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电磁兼容性

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电磁兼容性电磁兼容(英语:electromagnetic compatibility,缩写为 EMC)是在电学中研究意外电磁能量的产生、传播和接收,以及这种能量所引起的有害影响。电磁兼容的目标是在相同环境下,涉及电磁现象的不同设备都能够正常运转,而且不对此环境中的任何设备产生难以忍受的电磁干扰之能力。

电磁兼容性实验室
电磁兼容性实验室

为了取得以上目标,电磁兼容主要包含以下议题:发射,即减少意外电磁能量的产生和抑制这种能量向外传播;易感性,即在电磁干扰存在的情况下如何让电子和电气设备正常运转。因此电磁相容涵盖电磁干扰(electromagnetic interference, EMI)和电磁耐受性(electromagnetic susceptibility, EMS);电磁干扰为电磁场伴随着电压、电流的作用而产生,电磁耐受性为产品在使用过程中不受周遭电磁环境影响的能力。

当研究导向结构(如电线电缆印刷电路板线路)的电磁干扰传播问题时,需要考虑传导conducted发射和其易感性问题;而研究开放空间电磁干扰的传播问题时,则需要考虑辐射发射和其易感性问题。

历史

过去在军事领域之外,对于电磁兼容性的研究并不严谨,而且大多数设备制造商并不关心电磁兼容性问题。但随着使用更低信号电压的现代数字设备的时钟频率迅速增高,电磁兼容性问题变得越来越重要。许多国家意识到这个凸现的问题,并对相关设备制造商颁布了政令,要求只有满足基本条件的设备才能够销售。

各国的相应的组织机构开始制定标准并维护政府指令,其中较为知名的国家组织有:美国FCC欧洲的CEN、CENELEC和ETSI及英国的BSI。还有众多国际组织致力于“推进各项标准化问题的国际合作”,当然也包含电磁兼容性标准。

其中最重要国际组织是国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC),它拥有多个电磁兼容性问题的全职分会。在IEC中协调这些分会的是ACEC,电磁兼容性问题的顾问委员会。

干扰的形成

干扰源与受干扰源

  • 无论何种情况下电磁相容的问题出现总是存在两个互补的方面:
  • 一个是干扰发射源和一个为此干扰敏感的受干扰设备。
  • 如果一个干扰源与受干扰设备都处在同一设备中称为系统内部的EMC情况。
  • 不同设备间所产生的干扰状况称为系统间的EMC 情况。
  • 大多数的设备中都有类似天线的特性的零件如电缆线、电路板布线、内部配线、机械结构等这些零件透过电路相耦合的电场、磁场或电磁场而将能量转移。
  • 实际情况下,设备间和设备内部的耦合受到了屏蔽与绝缘材料的限制,而绝缘材料的吸收与导体相比的影响是微不足道的。
  • 电缆线对电缆线的耦合既可以是电容性,也可以是电感性,并且取决于方位、长度及接近程度的影响。

公共阻抗的耦合

  • 公共阻抗耦合线路是干扰源与受干扰设备共用电路阻抗所引起的。
  • 公共导线也因两个电流环之间的互感而引起或因两个电压节点之间的互容耦合而引起。
  • 对于传导性的公共阻抗耦合的解决是将连接线分离使系统各自独立避免形成公共阻抗。

发射

  • 来自电路板的发射:在大多数设备中主要的电流源是流入电路板上的电路中,这些能量借由电路所形成的天线而将干扰辐射出去。
  • 来自电缆线的辐射:干扰电流以共模形式产生于在电路板和设备内部其他位置形成的对地噪声并沿着导体或者屏蔽电缆的屏蔽层流动。
  • 传导发射:干扰也可能从其他电缆以感性或容性方式偶合到电缆线上。
  • 产生的干扰可能以差模在(火线与中线或在信号线之间)或共模(在火线、中线、信号线与接地间)或者以二者的混合形式出现。
  • 对于电源部埠需要测量每一个相线/中线与在电源电缆远端地之间的电压。
  • 差模发射通常与来自电源的低频开关噪声联系在一起。
  • 共模发射则是由于更高频率的开关元件、内部电路源或电缆的内部偶合引起的。
  • 电路的分布电容分布广泛。若没有屏蔽物体的话,取决于与其他物体接近的程度。由于周围环境有较高的电容,部分屏蔽的机壳实际上会使耦合更加严重恶化。

EMC 对策

由于微电脑的依存度正不断提高,设备的大量使用,使我们的电磁环境复杂化,因此外来的干扰如脉冲噪声、放射电磁场、静电、雷击、电压变动等,所引发的误动作产生当机甚至破坏的情形,如无线电的通讯、雷达、大哥大、电视游乐器⋯⋯等,往往干扰到电视,甚至于造成医疗器材使用中的误动作,影响到飞航的安全。

国际上对于电子、电器、工业设备产品的抗扰性测试日渐重视,且趋向整合以IEC国际规格为测试标准,欧 洲共同体率先制定EMC防治法规,于1996年起全面实施抗扰测试。

电源方面

  • 三相入力电源在NFB(无熔丝断路器)与变压器间装噪声滤波器,此滤波器的输入线愈短愈好。
  • 电源及大电流导线紧贴电气箱之底部,并沿着边角布线。
  • 开关式电源供应器加装隔离罩以防辐射性发射干扰,滤波器选用器选用π型或T 型可抑制宽波段噪声,陶铁磁体材质可抑制射频噪声。
  • 电源线两端考虑采隔离接地,以免接地回路形成共同阻抗耦合而将噪声耦合至信号线。
  • 电源线与信号线尽量采用隔离或分开配线。
  • 电源变压器应加遮蔽,外壳须接地良好。
  • 单相AC 控制线建议采用绞线。
  • 直流导线建议使用绞线来配线。
  • 避免将电源与信号线接至同一接头。

信号埠连接线方面

  • 信号输入线与输出线应避免排在一起造成串扰干扰。
  • 信号输出入线应避免跨过集成电路板或敏感区域以避免干扰。
  • 连接端口线如有剩余不用之线,需单端接地以避免形成感应回路。
  • 信号线考虑采用绞合/绞线(Twist),确保有稳定的参考层与线阻抗。
  • 不同工作频率或类比/数位等差异别的信号线避免混杂接在一个连接头上,宜按类别分类并加地线隔离。
  • 输入信号线与输出线尽量避免同在一个接头上,如不能避免时应将输入与输出信号错开。
  • 敏感性较高之低准位信号线,除采用绞线外可加隔离遮蔽。

模拟信号方面

  • 高频的类比信号及脉波信号线建议采用隔离线。
  • 高频类比信号线采用同轴式隔离线,低频之类比信号线采用绞线,必要时可外加隔离遮蔽,绝不可使用同轴隔离线。
  • 连接头安装位置须清洁处理,接头及金属面的接触电阻须小于2.5m欧姆
  • 类比电路干扰以波形失真为主,抑制方法主要在滤波器选用的特性,例如;带宽、频率响应值。
  • 类比信号线与数位排线必须相互垂直。

数位信号

  • 避免使用未隔离遮蔽的导线来传送数位信号,宜使用多股绞线外加隔离线。
  • 数位电路干扰以外在磁场干扰为主,应加隔离措施。
  • 数位电路易受高能电场干扰,须使用隔离线隔离,以能防止1∼10MHz频段之高能电场200V/m干扰为最佳遮蔽选择。
  • 数位电路以抑制邻近电路脉波与尖波干扰为主。
  • 数位电路传送避免使用过长且未加隔离之导线。

电路设计方面

  • 具干扰性的回路,如时脉、驱动器、交换式电源切换、振荡器式控制信号,应加隔离遮蔽。
  • 电路设计尽可能选用低噪声零组件,且须考虑噪声变化与环境温度变化之关系。
  • 陶铁磁体铁芯适用于高频滤波,但须注意经由此线圈负载功率损耗。
  • 稳压器须考虑抑制线路间共通阻抗耦合问题。
  • 振荡器本身输出越小越好,如须要较大输出,宜由放大器放大。
  • 功率放大应予隔离以防止辐射性发射。
  • 电解质电容器适于清除高涟波及暂态电压变化。
  • 动力线的干扰有低压(或瞬间断电)超压及突波,这些干扰通常来自于电力开关的动作、重负载的开与关之瞬间、功率半导体动作、保险丝烧断时、雷电感应…等。
  • 须考虑下述项目来抑制:
    1. 使用电源滤波器。
    2. 适当的电力分配。
    3. 受干扰的装置改用另一电路。
    4. 将电子零件及滤波器适当的包装。
    5. 使用隔离变压器。
    6. 装置压敏电阻
  • 交流电磁接触器线圈、电磁阀,皆须联结火花消除器。
  • 电磁开关之热电驿输出侧须联结三相火花消除器。
  • 直流继电器线圈联结二极管,以供反相电压保护。
  • 火花消除器距离负载侧愈近愈好。
  • 把突波吸收器装于电路开关和噪声滤波器之间,线与线间,线与接地之间,将能有效吸收突波。

配电箱设计

  • 配电箱采用金属制,如焊接技术没有问题(不会变形),采用接缝全焊方式,假使无法全焊接合面的空隙尽可能缩小。假使配电箱是用螺丝组立方式,须把接触的面漆刮掉,以便取得较佳的导电性。
  • 配电箱难免会开孔来做电缆线的出入口,电波会通过这些孔就无法通过测试,因此开孔应尽可能的缩小,没有使用到的孔须用金属做的盖子盖起来,金属与金属的接触面漆须刮掉,且须用工业环境用的导电垫片。
  • 配电箱的门在关闭时,和配电箱本体的接触面,须用工业环境用的导电垫片,使其紧密的接触,如基于成本的考虑可用分布紧凑的间距采用固定式的螺丝锁紧。
  • 配电箱门须留接地用的端点,接地面必须防漆。

参见

  • BS3G100军用电磁兼容性规范
  • 展频技术
  • 电磁兼容性标准列表
  • 电视信号干扰

参考文献

  • Williams, T. (2001)EMC for Product Designers, Third Edition. 李迪、王培清等译。《产品设计中的EMC技术》。台北:全华图书公司,2005年5月4日。
  • 白中和。《电子电路噪声对策》台北:全华图书公司,1998年8月13日。
  • 廖裕杰。工业产品EMC验证实务,2002年1月,226期:103。

外部链接

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电磁兼容性
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