监护仪中ＥＭＣ技术的研究与探讨

[摘要]随着电气电子技术的发展，家用电器产品日益普及和电子化，广播电视、邮电通讯和计算机网络的日益发达，电磁环境日益复杂和恶化，使得电气电子产品的电磁兼容性问题也受到各国政府和生产企业的日益重视。监护仪的电磁兼容性（EMC）是一项非常重要的质量指标，它不仅关系到产品本身的工作可靠性和使用安全性，而且还可能影响到其他设备和系统的正常工作，关系到电磁环境的保护问题，所以我们必须认真对待监护仪的电磁兼容性问题。

[关键词]电磁兼容 滤波 屏蔽 接地 布线

中图分类号：TM5 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2009）0720098－02

一、电磁兼容的含义

EMC包括EMI（电磁干扰）及EMS（电磁耐受性）两部分，所谓EMI电磁干扰，乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声；而EMS乃指机器在执行应有功能过程中不受周围电磁环境影响的能力。电磁兼容（EMC）一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。换句话说，电磁兼容是指电子线路、设备、系统相互不影响，从电磁角度具有相容性的状态，相容性包括设备内电路模块之间的相容性、设备之间的相容性和系统之间的相容性。

二、从滤波方面解决电磁兼容性控制关键技术

滤波是将信号频谱划分为有用频率分量和骚扰频率分量，剔除和抑制骚扰频率分量，切断骚扰频率信号沿信号线或电源线传播的路径。借助滤波器可明显地减少传导干扰电平，因此恰当地设计、选择和正确地使用滤波器对抑制干扰是非常重要的。

为了抑制干扰，我公司尝试了各种电源滤波器，最后采用了型号为6EHG1-2的滤波器，电路图如下：

该网络中2个电感器，L1和L2，3个电容器，CY1、CY2和CX。当把这个滤波器插入到被骚扰设备（负载）的供电电源入口处时，即把滤波器的（LINE）端接电源的进线，滤波器的（LOAD）端接被骚扰设备。这样，L1、CY1、L2和CY2，分别构成L-E和N-E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源系统内存在的共摸骚扰信号，CY1、CY2也被称为共摸电容。其中，L1和L2是绕在同一磁环上的两只独立线圈，称为共模扼流圈。它们所绕圈数相同，线圈绕向相反，致使滤波器接入电路后，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使两只线圈，L1和L2的电感量值保持不变。但是，由于种种原因，如磁环的材料不可能做到绝对均匀，两只线圈的绕制也不可能完全对称等，使得LI和L2的电感量不相等。于是L1和L2之差（L1-L2）称为差模电感。它和CX又组成L-N独立端口间的一只低通滤波器，用来抑制电源上存在的差模骚扰信号（CX也被称为差模电容），从而实现对电源系统骚扰信号的抑制，保护电源系统内的设备不受影响。

为了减少DC/DC变换器通过输入、输出端传导EMI，除了在输入、输出端采取LC滤波外，还在电源的输入地到金属外壳之间、输出地到金属外壳之间增加高频滤波电容，以减少共模干扰的产生。但此处要注意电容耐压要大于500V，以满足产品隔离电压的要求。

上图中，L1、C1组成的输入滤波电路和L2、C2组成的输出滤波电路能减少纹波电流的大小，从而减少通过辐射传播的电磁干扰。滤波电容C1、C2采用多个电容并联，以减少等效串联电阻，从而减小纹波电压。C3、C4、C5、C6用于滤除共模干扰，其值不宜取大，以避免有较大的漏电流。此外，我们还在电源的出口和PCB电源线的入口设置铁养体抑制元件，既可抑制电源与PCB之间的高频干扰的传输，也可抑制PCB之间高频噪音（骚扰）的相互干扰。

三、从屏蔽方面解决电磁兼容性控制关键技术

屏蔽就是以某种材料制成的屏蔽壳体将需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离，即其内的电磁场不能超出这一区域，而外来的辐射电磁场不能进入这一区域（或者进出该区域的电磁能量将受到很大的衰减）。屏蔽不仅对辐射干扰有良好的抑制效果，而且对静电干扰和干扰的电容性耦合、电感性耦合均有明显的抑制作用，因此屏蔽是抑制电磁干扰的重要技术。

低频磁场的屏蔽常用高磁导率的铁磁材料，其屏蔽原理是利用铁磁材料的高磁导率对干扰磁场进行分路。由于磁力线是连续的闭合曲线，我们可把磁通管所构成的闭合回路称为磁路。根据磁路理论有：Um=RmФM

（1），式中Um为磁路两点间的磁位差（A），Фm为通过磁路的磁通量（Wb），

Фm=∫sBds（2），Rm为磁路中两点a、b间的磁阻：Rm=∫abHdl/∫sBds（3），

若磁路横截面S是均匀的，且磁场也是均匀的，则（3）式可化简为：Rm=Hl/BS=l/μS（4），式中μ为材料的导磁率（H/m），S为磁路的横截面积（m2），l为磁路的长度（m）。由（1）式可见，当两点间磁位差Um一定时，磁阻Rm越小，磁通Фm越大；由式（4）可见，Rm与μ是成反比的，导磁率μ越大则磁阻Rm越小，此时磁通主要沿着磁阻小的途径形成回路。由于铁磁材料的磁导率μ比空气的磁导率μ0大得多，所以铁磁材料的磁阻很小。将铁磁材料置于磁场中时，磁通将主要通过铁磁材料，而通过空气的磁通将大为减少，从而起到磁场屏蔽作用。

如下图所示的屏蔽线圈用铁磁材料作屏蔽罩，由于其导磁率很大，其磁阻比空气小得多，因此如图（a）所示，线圈产生的磁通主要沿屏蔽罩通过，即被限制在屏蔽体内，从而使线圈周围的元件、电路和设备不受线圈磁场的影响或骚扰。同样，如图（b）所示，外界磁通也将通过屏蔽体而很少进入屏蔽罩内，从而使外部磁场不致骚扰屏蔽罩内的线圈。

我公司的监护仪主要在物理板和主板上加一铁磁材料制成的屏蔽盒，从而起到内外互不干扰的目的。

四、从搭接和接地技术方面解决电磁兼容性控制关键技术

搭接是指导体间的低阻抗连接，只有良好的搭接才能使电路完成其设计功能，使干扰的各种抑制措施得以发挥作用，而不良搭接将向电路引入各种电磁干扰。因此在电磁兼容设计中，必须考虑搭接技术，以保证搭接的有效性、稳定性和长久性。电缆连接器与设备壳体的搭接能使电缆屏蔽获得最佳效果。如果没有搭接措施，或者搭接不良，连接器屏蔽效能将大为降低，不利于全部电缆的屏蔽完善性，不利于维持电缆的低损耗传输性。在一些永久性搭接处，为了保护搭接体，我们在接缝表面进行附加涂覆（涂油漆或电镀）。

接地技术是电磁兼容技术中的一项重要技术，也是任何电子、电气设备或系统正常工作时必须采取的重要技术。它不仅是保护设施和人身安全的必要手段，也是抑制电磁干扰，保障设备或系统电磁兼容性，提高设备或系统可靠性的重要技术措施。

接地是电子设备工作所必需的技术措施。接地有安全接地和信号接地，同时接地也引入接地阻抗及地回路干扰，事实证明接地设计对各种干扰的影响是很大的。因此，在电磁兼容领域中，接地技术至关重要，其中包括接地点的选择，电路组合接地的设计和抑制接地干扰措施的合理应用等。

我们在设计时将电源地与数字信号地用光电耦合器隔开，光电耦合器的原理图如下图所示。

发光二极管发光的强弱随电路1输出信号电流的变化而变化。强弱变化的光使光电晶体管产生相应变化的电流，作为电路2的输入信号。光电耦合器完全切断了两个电路的地回路。这样，两个电路的地电位即使不同，也不会造成干扰。

在实际设计时我们将模拟信号地和数字信号地分别设置，直流电源地和交流电源地分别设置。放大器与信号源的接地点采用一点接地这样就剔除了电压的干扰。

五、从线路板设计方面解决电磁兼容性控制关键技术

为了得到更好的EMC特性，去耦电容尽可能地靠近每个集成块，因为布线阻抗将减少去耦电容的效力。我们通常将两个去耦电容并联，这样不仅能提供更宽的频谱范围，而且能提供更宽的布线以减少引线自感，因此也就能更有效的改善去耦能力，两个电容的取值应相差两个数量级以提供更有效的去耦（如0.1uF+0.001uF并联）。在器件选择方面我们首选表面贴器件，因为表面帖器件有更小的安装面积和更低的安装位置，因此有更好的EMC特性。

布线是印刷电路板电磁兼容设计的关键技术。合理的导线宽度，采取正确的布线策略，如加粗地线、将地线闭合成环路、减少导线不连续性、采用多层PCB等。在物理板和主控板的PCB设计时我们采用4层布线，第1层为信号层，第2层为接地平面层，第3层为电源平面层，第4层为信号层，我们将电源平面靠近接地平面，并且安排在接地平面之下，这样可以利用两金属平板间的电容作电源的平滑电容，同时接地平面还对电源平面上分布的辐射电流起到屏蔽作用。加粗地线和电源线，导线采用45°角的路径，并且大面积铺地，将相同的电源大面积连在一起。在PCB布线时我们是首先确定元器件在板上的位置，然后布置地线、电源线，再安排高速信号线，最后考虑低速信号线。元件的位置按电源电压、数字及模拟电路、速度快慢、电流大小等进行分组，以免互相干扰。电源线尽可能靠近地线以减少差模辐射的环面积，也有助于减少电路的交扰。

六、结束语

本文在监护仪的传输通道抑制上从五个方面讨论了监护仪的EMC技术，由于从电路设计一开始我们就充分考虑了电磁兼容性控制关键技术，从而大大缩短了监护仪的设计时间，节约了监护仪的生产成本，今后我们设计电子产品要全方位考虑，其中电磁兼容性是我们首先要考虑的问题。

参考文献：

[1]Mark I.Montrose著，刘元安等译，电磁兼容和印刷电路板，人民邮电出版社.

[2]华成英、童诗白主编，模拟电子技术基础，高等教育出版社.

[3]周志敏、纪爱华，编著电磁兼容技术，电子工业出版社.

作者简介：

彭卫民（1974-），男，汉族，湖南省双峰县人，1999年哈尔滨理工大学本科毕业，2008年哈尔滨工业大学电子与通信专业在职研究生，现就职于深圳市杰纳瑞医疗仪器有限公司。