電磁兼容" title="電磁兼容">電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)際上就是針對電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之成為符合各國或地區(qū)電磁兼容性EMC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。電磁干擾一般分為兩種，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。

電磁兼容(EMC)指的是設(shè)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(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC是評價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。EMC分為電磁干擾(EMI) 和電磁抗擾度(EMS)。
目前，世界上很多國家對于電子信息產(chǎn)品的EMI/EMS均有嚴(yán)格的管制措施，如美國FCC、歐盟的CE、日本的VCCI及電氣用品取締法，大洋洲的SMA，加拿大、韓國等國家均有專司EMI/EMS的管制法規(guī)條文，對于銷往這些國家或地區(qū)的產(chǎn)品都須先經(jīng)過測試合格，方可合法的運(yùn)送及銷售。
電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)際上就是針對電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之成為符合各國或地區(qū)電磁兼容性EMC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。電磁干擾一般分為兩種，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。

E M C設(shè)計(jì)
為了使設(shè)備或系統(tǒng)達(dá)到電磁兼容狀態(tài)，通常應(yīng)用印制電路板設(shè)計(jì)、屏蔽機(jī)箱、電源線濾波" title="濾波">濾波、信號線濾波、接地和電纜設(shè)計(jì)等技術(shù)。防止電子設(shè)備產(chǎn)生干擾最好的方法是，采用金屬機(jī)殼對電磁場進(jìn)行屏蔽，以及對電源輸入電路進(jìn)行隔離。并且還要對變壓器也進(jìn)行靜電感應(yīng)和磁感應(yīng)屏蔽。在塑料機(jī)殼內(nèi)表面噴涂導(dǎo)電材料也是一種對電磁屏蔽很有效的方法，比如，在塑料機(jī)殼內(nèi)表面噴涂石墨，對超高頻電磁屏蔽效果就非常好，因?yàn)槭葘?dǎo)電又有電阻，是吸收電磁波的良好材料，它不容易對電磁波產(chǎn)生反射，并對電磁波產(chǎn)生衰減作用。如果只從屏蔽效果來比較，石墨對電磁場屏蔽的效果的確不如導(dǎo)電良好的金屬，但金屬屏蔽也有缺點(diǎn)，它最大的缺點(diǎn)就是產(chǎn)生電磁波反射，并使電磁反射波相互迭加，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生電磁振蕩。
當(dāng)被屏蔽干擾信號的波長正好與金屬機(jī)殼的某個(gè)尺寸接近的時(shí)候，金屬機(jī)殼很容易變成一個(gè)大諧振腔。當(dāng)某一干擾信號頻率正好在諧振腔中產(chǎn)生諧振的時(shí)候，電磁波反而會被加強(qiáng)。被加強(qiáng)的干擾信號，一方面會破壞設(shè)備自身的正常工作；另一方面干擾信號也會從金屬機(jī)殼的裂縫逃逸出去，產(chǎn)生輻
射干擾。
任何直接穿透屏蔽體的導(dǎo)線都會造成屏蔽體的失效。在實(shí)際中，很多屏蔽嚴(yán)密的機(jī)箱(機(jī)柜)就是由于有導(dǎo)體直接穿過屏蔽箱而導(dǎo)致電磁兼容試驗(yàn)失敗。判斷這種問題的方法是將設(shè)備上在試驗(yàn)中沒有必要連接的電纜拔下，如果電磁兼容問題消失，說明電纜是導(dǎo)致問題的因素。解決這個(gè)問題的有效方法之一是在電纜的端口處使用濾波器，濾除電纜上不必要的頻率成分，減小電纜產(chǎn)生的電磁輻射，也防止電纜上感應(yīng)到的環(huán)境噪聲傳進(jìn)設(shè)備內(nèi)。
 

濾波
1.干擾濾波在EMC設(shè)計(jì)中作用
概括地說，濾波器的作用是僅允許工作必需的信號頻率通過，而對工作不必需的信號頻率有很大的衰減作用，這樣就使產(chǎn)生干擾的機(jī)會減少。
從電磁兼容的角度考慮，電源線也是一個(gè)穿過機(jī)箱的導(dǎo)體，它對設(shè)備電磁兼容性的影響與信號線是相同的，因此電源線上必須安裝濾波器。特別是近年來開關(guān)電源廣泛應(yīng)用，開關(guān)電源的特征除了體積小，效率高，穩(wěn)壓范圍寬外，強(qiáng)烈的電磁干擾發(fā)射也是一大特征，電源線上如果不安裝濾波器，不可能滿足電磁兼容的要求。
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?yàn)閮烧叱硕紝﹄姶鸥蓴_有較大的抑制作用外，分別還有一些特殊的考慮。信號線干擾濾波器還要考慮濾波器不能對工作信號有嚴(yán)重的影響，不能造成信號的失真。電源線干擾濾波器除了要保證滿足安全方面的要求外，還要注意當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，電路中的電感不能發(fā)生飽和(導(dǎo)致濾波器性能下降)。
2.共模干擾和差模干擾" title="差模干擾">差模干擾
電纜上的干擾分為共模干擾電流和差模干擾電流兩種，如圖1所示，由于對這兩種干擾電流的濾波方法不同，因此在進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)前必須了解面對的干擾電流的種類。

1)共模干擾電流。干擾電流在電纜中的所有導(dǎo)線上幅度/相位相同，它在電纜與大地之間形成的回路中流動(dòng)。造成這種干擾的原因有三個(gè)：一個(gè)是外界電磁場在電纜中的所有導(dǎo)線上感應(yīng)出電壓(這個(gè)電壓相對于大地是等幅同相的)，這個(gè)電壓產(chǎn)生電流；另一個(gè)原因是由于電纜兩端的設(shè)備所接的地電位不同所致，在這個(gè)地電壓的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生電流；第三個(gè)原因是設(shè)備上的電纜與大地之間有電位差，這樣電纜上會有共模電流。
從定義容易理解，共模電流不會對電路產(chǎn)生影響，當(dāng)共模電流轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ娏?電壓)時(shí)，才會對電路產(chǎn)生影響。另外，如果電纜上產(chǎn)生共模電流，則會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射，造成設(shè)備不能滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中對輻射發(fā)射的限制要求，或?qū)ζ渌O(shè)備造成干擾。

2)差模干擾電流。干擾電流在信號線與信號地線之間(或電源線的相線和零線之間)流動(dòng)。在信號電纜中，差模干擾電流是由外界電磁場在信號線和信號地線構(gòu)成的回路中感應(yīng)的。在電源線中，差模干擾電流往往是由電網(wǎng)上其他電器的電源(特別是開關(guān)電源)發(fā)射出的和感性負(fù)載通斷時(shí)產(chǎn)生的。
開關(guān)電源工作時(shí)，在電源線上既會產(chǎn)生很強(qiáng)的共模干擾，也會產(chǎn)生很強(qiáng)的差模干擾。電網(wǎng)中電感性開關(guān)的通斷，會產(chǎn)生差模的脈沖干擾，空間的電磁波(通信、雷達(dá)和雷電等)在電纜上感應(yīng)出共模干擾，2臺設(shè)備之間的地線電位導(dǎo)致共模電流。
3.干擾濾波器的種類
濾波器的各種性能如圖2所示。

電磁兼容設(shè)計(jì)中，低通濾波器用得最多，因?yàn)椋?br /> 1)電磁干擾大多是頻率較高的信號，因?yàn)轭l率越高的信號越容易輻射和耦合。
2)數(shù)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(chǎn)生干擾。
3)電源線上的濾波器都是低通濾波器。
高通濾波器用在干擾頻率比信號頻率低的場合，如在一些靠近電源線的敏感信號線上濾除電源諧波造成的干擾。
帶通濾波器用在信號頻率僅占較窄帶寬的場合，如通信接收機(jī)的天線端口上要安裝帶通濾波器，僅允許通信信號通過。
帶阻濾波器用在干擾頻率帶寬較窄，而信號頻率較寬的場合，如距離大功率電臺很近的電纜端口處要安裝帶阻頻率等于電臺發(fā)射頻率的帶阻濾波器。
4.常用濾波電路
在電磁干擾抑制中，低通濾波器使用得最多。因此下面對低通濾波器作較詳盡的介紹。低通濾波器的種類如圖3所示。
常用的低通濾波器是用電感和電容組合而成的，電容并聯(lián)在要濾波的信號線與信號地線之間或信號線與機(jī)殼地或大地之間，電感串聯(lián)在要濾波的信號線上。
按照電路結(jié)構(gòu)分，有單電容型(C型)、單電感型(L型)、Γ型和反Γ型、T型和π型。不同結(jié)構(gòu)的濾波電路主要有兩點(diǎn)不同。
1)電路中的濾波器件越多，則濾波器阻帶的衰減越大，濾波器通帶與阻帶之間的過渡帶越短。
2)不同結(jié)構(gòu)的濾波電路適合于不同的源阻抗和負(fù)載阻抗。
5.制作有效的濾波器

增加濾波器的器件數(shù)僅增加了過渡帶的斜率，而不能改變?yōu)V波器的截止頻率。濾波器的截止頻率與濾波器件的參數(shù)有關(guān)。例如，要增加濾波器對較低頻率干擾的衰減，只能通過增加電感的電感量或電容的電容量。
當(dāng)信號頻率與干擾頻率靠得很近時(shí)，需要濾波器的階數(shù)較高?？紤]到器件的誤差，有時(shí)過渡帶的陡度不能達(dá)到理論值，因此要留有一定的余量。
阻抗與濾波電路關(guān)系如表所示，可根據(jù)下表選用濾波電路。
實(shí)際電路的阻抗很難估算，特別是在高頻時(shí)，由于電路寄生參數(shù)的影響，電路的阻抗變化很大，而且電路的阻抗往往還與電路的工作狀態(tài)有關(guān)，再加上在不同的頻率上電路阻抗也不一樣。因此，在實(shí)際中，哪一種濾波器有效主要靠試驗(yàn)確定。
濾波器的電路形式確定以后，需要確定電感、電容的參數(shù)。電感、電容的參數(shù)決定了濾波器的截止頻率。
實(shí)際的電容器除了電容量以外，還有電感和電阻分量，用LC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來等效。實(shí)際電容器當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)電容的阻抗最小，旁路效果最好。超過諧振點(diǎn)后，電容器的阻抗特性呈現(xiàn)電感阻抗的特性，即隨頻率的升高而增加，旁路效果開始變差。這時(shí)，作為旁路器件使用的電容器就開始失去旁路作用。

電磁兼容設(shè)計(jì)中使用的電容要求諧振頻率盡量高，這樣才能夠在較寬的頻率范圍(10 kHz～1 GHz)內(nèi)起到有效的濾波作用。提高諧振頻率的方法有兩個(gè)一個(gè)是盡量縮短引線的長度，另一個(gè)是選用電感較小的種類。從這個(gè)角度考慮，陶瓷電容是最理想的一種電容。在諧振點(diǎn)以下及附近，實(shí)際電容的阻抗比理想電容的要低，因此當(dāng)干擾的范圍較窄時(shí)，可以利用這個(gè)特性，通過調(diào)整電容器的電容量和引線長度來使諧振頻率正好落在干擾頻率上(或附近)提高濾波效果。陶瓷電容的容量隨著工作電壓、電流頻率、時(shí)間和環(huán)境溫度等變化，電容器使用的介質(zhì)介電常數(shù)越高，這些參數(shù)越不穩(wěn)定，這是必須引起注意的。另外，介電常數(shù)高的電容器容易發(fā)生擊穿，在需要做浪涌試驗(yàn)的場合，一定要注意。之所以使用介電常數(shù)高的介質(zhì)，是為了在較小的體積內(nèi)獲得較大的容量。電磁兼容設(shè)計(jì)所面對的往往是寬帶干擾信號，頻率范圍從幾千赫到1 GHz以上。要濾除這么寬頻帶的干擾，在電容和電感的使用上要十分注意。從前面的討論知道，普通電容器很難解決這個(gè)問題。在實(shí)踐中，克服電容非理想性的方法有大小電容并聯(lián)和選用比普通電容具有更高諧振頻率和濾波效果的三端電容器。要徹底解決寬帶濾波的問題應(yīng)該使用穿心電容，以穿心電容為基礎(chǔ)的饋通濾波器廣泛應(yīng)用于RF濾波。

實(shí)際的電感器除了電感參數(shù)以外，還有寄生電阻和電容，等效電路是一個(gè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，電感的阻抗最大，超過諧振點(diǎn)后，電感器的阻抗特性呈現(xiàn)電容阻抗特性，即隨頻率增加而降低。電感的電感量越大，寄生電容也越大，電感的諧振頻率越低。為了防止電感本身的“電磁兼容”問題，往往將電感
屏蔽起來。
由于濾波器會發(fā)生插入增益，因此根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)選擇濾波器就有一定的風(fēng)險(xiǎn)?？赡軓膹S家提供的插入損耗數(shù)據(jù)看濾波器完全符合要求，但是實(shí)際效果并不理想。為了避免這種情況的發(fā)生，可使用最壞測試條件，許多廠家也給出在這種“最壞條件”下測量的數(shù)據(jù)供用戶參考。
普通濾波器是由無損耗的電抗元件構(gòu)成的，它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號源，所以這類濾波器又叫反射濾波器。當(dāng)反射濾波器與信號源阻抗不匹配時(shí)，就會有一部分能量被反射回信號源，造成干擾電平的增強(qiáng)。為解決這一弊病，可在濾波器的進(jìn)線上使用鐵氧體磁環(huán)或磁珠套，利用磁環(huán)或磁珠對高頻信號的渦流損耗，把高頻成分轉(zhuǎn)化為熱損耗。因此磁環(huán)和磁珠實(shí)際上對高頻成分起吸收作用，所以有時(shí)也稱之為吸收濾波器。不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導(dǎo)率越高，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時(shí)，長而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情況下，還存在鐵氧體飽和的問題，抑制元件橫截面越大，越不易飽和，可承受的偏流越大。EMI吸收磁環(huán)/磁珠抑制差模干擾時(shí)，通過它的電流值正比于其體積兩者失調(diào)造成飽和，降低了元件性能；抑制共模干擾時(shí)，將電源的兩根線(正負(fù))同時(shí)穿過一個(gè)磁環(huán)，有效信號為差模信號，EMI吸收磁環(huán)/ 磁珠對其沒有任何影響，而對于共模信號則會表現(xiàn)出較大的電感量。
結(jié)束語
電磁兼容設(shè)計(jì)是一個(gè)技巧性很強(qiáng)的工作，同時(shí)EMC領(lǐng)域又是一個(gè)試驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科，必須做大量的試驗(yàn)并加以分析、判斷，需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累，不斷實(shí)踐才會有所提高。