电磁兼容检测分析及优化整改思路

蔡 林，曾立英，苏邦伟，唐晗翔

（国家工矿电传动车辆质量监督检验中心（湖南），湖南 湘潭 411201）

0 引 言

随着社会的发展、科技的进步和智能制造的推广，人们的日常生活和工业生产中出现了越来越多的电子产品和电气设备。电子、电气产品技术日新月异，产品的更新周期变短。随着电磁场强的不断增加，电磁场对工业生产以及人们的生活环境的影响越来越大，电磁场环境日趋复杂。本文对电子、电气产品电磁兼容性能进行可靠测试与分析，根据检测结果制定切实可行的优化方案[1]。

1 电磁兼容分析与检测

1.1 电磁兼容性分析

电磁兼容性是指电子、电气设备或系统在其安装场所的电磁场环境中能正常工作，同时不对其他设备系统形成干扰，简称EMC。EMC包含EMI及EMS两部分。EMI（Electromagneti Cinference）电磁干扰是一种会造成设备或系统工作不稳定或降级的电磁现象；EMS（Electromagnetic Susceptibility）电磁抗干扰或电磁敏感度，指机器在实现自身功能的过程中不受周围电磁环境影响。EMC问题产生的三个要素：电磁干扰源、耦合通道和敏感设备。各种电气设备运行时，以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式来相互作用，某一时刻可能干扰、影响和危害设备正常运行和人员健康。电磁兼容性即EMC学科，研究和解决这一问题的产生和发展，主要研究干扰的产生、传播、接收及抑制的机理，开发相关测量和计量技术。为解决以上问题，遵循技术经济最优的原则，基于干扰的等级、抗干扰能力及其抑制措施做出合理规划，以保障工作于该电磁场环境中的设备的兼容性。同时，不允许对该环境中其他任何的实体引入超出允许的电磁场扰动。针对设备电磁兼容性测试主要有辐射发射值、辐射敏感度及屏蔽的效能。辐射发射值测试是指检测设备对周围环境在全频段范围内的电磁干扰，分析电磁场干扰的形成机理及抑制措施，一般需对电磁干扰信号的时域、频域、能量及信号形式等特征进行测试分析。辐射敏感度是测试设备在承受环境中电磁场干扰的抗扰度检测。屏蔽的效能测试则是检测阻断干扰耦合通道的能力。以上三项检测是以符合电磁干扰的三大要素要求为依据设置的。

1.2 电磁兼容性检测

电磁兼容性检测包括传导干扰、传导敏感度、静电放电敏感度、辐射敏感度及辐射发射等项目。测试场所主要设置在开阔场、屏蔽室及电波暗室等符合要求的环境场所[2]。对测试仪器，采用以频谱分析仪为核心的自动检测系统。本系统能自动检测电磁兼容性的有关参数，快速和准确地通过图表方式进行显示。如需全方位对电气产品中的各部件、PCB板及连接电缆进行电磁兼容性检测，还必须利用电磁兼容扫描仪，结合检测系统，才能实现电磁兼容性检测的可视化。电磁兼容性测试有直接测试、替代测试及自动测试等形式。电磁兼容性检测须按照相关标准和规范进行，并以对应产品标准规定的限值进行判定。前期的予相容测试能杜绝绝大部分的电磁场干扰，提高产品的可行性，同时能为改进设计方案、抑制EMI发射指明方向。

1.3 电磁兼容抑制

电磁兼容的抑制应从EMC问题产生的三个要素——滤波、接地和屏蔽入手[3]。

1.3.1 滤波

由电磁场传播机理和屏蔽技术可知，直接穿透屏蔽体的导线均会造成屏蔽体的屏蔽失效。使用滤波器的电磁兼容是抑制的有效方法之一。该技术是在干扰源的输入输出端加装滤波器，过滤干扰信号或噪声，提取有用信号。该滤波器件主要由电容、电感、共模电感、电阻、磁珠和二极管等主要元器件组成，需加装滤波器的数量取决于有用信号与干扰信号的频率差。为了提高工作质量与效率，可根据实际情况选择几种组合进行使用。

1.3.2 接地

接地有“安全地”和“信号地”两种接地方式。它的主要作用是为了泄放电荷或建立电路基准电平。这里讨论的接地主要是“信号地”。信号地是为了电路能够正常工作，但不一定与大地相连接，可以是任何定义为电位参考点的位置。电子、电气设备启动瞬间会有强大电磁波形成，严重影响周围设备。良好的接地能有效屏蔽电磁场，使设备机壳上累积的大量电荷得到释放路径，避免设备产生静电放电效应。接地后可将外界电磁场的影响控制在最低水平，抑制效果良好。另外，屏蔽与滤波也需要接地措施。此外，接地是确保设备安全的有效措施。当设备的绝缘受损或故障引起外壳带电时，它能使电流导入大地或使漏电保护器动作，保障人员及设备的安全。该技术具有操作简便、成本较低的优势，已得到了广泛应用。接地形式包括单点接地、多点接地及混合接地，各有优缺点。为确保良好的信号效果，选择时应综合考虑。

1.3.3 屏蔽

屏蔽即将干扰源与外部环境通过各种导电材料隔离开，使干扰源上产生法拉第电磁牢笼，使得设备的内、外部分离，从而控制电磁干扰的范围。可以实现双向屏蔽，但是实现完全的屏蔽很难。一般可以利用反射、吸收和抵消等原理制作屏蔽装置，以控制设备内部电磁场不外流亦或减小外流量，同时需减轻外界环境中电磁波内流对设备的正常运行产生不利影响，屏蔽主要用于家用电器的电磁场干扰抑制。

电磁场干扰产生的机理比较复杂，在实际中运用一种方法进行抑制很难有效。普遍情况下，综合采用两种甚至两种以上方法才能取得有效抑制电磁干扰的效果。

2 电磁兼容优化与整改

2.1 单一产品的设计优化与整改

对某一种产品，通过电磁兼容检测得知电磁骚扰源及耦合途径，同时运用电磁干扰抑制原理进行整改。整改过程中首先须合理地选择产品的结构及元器件，以避免影响其正常功能。此外，需注意电机、整流器及变换器等组件以及时钟电路和其他因素带来的干扰[4-5]。为了优化和整改产品的电磁兼容性，合理优化产品的设计、综合选择元件和重点关照核心部件等，是增强电磁兼容性的有效方法。

2.1.1 优化产品设计思路

产品设计思路对设备的电磁兼容性起决定性作用。一个产品刚诞生，在完成其功能的同时，会产生功能性干扰和其他干扰。这源于设计者的思路仅仅只考虑了产品的功能性，缺乏对其功能与电磁兼容性的综合考量。而电磁兼容设计要求在元器件级、部件级、设备级、系统级都达到了互不干扰。因此，产品设计者应将多种因素纳入考虑范围，把电磁兼容贯穿整个设计过程。在进行电路设计的时候，可以对电路进行分层设计，合理安排每一层电路板的线路，尽量减小设备或系统内部电路因设计产生的电磁干扰。设计时，应首先考虑元器件型号、形式的选择和PCB设计，其次是接地设计和屏蔽设计，最后进行滤波设计和瞬态骚扰的抑制。为了提高产品电磁兼容的效果，滤波和屏蔽设计只能作为电磁兼容的辅助手段，在产品开始设计时就应综合考虑，因为预防比滤波和屏蔽更有效。2.1.2 综合选择元件

产品产生的电磁干扰中，元器件、部件级上的电磁干扰主要来自不同的元件之间的电磁耦合。实际运用中，电路采用有引脚和无引脚的元件两种结构。通常情况下，有引脚线元件会产生寄生效果，高频时更强。相对而言，无引脚元件特别是表面贴装的元件，寄生效果较小。单就电磁兼容性方面进行选择时，表面贴装元件结构效果最佳，一般会优先选用，随后为放射状引脚元件结构，最后考虑轴向平行引脚的元件。例如，在高频状态，相比引线型电容器结构，滤波电容器应优先采用穿心或支座式结构，其引线电感小。如果使用引线式电容结构，必须综合考虑引线的电感量对滤波效果的影响。主要芯片及部件的选择过程中，最好选择本身发射小的芯片。因为高损耗、大功率器件会产生较明显的辐射源，所以要尽量避免选择。优选和正确地使用电子元器件是解决电磁场干扰发射和电磁场敏感度等问题的关键，也是提高产品电磁兼容性的前提。

2.1.3 核心部件重点关注

产品的核心部件与芯片是产生电磁干扰的关键，应重点关注。如芯片、变换器、整流器及时钟电路等关键部件，在大多数情况下需对重要组件进行屏蔽、隔离处理。日常实际工作中，若产品是由若干模块组成，各个模块可以暂停和恢复工作。可以用断电法来判断骚扰来源，利用轮流断电的方式逐渐缩小电磁兼容检测范围，然后替换掉怀疑的模块和部分。若产品的单个模块不可以独立暂停和恢复，则可以与其他模块配合工作，找出骚扰源。如果家电产品EMC超标，一般的解决方式是更换马达碳刷、马达电感、马达碳刷一端对地加Y电容或更换电容参数等。总之，核心部件关系着产品是否合格，要重点关注。

2.2 不同产品设备的电磁兼容

针对不同产品设备，应该从整个系统折中考虑，重视整体的电磁兼容性设计。在优化与整改过程中，通常采取的方法是时间分隔和空间分离。时间分隔有主动和被动型，是有效提高电磁兼容性的措施，是指相互干扰的两种设备尽量避免处于同一时间段同时使用。而空间分离则是控制地点位置、隔离自然地形、控制方位角及电场矢量方向等措施。譬如，利用建筑物产生的自然隔离可以确定安装电磁的方向及位置，从而有效抑制电磁兼容性不理想的设备引起的干扰，提高其电磁兼容性。

3 结 论

电磁场干扰的检测与抑制课题越来越引起人们的重视和关注。文中总结的EMC优化与整改的思路，既能够符合产品功能性要求，又可以降低产品的调试时间，使产品达到电磁兼容技术标准的限值要求，为EMC检测及优化产品设计和使用提供参考。