馮偉明 楊艷鋒

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所 廣西 桂林 541004

引言

自20世紀(jì)中期開(kāi)始，電子技術(shù)迅速興起并得到了高速發(fā)展。各種新型電子設(shè)備和新技術(shù)促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì)的快速發(fā)展，同時(shí)社會(huì)信息的井噴式增長(zhǎng)和信息實(shí)時(shí)價(jià)值的極大提高，也促進(jìn)電子設(shè)備和新技術(shù)不斷向小型化和高速率等方向快速發(fā)展。為保證電子設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，電子設(shè)備的電磁干擾問(wèn)題是眾多問(wèn)題中必須解決的一個(gè)問(wèn)題[1-2]。從應(yīng)用行業(yè)分析，電子設(shè)備不僅應(yīng)用于電器、電力電子、醫(yī)學(xué)等傳統(tǒng)行業(yè)，也廣泛應(yīng)用于航空航天、通信、計(jì)算機(jī)等新興行業(yè)。從應(yīng)用場(chǎng)景分析，電子設(shè)備不僅應(yīng)用于人機(jī)交互密切的辦公環(huán)境，也應(yīng)用于各類(lèi)裝置云集、遍布各類(lèi)大功率設(shè)備、電磁環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，還應(yīng)用于需要防御雷電等危害的野外環(huán)境。為了保證電子設(shè)備在不同環(huán)境中穩(wěn)定可靠的工作，需要考慮設(shè)備的電磁兼容性問(wèn)題。

本文首先介紹了電磁兼容的概念；分析了電磁干擾對(duì)電子設(shè)備和人體健康帶來(lái)的危害；介紹了電磁兼容技術(shù)和電磁兼容三要素，并從電磁兼容三要素出發(fā)列舉了部分電磁兼容實(shí)現(xiàn)的主要措施。最后對(duì)典型工業(yè)環(huán)境中的電快速瞬態(tài)脈沖群干擾產(chǎn)生的機(jī)理、試驗(yàn)方法和預(yù)防措施進(jìn)行了淺析。

1 電磁兼容的概念

電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中性能不降級(jí)的狀態(tài)。電磁兼容，一方面要求設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有嚴(yán)重的干擾源，一方面要求設(shè)備或系統(tǒng)自身具有一定抗電磁干擾的能力。電磁兼容是一門(mén)新興的綜合性邊緣學(xué)科，它主要研究電磁波輻射、電磁干擾、雷擊、電磁屏蔽、電磁材料等方向[3-4]。

電磁兼容包括電磁干擾和電磁敏感度。電磁干擾是指電子設(shè)備自身工作過(guò)程中產(chǎn)生的電磁波，對(duì)外傳導(dǎo)輻射，從而對(duì)設(shè)備自身或系統(tǒng)其他部分的設(shè)備儀器等造成干擾。電磁敏感度是指設(shè)備受到電磁干擾的敏感程度，越敏感的設(shè)備，越容易受到干擾。從某種意義講，正是因?yàn)橛辛穗姶鸥蓴_才會(huì)有電磁兼容，電磁敏感度達(dá)標(biāo)才能實(shí)現(xiàn)電磁兼容。

1.1 電磁干擾

電磁干擾可以分為自然干擾和非自然干擾，其中自然干擾主要由各種自然現(xiàn)象所造成，而非自然干擾則是由于人類(lèi)生產(chǎn)相關(guān)的活動(dòng)產(chǎn)生的。

電磁干擾會(huì)通過(guò)空間輻射或者線(xiàn)纜傳導(dǎo)的形式，對(duì)一定空間環(huán)境內(nèi)的電子設(shè)備或有電氣線(xiàn)路連接的同一系統(tǒng)內(nèi)的電子設(shè)備造成干擾，對(duì)所有設(shè)備造成干擾，具有高電壓、較強(qiáng)輻射和大能量特點(diǎn)的干擾，會(huì)對(duì)暴露在該環(huán)境中的人身健康造成危害。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)設(shè)備電磁干擾的測(cè)試主要包括：輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射、諧波和閃爍。

1.2 電磁敏感度

電磁敏感度是指設(shè)備或系統(tǒng)受到電磁干擾時(shí)，設(shè)備功能和性能發(fā)生變化的程度，它是檢驗(yàn)設(shè)備或系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)弱的。考核設(shè)備和系統(tǒng)電磁敏感度指標(biāo)的試驗(yàn)和測(cè)試主要包括：靜電、瞬態(tài)脈沖干擾、電壓跌落、傳導(dǎo)抗擾、浪涌雷擊和工頻磁場(chǎng)抗擾度等。工業(yè)環(huán)境常見(jiàn)的干擾有

1.3 電磁干擾對(duì)電子設(shè)備和人身健康的危害

人類(lèi)周?chē)紳M(mǎn)了各種各樣的電子設(shè)備，每個(gè)人都不可避免地暴露在各種電磁輻射中。當(dāng)電磁告干擾的強(qiáng)度超過(guò)人體所能承受的限度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致健康風(fēng)險(xiǎn)。電磁輻射能量通過(guò)對(duì)人體組織器官的作用而產(chǎn)生傷害，而靜電和雷擊等會(huì)直接造成人身危害[5]。

自然干擾對(duì)電子設(shè)備和人身健康的危害主要包括：大氣層的天電噪聲和地球外層空間的宇宙噪聲對(duì)高頻信號(hào)的干擾、沉積靜電對(duì)電子設(shè)備和人身健康可能造成一定損害和危害，以及雷電等對(duì)電子設(shè)備和人身健康可能造成較大損害和危害。

非自然干擾對(duì)電子設(shè)備和人身健康的危害主要是指：電力、電子等設(shè)備工作時(shí)對(duì)外輻射傳導(dǎo)的電磁干擾等，可能對(duì)自身或者周邊環(huán)境內(nèi)的電子設(shè)備和人身健康造成一定危害或者永久的損害等。

2 電磁兼容技術(shù)

2.1 電磁兼容技術(shù)的內(nèi)容

電磁兼容技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)某一環(huán)境中設(shè)備、系統(tǒng)、配套設(shè)施和人的一種兼容共存，將該環(huán)境中每一個(gè)組成部分看成一個(gè)因素，環(huán)境中某一因素的正常運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)導(dǎo)致其他因素出現(xiàn)不被期望的狀態(tài)，環(huán)境中偶爾存在或長(zhǎng)期存在的、無(wú)法避免和消除的不利影響，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)環(huán)境中任何一個(gè)因素出現(xiàn)停工或者損壞。

電磁兼容技術(shù)的研究緊密?chē)@電磁干擾三要素——干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備進(jìn)行。電磁兼容技術(shù)的研究?jī)?nèi)容可概括為：電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理和電磁干擾源的特性，以及如何從機(jī)理和源頭上減弱甚至消除防干擾；電磁干擾的傳播途徑，以及如何在這些傳播途徑上減弱干擾甚至切斷這些傳播通道；研究敏感設(shè)備對(duì)干擾產(chǎn)生的響應(yīng)，以及如何增強(qiáng)其抗干擾的能力。

2.2 電磁兼容三要素

2.2.1 電磁干擾源。任何形式的自然或者電能裝置所發(fā)射的電磁能量，能使共享同一環(huán)境的人或者其他生物受到傷害，或使其他設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)發(fā)生電磁危害，導(dǎo)致性能降低或失效，即稱(chēng)為電磁干擾源。表征電磁騷擾源的特性主要有：規(guī)定帶寬下的發(fā)射電平、頻譜寬度、波形、出險(xiǎn)率、輻射騷擾的極化特性、輻射騷擾的方向特性等。

2.2.2 耦合途徑。耦合途徑即傳輸電磁騷擾的通路或媒介。電磁干擾耦合的途徑主要包括傳導(dǎo)耦合、共阻抗耦合、電感應(yīng)耦合、磁感應(yīng)耦合和輻射耦合[6]。

2.2.2.1 傳導(dǎo)耦合。導(dǎo)線(xiàn)經(jīng)過(guò)有干擾的環(huán)境，即拾取干擾信號(hào)并經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)傳導(dǎo)到電路而造成對(duì)電路的干擾，稱(chēng)為傳導(dǎo)耦合，或者叫直接耦合。在音頻降和低頻的時(shí)候，由于電源線(xiàn)、接地導(dǎo)體、電纜的屏蔽層呈現(xiàn)低阻抗，電流注入這些導(dǎo)體時(shí)容易傳播，當(dāng)噪聲傳導(dǎo)到其他敏感電路時(shí)，就能產(chǎn)生干擾。在高頻的時(shí)候，導(dǎo)體的電感和電容將不容忽視，感抗隨著頻率的增加而增加，容抗隨著頻率的增加而減小。

2.2.2.2 共阻抗耦合。當(dāng)兩個(gè)電路的電流經(jīng)過(guò)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路的電流在該共用阻抗上形成的電壓會(huì)影響另一個(gè)電路。

2.2.2.3 電感應(yīng)耦合。干擾電路的端口電壓會(huì)導(dǎo)致干擾回路中的電荷分布不均勻，分布不均勻的電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)部分經(jīng)過(guò)其他電路，當(dāng)電場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，其他電路的單元回路中就會(huì)形成感應(yīng)電流，當(dāng)感應(yīng)電流較大時(shí)就會(huì)影響其他電路的正常工作。

2.2.2.4 磁感應(yīng)耦合。干擾回路中電流產(chǎn)生的磁通會(huì)部分經(jīng)過(guò)其他電路，當(dāng)磁通變化時(shí)，會(huì)在其他電路中形成感應(yīng)電壓，當(dāng)感應(yīng)電壓較大時(shí)就會(huì)影響其他電路的正常工作。

2.2.2.5 輻射耦合。輻射源向自由空間傳播電磁波，感應(yīng)電路的兩根導(dǎo)線(xiàn)會(huì)像天線(xiàn)一樣接收電磁波，形成干擾耦合。干擾源距離敏感電路較近時(shí)，如果輻射源有低壓大電流流過(guò)，則磁場(chǎng)起主要作用；如果輻射源有高壓小電流流過(guò)，則電場(chǎng)起主要作用。

2.2.3 敏感設(shè)備。敏感設(shè)備是指當(dāng)受到電磁干擾源所發(fā)射的電磁能量的作用時(shí)，會(huì)受到傷害的人或其他生物，以機(jī)會(huì)出現(xiàn)電磁危害，導(dǎo)致性能降低或失效的器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)等。許多器件、設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)可以既是電磁干擾源又是敏感設(shè)備。

2.3 電磁兼容實(shí)現(xiàn)措施

從電磁兼容三要素出發(fā)，為實(shí)現(xiàn)電磁兼容技術(shù)，主要有如下的處理措施。①針對(duì)傳導(dǎo)耦合，有效措施是阻止導(dǎo)線(xiàn)的感應(yīng)噪聲，采用適當(dāng)?shù)钠帘螌?dǎo)線(xiàn)隔離，或者在騷擾進(jìn)入導(dǎo)線(xiàn)之前，用濾波的方法將其減弱到可接受水平或消除。②針對(duì)共阻抗耦合，有效措施是優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，改善電路的瞬態(tài)特性，增大電路的感抗，條件允許的時(shí)候，直接進(jìn)行電路隔離。③針對(duì)電感應(yīng)耦合，有效措施是減小敏感電路的阻抗，改變導(dǎo)線(xiàn)本身的屏蔽性或?qū)γ舾须娐愤M(jìn)行隔離。④針對(duì)磁感應(yīng)耦合，有效措施是通過(guò)屏蔽、垂直走線(xiàn)或者增大距離的方法，盡量減少兩導(dǎo)線(xiàn)之間的互感。⑤針對(duì)輻射耦合，有效措施是保證敏感電路或設(shè)備良好的屏蔽和有效的接地，可以采用金屬機(jī)箱和多點(diǎn)接地的方式來(lái)降低干擾。

3 電快速瞬態(tài)脈沖群抗擾度試驗(yàn)

電快速瞬態(tài)脈沖群抗擾度試驗(yàn)也屬于電磁兼容性試驗(yàn)中的一項(xiàng)測(cè)試。對(duì)于工作在典型工業(yè)環(huán)境中的電子設(shè)備，設(shè)備的供電電源端口、信號(hào)、控制和接地端口都可能會(huì)受到電快速瞬變脈沖群的干擾。GB/T 17626涉及電氣和電子設(shè)備對(duì)重復(fù)性電快速瞬變脈沖群的抗擾度要求和試驗(yàn)方法。

3.1 干擾產(chǎn)生的機(jī)理

典型工業(yè)環(huán)境中沒(méi)有對(duì)電源端口進(jìn)行特殊的防護(hù)，在切換瞬態(tài)過(guò)程時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬變騷擾，特別是切斷大功率感性負(fù)載、電源控制繼電器觸點(diǎn)的彈跳，都會(huì)產(chǎn)生電快速瞬態(tài)脈沖群。

電快速瞬態(tài)脈沖群產(chǎn)生的機(jī)理為：對(duì)于感性負(fù)載，進(jìn)行切換前電感中儲(chǔ)存有一定的能量，切斷后電感中的能量會(huì)以瞬變的形式進(jìn)行釋放；電源控制繼電器觸點(diǎn)的彈跳會(huì)產(chǎn)生高頻的開(kāi)關(guān)操作，同樣會(huì)產(chǎn)生電快速瞬態(tài)脈沖群，觸點(diǎn)切換的速度和切換后開(kāi)路情況下觸點(diǎn)的耐壓能力等會(huì)影響瞬變電壓的幅度。

3.2 試驗(yàn)方法

按照如圖1所示的電快速瞬態(tài)脈沖群抗擾度試驗(yàn)框圖，連接受試設(shè)備和測(cè)試儀器等，進(jìn)行電快速瞬態(tài)脈沖群抗擾度試驗(yàn)。

圖1 電快速瞬態(tài)脈沖群抗擾度試驗(yàn)框圖

耦合方法：使用規(guī)定尺寸和特性的耦合夾，在與受試設(shè)備線(xiàn)路沒(méi)有任何電源連接情況下，以共模形式將騷擾信號(hào)耦合到受測(cè)試設(shè)備的線(xiàn)路上。

耦合網(wǎng)絡(luò)：用于將能量從一個(gè)線(xiàn)路傳送到另一個(gè)線(xiàn)路的電路。

去耦網(wǎng)絡(luò)：用于防止施加到受試設(shè)備上的電快速瞬變電壓影響其他不被試驗(yàn)的儀器、設(shè)備和系統(tǒng)等。

3.3 預(yù)防措施

由于電快速瞬變會(huì)由電容耦合感應(yīng)來(lái)傳遞，將供電線(xiàn)纜和信號(hào)傳輸線(xiàn)纜進(jìn)行良好的屏蔽和接地，可以有效預(yù)防電快速瞬變。電快速瞬變干擾會(huì)被屏蔽層阻隔而不會(huì)對(duì)屏蔽層內(nèi)的電源和信號(hào)造成干擾，同時(shí)良好的接地可以將干擾傳輸?shù)酱蟮兀行蓴_。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，針對(duì)電磁兼容技術(shù)的研究越來(lái)越多，例如，針對(duì)干擾源的相關(guān)研究、基于干擾耦合途徑的研究，以及針對(duì)敏感設(shè)備電磁防護(hù)的研究等，各研究方向普遍針對(duì)電磁兼容技術(shù)中的某一點(diǎn)進(jìn)行了研究分析以及相對(duì)應(yīng)的整改和預(yù)防措施，要保證小型化和更高頻率電子產(chǎn)品在高度集中和電磁干擾復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，該領(lǐng)域仍存在很大的研究和發(fā)展空間。