智能头盔电磁兼容性解决方案研究*

何铭波，陈锦彪

(广东电网有限责任公司 佛山供电局，广东 佛山 528000)

智能头盔电磁兼容性解决方案研究*

何铭波，陈锦彪

(广东电网有限责任公司 佛山供电局，广东 佛山 528000)

随着电力工业和信息技术的发展，电磁兼容问题日益受到重视。智能头盔作为一种新型电子产品，在给外界带来电磁干扰的同时，也不可避免地受到外界的电磁环境影响研究了智能头盔的电磁兼容性能，并从加屏蔽罩、滤波、优化电路布局布线、使用TVS管等方面，对智能头盔存在的辐射骚扰、传导骚扰、静电放电、电磁干扰、快瞬、浪涌、电压骤降和短时中断等现象，给出了对应的解决方案。

智能头盔；电磁兼容；电磁骚扰

由于环境中广泛存在着各类干扰源，因此电磁干扰是生活中普遍存在的一种现象，电磁干扰对电子、通信、雷达和导航等行业都有着广泛的影响。每年因电磁干扰而引起的电子设备损坏都会给企业造成巨大损失，因此，有必要积极研究产品的电磁兼容措施。本文以智能头盔为切入点，探讨电子产品的电磁兼容解决方案。

1 智能头盔电磁兼容设计的重要性

电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)是指某电子设备既不干扰其他设备，同时也不受其他设备的影响。由于电磁干扰现象的普遍存在，目前，电磁兼容性和安全性已经成为衡量电子产品的重要指标。两者相比较，安全性主要涉及人身和财产，而电磁兼容性主要涉及人身和环境保护。

电力系统内部设备存在着广泛的电磁联系，在看不见的电磁网络中，各类电气设备之间存在着紧密的联系，并相互影响。引起电磁兼容的因素是多方面的，包括雷电、开关操作、运行方式改变和电力系统故障等多种因素。电磁干扰现象一旦出现，处于电磁网络中的各类电气设备都不可避免地被波及，使设备性能受到影响，严重者甚至导致设备损坏。

即使在正常运行状态下,整流设备及非线性原件等产生的谐波也会危害其他设备,大电流、高电压输变电设备产生的无线电干扰、工频电磁场都会对环境造成影响；因此，供电网中存在大量的电磁兼容影响。当前，电网中大量电子设备必将受到电磁干扰而影响其准确性、可靠性[1]。

综上所述，电磁兼容问题涉及电力系统中的各个方面,开展电网中电磁兼容问题研究，加强电网中电气产品，特别是电子产品的电磁兼容测试已势在必行。它是保证电网安全稳定运行，以及电子化仪器、仪表及控制设备的准确、可靠应用的一项重要工作，应引起各方面的充分重视。

2 智能头盔的使用场合及可能存在的电磁干扰

2.1 智能头盔的使用场合

智能头盔起源于GPS定位系统，结合了高新网格科技对普通头盔功能的升级是近年来逐步兴起的一种新型设备，智能头盔的种类多样，包括智能安全帽、取证头盔和对讲头盔等。根据功能的不同，智能头盔可以广泛应用于安保、消防、电力、煤矿、化工、物流和应急指挥等场合。近年来，与可视化技术相结合实现的智能头盔在消防等应急救援场合获得了广泛应用。

2.2 可能存在的电磁干扰

智能头盔的电磁干扰分为2种：1)电磁骚扰，指智能头盔对外部设备、人体等造成的影响；2)外界干扰源，智能头盔需要具有抵抗外界电磁干扰的能力。

1)电磁骚扰。智能头盔是电子产品，在通电工作的情况下，可能会对外界辐射电磁波，而由于离人体比较近，所以肯定会对人体进行辐射干扰；另外，智能头盔在使电源适配器充电时，也会通过AC电线为电网带来传导骚扰。

2)外界干扰源。包括：a.首先需要考虑的是静电放电，因为人手需要摸触头盔上的按键、光机等；b.电力系统存在复杂的电磁辐射，最典型的为工频磁场干扰，还有拉合刀闸时存在的高次谐波磁场干扰，这些强磁场均有可能导致电子产品失灵；c.电源适配器充电端口在充电时，电网中可能存在EFT(电快速瞬变脉冲群)，这些EFT可能会对设备造成损坏；d.电源适配器充电端口在充电时，电网中可能存在浪涌，这些浪涌可能会对设备造成损坏；e.电源适配器充电端口电压骤降或短时中断，可能对设备造成损坏[2]。

3 解决方案探讨

应针对不同的电磁干扰，制定不同的解决方案。

3.1 辐射骚扰(RE)

如果设备所辐射出的电磁能量的强度超标，可能使设备或系统性能劣化，或者对生物和非生物起不良反映。

由于辐射主要是电磁波，所以解决方案为使用可焊接的屏蔽罩，对PCB中的辐射源(如晶振、CPU和电感等)进行屏蔽，吸收这些辐射源发射的电磁波。

3.2 传导骚扰(CE)

传导骚扰是指正常工作状态下设备通过电源线、信号端口和控制端口对周围环境所产生的骚扰，设备与外部环境连接的接口包括电源适配器AC接口等。

对于电源适配器的AC接口，由于电源适配器均是采用开关电源，所以解决AC接口传导骚扰的核心思想是采用共模滤波、差模滤波、变压器隔离和磁环吸收干扰等方法，尽可能减少开关电源二次反馈到一次的干扰。

智能头盔电源的CE大小主要受制于配套的电源适配器，解决CE的办法是：对于电源适配器，采用L-C滤波法；对于信号接口，采用磁环抑制高频干扰[3]。

3.3 静电放电(ESD)

在北方干燥的季节，静电问题尤其严重。在智能头盔的电磁干扰问题解决中，ESD是非常重要却非常难处理的问题。ESD是整个产品的核心，因为人体需要通过头盔上的按键对智能头盔进行操作。静电放电发生器输出电流的典型波形如图1所示。

图1 静电放电发生器输出电流的典型波形

ESD静电放电有2种主要的破坏机制：1)ESD电流产生的热量导致设备的热失效；2)ESD感应出过高电压导致绝缘击穿。2种破坏可能在设备中同时发生，例如，绝缘击穿可能激发大的电流，这又进一步导致热失效。智能头盔需要考虑ESD防护的部分包括(人手经常触摸的，带电路且活动的地方)：头盔按键、USB接口和光机等。

隔绝ESD的主要思路是“堵”以及“疏”。前者的意思是完善结构，智能头盔的塑料按键离导体的距离为1 cm，绝缘距离较大，大大减少了ESD造成的影响；外壳缝隙与电路板(光机电路板、核心CPU板等)间的距离远，绝缘距离大，也大大减少了ESD造成的影响。针对“疏”，该方法是尽量把已经产生的静电导走。智能头盔电磁兼容性的解决方案是，对于核心的敏感器件(核心CPU板、光机电路板等)，使用屏蔽罩屏蔽起来，且该屏蔽罩接地，那么静电将会被引导到屏蔽罩上，且最终汇到工作地，无法对器件造成影响。

3.4 磁场干扰

电力系统中存在强干扰磁场，影响智能头盔的正常工作。目前，电力系统中的电磁干扰包括射频电磁场辐射(RS)和工频磁场(PFMF)两种。

电力系统电磁干扰源包括外部干扰和内部干扰：外部干扰包括高压开关操作、雷电、短路故障、电晕放电、高电压大电流电缆和设备向周围辐射电磁波、高频载波、对讲机等辐射干扰源，及附近电台、通信等产生电磁干扰、静电放电等；内部干扰是由自动化系统结构、元件布置和生产工艺等决定，主要有杂散电感、电容引起不同信号感应，长线传输造成波反射、寄生振荡和尖峰信号引起干扰等。无论内部还是外部干扰，它们都具有相同的物理特性，消除和抑制措施基本是相同的。脉冲群干扰试验的波形图如图2所示。

图2 智能头盔脉冲群干扰试验的波形图

针对外部的电磁干扰，智能头盔电磁兼容性的解决方案为屏蔽，即对核心的CPU电路板、光机电路板、FPC信号排线和按键操作排线等进行屏蔽处理[4]。电路设计上，不使用容易受电磁影响的接口电路。

针对内部的电磁干扰，解决方案是优化电路布局布线，保证关键信号的阻抗匹配，电源平面完整，并杜绝电源环回等[5]。

3.5 快瞬(EFT)

电快速瞬变脉冲群是电感性负载在断开时，由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因，在断开处产生的暂态骚扰。电感性负载多次重复开关，则脉冲群又会以相应的时间间隙多次重复出现。这种暂态骚扰能量较小，一般不会引起设备的损坏；但由于其频谱分布较宽，所以会对电子、电气设备的可靠工作产生影响。快速瞬变的脉冲群概略图如图3所示。

图3 快速瞬变的脉冲群概略图

EFT只会施加在电源端口，对EFT的解决方案是使用TVS管对高频干扰进行抑制，后通过地线泄掉。由于EFT的抑制主要由电源适配器完成，所以本文不作详细分析。

3.6 浪涌(SURGE)

用电设备可能遭遇的浪涌电压主要由直接雷击或由大容量电气设备引起。雷击是指雷电放电直接击中电力系统的部件，注入很大的脉冲电流，也有可能是雷击击中设备附近的大地，电力线上同时也感生出中等强度的电流。大容量设备也有可能引起内部浪涌，对于大功率设备，其起停、线路故障、投切动作和变频设备的运行等原因，都会带来内部浪涌，给用电设备带来不利影响。

由于浪涌只会施加在电源端口，所以对浪涌的解决方案是在电源适配器端加压敏电阻，气体放电管和TVS管，把浪涌以最快的速度泄放到大地，减少传递到后级的干扰。由于浪涌的抑制主要由电源适配器完成，所以本文不作详细分析。

3.7 电压骤降、短时中断(DIP)

电压骤降和短时中断是指由于电网的不稳定，电源电压可能会出现短期的波动，甚至电压会跌落一段时间。

解决该问题的核心方法是在电源输出端添加一个较大的电容，可以在电压波动的情况下能维持一小段时间的工作。由于电压骤降、短时中断主要由电源适配器完成，所以本文不作详细分析。

4 结语

目前，电磁兼容问题已经成为困扰我国电子产品出口的重要原因之一，智能头盔作为一种新型的高科技电子产品，在我国具有良好的发展前景。基于电磁辐射只有通过辐射和传导2种方式来进入电路，实际工作中可以以此为切入点，加强技术研究和开发，从源头上解决智能头盔的电磁兼容问题，提升产品电磁兼容性能。

[1] 李世锦.传导电磁干扰智能诊断分析系统关键问题研究[D].南京：南京师范大学，2013.

[2] 陈雪权.煤矿井下智能头盔监控系统设计[D].武汉：华中科技大学，2014.

[3] 尹海平.传导性电磁兼容关键技术研究[D].南京：南京师范大学，2014.

[4] 和婷，李乔. 浅析电磁屏蔽技术在电子方舱中的应用[J].新技术新工艺，2013(6): 121-123.

[5] 包奇金，梁慧军.基于ZIGBEE技术的矿井智能头盔[J].实验室研究与探索，2010,11(22)：66-68.

*中国南方电网有限责任公司科技项目(030600KK52140058)

责任编辑郑练

ResearchofSmartHelmetElectromagneticCompatibilitySolutions

HE Mingbo, CHEN Jinbiao

(Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan Power Supply Bureau, Foshan 528000, China)

With the development of power industry and information technology, the electromagnetic compatibility problem is attracting more and more attention. As a new type of electronic products, smart helmet brings the outside electromagnetic interference affected by external electromagnetic environment. The EMC performance of intelligent helmets is discussed, probe into the existing radiation harassment, smart helmet conduction harassment, electrostatic discharge and electromagnetic interference, fast transient and surge. To the phenomenon such as voltage sag and short supply interruption from the shield, filtering, optimization of circuit layout and wiring, the use of TVS diode and so on, we give the corresponding solutions.

smart helmet, electromagnetic compatibility, electromagnetic disturbance

TP 183

:B

何铭波(1979-)，男，经济师，主要从事电子技术等方面的研究。

2015-05-11