 能量，以使其不用依賴如金屬機殼等二階方法。

三、電磁干擾源種類

電磁干擾源種類繁多，可按不同的方法進行分類。對測量環(huán)境中直接影響測量及測量設備的 干擾來源可分為自然干擾源和人為干擾源。

自然干擾源包括：

(1)大氣噪聲干擾：如雷電產生的火花放電、屬于脈沖寬帶干擾，其覆蓋從數Hz到100MHz以上．傳播的距離相當遠。

(2)太陽噪聲干擾：指太陽黑子的輻射噪聲。在太陽黑子活動期．黑子的爆發(fā)．可產生比平穩(wěn)期高數千倍的強烈噪聲．致使通信中斷。

(3)寧宙噪聲：指來自宇宙天體的噪聲。

(4)靜電放電：人體、設備上所積累的靜電電壓可高達幾萬伏直到幾十萬伙．常以電暈或火花方式放掉，稱為靜電放電。靜電放電產生強大的瞬間電流和電磁脈沖，會導致靜電敏感器件及設備的損壞。靜電放電屬脈沖寬帶干擾、頻譜成分從直流一直連續(xù)劍中頻頻段。

人為干擾源指而電氣電子設備和其他人工裝置產生的電磁干擾。這里所說的人為干擾源都是指無意識的干擾。至于為了達到某種目的而有意施放的干擾，如電子對抗等不屬于本文討論范圍。

任何電子電氣設備都可能產生人為干擾。在此，只是提到一些常見的干擾測量環(huán)境的干擾源。

(1)無線電發(fā)射設備：包括移動通信系統(tǒng)、廣播、電視、雷達、導航及無線電接力通信系統(tǒng)．如微波接力，衛(wèi)星通信等。因發(fā)射的功率大，其基波信號可產生功能性干擾；諧波及亂真發(fā)射構成非功能性的無用信號干擾。

(2)工業(yè)、科學、醫(yī)療(ISM)設備：如感應加熱設備、高頻電焊機、X光機、高頻理療設備等．強大的輸出功率除通過空間輻射干擾外，還通過工頻電力網干擾遠方的設備。

(3)電力設備：包括伺服電機、電鉆、繼電器、電梯等設備通、斷產生的電流劇變及伴隨的電火花成為干擾源：電力系統(tǒng)中的非線性負載(如電弧爐等)、 間斷電源(UPS)等同態(tài)電源轉換設備產生大量諧波涌入電網成為干擾源：日光燈等照明設備也產生輝光放電噪聲干擾。

(4)汽車、內燃機點火系統(tǒng)：汽車點火系統(tǒng)產生寬帶干擾，從幾百千赫到幾百兆赫干擾強度幾乎不變。

(5)電網干擾：指由50Hz交流電網強大的電磁場和大地漏電流產生的干擾，以及高壓輸電線的電暈和絕緣斷裂等接觸不良產生的微弧和受污染導體表面的電火花。

(6)高速數字電子設備：包括計算機和相關設備。

上述電磁干擾源就產生的機理而言，有：放電噪聲(雷電、靜電放電、輝光放電等)．接觸噪聲， 電路的過渡現(xiàn)象，電磁波反射現(xiàn)象等。傳輸線中電磁波反射足高頻測量與數字設備必須認真對待的干擾源。

四、電磁干擾的耦合通道

電磁干擾中的重要要素是耦合通道，在許多情況下，要找到真正的干擾源很難，而被干擾接收機也很難加以改進，此時最可行的解決方法是在耦合通道中對干擾的耦合進行充分的衰減 。

五、耦合通道

電磁干擾的傳輸途徑分兩種方式：傳導傳輸方式和輻射傳輸方式，從被干擾的敏感器角度來看，干擾的耦合可分為傳導耦合和輻射耦合兩類。

六、傳導耦合的種類

1.電阻性耦合

干擾源通過導線的電阻Rt直接耦合到接收器上。設Us為干擾電壓，Rs為干擾源內阻，則接收器上的電壓為：

2.電容性耦合

電路A和電路B通過兩根導線引起的電容性耦合的情況。又稱為電場耦合 。

在射頻電路，多根導線的電纜中， 一根導線上的干擾可以耦合到其它所有的導線上，因此高頻信號線都要加以屏蔽。在高頻放大三極管的管腳間最容易產生分布電容耦合，應盡量縮短管腳的引線長度。

3.電感性耦合

當一個電路中流過變化電流時，在它周圍的空間就會產生變化的磁場，這個變化的磁場又在相鄰回路中產生感應電壓，這樣就把一個干擾電壓耦合到接收電路中去了 。電感耦合也稱磁場耦合。

七、典型傳導耦合的分析

1.公共地阻抗耦合

圖中Us為干擾源電壓，Rs為干擾源內阻，RL為干擾源回路的負載，Zst為干擾源回路的連接線阻抗，Rc1和Rc2是被干擾回路的內阻和負載，Zct是被干擾回路的連線阻抗。Zg為共地阻抗。

在干擾源回路中，一般有RS＋ZST＋RL>>Rg，因此可得到回路電流I1為：

I1在共地阻抗上引起干擾電壓Ug為：

共地阻抗的電壓降Ug在接收回路中引起負載RC2上附加的干擾電壓△U：

2.共電源耦合

可見任一負載電路中產生干擾信號，都會通過電源內阻耦合傳導到其他負載電路中，由上公式可見，如果R0＝0，即電源無內阻，干擾就不會傳導，事實上電源內阻不可能為零。

八、電磁兼容的國際標準及國家標準

有關電磁兼容的國際標準有很多，有美軍標MIL/ANSIC/AIR、國際無線電干擾特別委員會（C.I.S.P.R）標準、美聯(lián)邦標準FED/FCC、德國標準DIN/VDE、加掌大標準C、英國標準BS、ISO、CEN、IEC等，目前在中國通用的國家標準是GB/T 17626、GB9254和GB6833，它們與國際電工委員會標準IEC 61000對應。

九、EMC測試項目

靜電放電抗擾度試驗考核設備的抗靜電能力，對設備外殼、人手能夠接觸到的部位等施加靜電干擾，考察設備能否正常工作。有相應的級別要求和試驗方法。

電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗考核設備的抗脈沖干擾能力，對設備電源施加有規(guī)律的脈沖干擾，考察設備能否正常工作。有相應的級別要求和試驗方法。

浪涌（沖擊）抗擾度試驗考察設備的抗浪涌能力，對設備電源施加高能量的脈沖干擾，考察設備能否正常工作。有相應的級別要求和試驗方法。一般用于考核電源。

輻射騷擾度試驗考察設備的對外輻射干擾程度，在微波暗室里面采用標準的天線接收設備工作時的輻射信號。有相應的級別要求和試驗方法。

傳導騷擾度試驗考察設備的對外傳導干擾程度，在屏蔽室里面采用標準的儀器接收設備工作時從電源線傳導出去的干擾信號。有相應的級別要求和試驗方法。

十、電磁兼容性措施

設備的電磁兼容性設計包括如下步驟：

1.元器件選擇及電路設計

2.濾波技術應用

3.接地設計

4.屏蔽技術應用

5.電路布局和設備布局規(guī)劃

6.導線的分類和敷設

7.元器件選擇及電路設計

電磁兼容的源頭要做好元器件的選擇及電路設計，因為元器件既是干擾源也是被干擾接收機，降低干擾源對外的電磁干擾幅度，和選擇具有合適性價比的抗電磁干擾能力較強的元器件，是最有效的提高電磁兼容性能的辦法。

十一、濾波技術應用

在電源中的干擾分為共模干擾和差模干擾兩種，電源線的相線和地線間存在的干擾為共模干擾，如圖中的U1；中線和地線間存在的干擾也有共模干擾，如U2；而在線相與中線之間存在的干擾稱為差模干擾，如U3。差模干擾電流在相線和中線中大小相等，相位相反。共模干擾在相線和中線中同時存在，大小相等，相位也相同。

實際上，在電源線中往往同時存在共模和差模干擾，因此實用的電源濾波器是由共模濾波電路和差模濾波電路綜合構成，如圖所示：

十二、接地設計

接地原意指與真正的大地連接以提供雷擊放電的通路，例如避雷針的一端埋入大地，后來成為電氣設備和電力設施提供漏電保護的放電通路的技術措施。

現(xiàn)在接地的含義已經延伸，它一般指連接到一個作為參考電位點（或面）的良導體的技術行為，其中的“地”不一定為實際的大地，而是泛指電路和系統(tǒng)的某部分金屬導電板線，它可以作為系統(tǒng)中各電路任何電信號的公共電位參考點，理想的接地導體是一個零電阻的實體，任何電流在接地導體中流過都不應該產生電壓降，各接地點之間不應該存在電位，但是，如果接地不當就會引入電磁干擾。

一般把電路按信號特性分成四類，分別接地，形成四個獨立的接地系統(tǒng)，每個“地”系統(tǒng)可能采用不同的接地方式。

第一類：是敏感信號和小信號“地”系統(tǒng)。包括低電平電路、弱信號檢測電路、傳感器輸入電路、前級放大電路、混頻器等，由于這些電路工作電平低，信號幅度弱小，特別容易受到干擾而失效或降級，因此它們的地線應避免混雜于其他電路中。

第二類：是不敏感的信號和大信號電路的地線系統(tǒng)。它包括高電平電路、末級放大器、大功率電路等。因為在這些電路中工作電流都比較大，地線系統(tǒng)中的電流也比較大，因此必須和小信號電路的地線分開設置，否則通過地線的耦合作用必然對小信號電路造成干擾，使電路不能正常工作。

第三類：是干擾源設備地系統(tǒng)，它包括電動機、繼電器、接觸器等。由于這類元件在工作時產生火花或沖擊電流往往對電子電路產生嚴重的干擾，除了要采取屏蔽隔離技術外，地線必須和電子電路分開設置。

第四類：是金屬構件地。它包括機殼、底板、機門、面板等。為了防止發(fā)生人身觸電事故、雷擊事故、外界電磁場的干擾以及磨擦產生靜電等，必須將機殼等接地。

十三、接地系統(tǒng)分類原理

1.單點接地系統(tǒng)

這種情況下，各設備（或各支路）的地電位僅與各自的地電流I及地線有關，不受其他電路影響，對防止各電路之間的干擾及地回路干擾是很有效的。特別是當電路頻率較低、連接導線比較短的場合，經常采用這種接地方式。它的缺點是不適合高頻電路。

2.多點接地系統(tǒng)

多點接地是指設備中各單元電路直接連接到地線上，有多個接地點，如圖所示。對于高頻電路，為了降低地線阻抗，一般均采用多點接地方式，圖中所用的地線分別連至最近的低阻抗地線上。地線系統(tǒng)一般是與機殼相連的扁粗金屬導體或機殼本身，其感抗很小。

多點接地系統(tǒng)的優(yōu)點是電路構成比單點接地簡單，而且由于接地線短，接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減小。但由于多點接地后，設備內部會增加許多地線回路，它們對較低電平的電路會引起干擾，帶來不良影響。

3.混合接地系統(tǒng)

在有些用電設備中，既有高頻部分又有低頻部分。此時應分別對待，低頻電路采用單點接地，高頻電路需多點接地。這種接地體系稱為混合接地系統(tǒng)，如圖所示。

實際用電設備的情況比較復雜，很難通過某一簡單的接地方式解決問題，因此混合接地系統(tǒng)應用更為普遍。

十四、屏蔽技術應用

1、靜電屏蔽

設帶正電荷的導體A，若其鄰近有導體B，則導體B將會由于靜電感應而帶負電，如圖所示。

如果用金屬屏蔽體將導體A包圍起來，此時在屏蔽體的內側就感應出與導體A等量的負電荷，在外側出現(xiàn)等量的正電荷，電力線將繼續(xù)到達B，而使感應電場更為復雜。如若將金屬屏蔽體接地，使屏蔽體的外側電場消失，導體B就不會受到感應干擾。這就是靜電屏蔽原理。

靜電屏蔽應具有兩個基本要點：完善的屏蔽和良好的接地。

2、磁屏蔽

磁屏蔽是用來隔離磁場耦合的措施，在任何載流導線或線圈的周圍都存在磁場，如圖(a)中，導線A內通有電流I，導線周圍存在磁場，用一系列同心圓磁力線表示，為防止該磁場對鄰近元件B的干擾，可采用高導磁率的材料將B包圍起來，使磁力線聚集于屏蔽體內，從而使敏感元件B得到保護，如圖 (b)所示。

由于磁屏蔽材料的導磁率比空氣的導磁率大數十倍及至數千倍，磁力線絕大部分集中在屏蔽層內通過，使元件B免受干擾。

磁場屏蔽不同于電場屏蔽，屏蔽體不接地不會影響屏蔽效果，但是由于磁屏蔽材料也對電場起一定的屏蔽作用，故其通常也接地。

3、電磁屏蔽

電磁屏蔽是防止交變電磁場感應和輻射干擾的有效方法。

電磁場分交變電場、交變磁場和交變電磁場三種，對三種場的屏蔽原理和方法是不同的。

1). 交變電場屏蔽

交變電場屏蔽的原理是用接地良好的金屬屏蔽體將場源產生的交變電場限制在一定空間內，從而阻斷了干擾源到敏感電路之間的電場傳播路徑。

2). 交變磁場屏蔽

交變磁場的屏蔽有高頻磁屏蔽和低頻磁屏蔽之分。低頻磁屏蔽原理和靜磁屏蔽相同，典型的應用是繼電器的封裝殼、電源變壓器的外套盒、濾波器的封裝殼等。高頻磁屏蔽是利用屏蔽體產生的渦流的反磁場，抵消干擾磁場，以此原理來實現(xiàn)屏蔽。因此高頻磁屏蔽采用高導電率的材料，如銅、鋁等，典型的應用是收音機中的中周變壓器。

3). 交變電磁屏蔽

電磁屏蔽是用屏蔽體阻止高頻輻射電磁波在空間傳播的技術措施，屏蔽體起著切斷或削弱電磁波傳輸的作用。

當交變電磁場通過金屬材料屏蔽體時，金屬材料會產生感應電勢形成渦流，這渦流產生的磁場可以抵消一部分原來的磁場，從而起來屏蔽作用。渦流越大，屏蔽作用越強，因此屏蔽材料導電率越大，屏蔽性能越好。電磁場頻率越高，屏蔽作用越強。

十五、電磁兼容實施

電源供電：由于很多電磁干擾都是通過電源耦合到電子設備中的，所以在系統(tǒng)供電上做專門的電磁兼容性設計。增加有效的變壓、穩(wěn)壓、濾波電路，使用高效率的開關電源芯片和穩(wěn)壓濾波效果很好的低壓差線性電源芯片為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。

2.使用去耦電容：每個集成電路的電源，地之間都加一個去耦電容。去耦電容有兩個作用：一方面是本集成電路的蓄能電容，提供和吸收該集成電路開門關門瞬間的充放電能；另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。

3.地線分隔：采用4層電路板設計以減小電源，地的寄生電感，有效增強系統(tǒng)的EMC性能。單獨的電源層和地層可以有效防止器件之間通過地線和電源的相互耦合，另外對于有不同性質的地線采用分割隔離的方法，使不同屬性的地線的電流走不同的路徑，可防止信號串擾。

通信接口：系統(tǒng)的485、232、USB等通訊接口外接線纜，且與外部設備有直接聯(lián)系，所以也易于受到各種電磁干擾，為了增強這些通訊接口的抗擾能力，在通訊信號線上串連磁珠和并聯(lián)壓敏電阻，以及濾波電容；

另外，為了增強抗擾度，同時降低騷擾度，在布置PCB板時要遵循以下原則：

1.石英晶體振蕩器盡量靠近到用該時鐘的器件，時鐘線盡量短，外殼要接地，用地線將時鐘區(qū)圈起來。

石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。

2.I/O驅動電路盡量靠近印刷板邊，讓其盡快離開印刷板。對進入印制板的信號要加濾波，從高噪聲區(qū)來的信號也要加濾波，同時用串終端電阻的辦法，減小信號反射。

3.MCU無用端要接高，或接地，或定義成輸出端，集成電路上該接電源地的端都要接，不要懸空。閑置不用的門電路不要懸空。

4.印制板盡量使用45折線而不用90折線布線以減小高頻信號對外的發(fā)射與耦合。

5.正確選擇單點接地與多點接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用一點接地。當信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應盡量降低地線阻抗，應采用就近多點接地。當工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應超過波長的1/20，否則應采用多點接地法。

6.將數字電路與模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。

7.盡量加粗接地線。若接地線很細，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子設備的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。因此應將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印制電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應大于3mm。

8.將接地線構成閉環(huán)路。設計只由數字電路組成的印制電路板的地線系統(tǒng)時，將接地線做成閉環(huán)路可以明顯的提高抗噪聲能力。其原因在于：印制電路板上有很多集成電路組件，尤其遇有耗電多的組件時，因受接地線粗細的限制，會在地結上產生較大的電位差，引起抗噪聲能力下降，若將接地結構成環(huán)路，則會縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。

9.選擇合理的導線寬度。由于瞬變電流在印制線條上所產生的沖擊干擾主要是由印制導線的電感成分造成的，因此應盡量減小印制導線的電感量。印制導線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因而短而精的導線對抑制干擾是有利的。時鐘引線、行驅動器或總線驅動器的信號線常常載有大的瞬變電流，印制導線要盡可能地短。對于分立組件電路，印制導線寬度在1.5mm左右時，即可完全滿足要求；對于集成電路，印制導線寬度可在0.2～1.0mm之間選擇。

10.采用正確的布線策略。采用平等走線可以減少導線電感，但導線之間的互感和分布電容增加，如果布局允許，最好采用井字形網狀布線結構，具體做法是印制板的一面橫向布線，另一面縱向布線，然后在交叉孔處用金屬化孔相連。 為了抑制印制板導線之間的串擾，在設計布線時應盡量避免長距離的平等走線。