浅析电磁兼容技术及其实现措施

冯伟明 杨艳锋

中国电子科技集团公司第三十四研究所 广西 桂林 541004

引言

自20世纪中期开始，电子技术迅速兴起并得到了高速发展。各种新型电子设备和新技术促进了人类社会的快速发展，同时社会信息的井喷式增长和信息实时价值的极大提高，也促进电子设备和新技术不断向小型化和高速率等方向快速发展。为保证电子设备在复杂环境中长期稳定可靠的运行，电子设备的电磁干扰问题是众多问题中必须解决的一个问题[1-2]。从应用行业分析，电子设备不仅应用于电器、电力电子、医学等传统行业，也广泛应用于航空航天、通信、计算机等新兴行业。从应用场景分析，电子设备不仅应用于人机交互密切的办公环境，也应用于各类装置云集、遍布各类大功率设备、电磁环境复杂的工业环境，还应用于需要防御雷电等危害的野外环境。为了保证电子设备在不同环境中稳定可靠的工作，需要考虑设备的电磁兼容性问题。

本文首先介绍了电磁兼容的概念；分析了电磁干扰对电子设备和人体健康带来的危害；介绍了电磁兼容技术和电磁兼容三要素，并从电磁兼容三要素出发列举了部分电磁兼容实现的主要措施。最后对典型工业环境中的电快速瞬态脉冲群干扰产生的机理、试验方法和预防措施进行了浅析。

1 电磁兼容的概念

电磁兼容是指设备或系统在电磁环境中性能不降级的状态。电磁兼容，一方面要求设备或系统内部没有严重的干扰源，一方面要求设备或系统自身具有一定抗电磁干扰的能力。电磁兼容是一门新兴的综合性边缘学科，它主要研究电磁波辐射、电磁干扰、雷击、电磁屏蔽、电磁材料等方向[3-4]。

电磁兼容包括电磁干扰和电磁敏感度。电磁干扰是指电子设备自身工作过程中产生的电磁波，对外传导辐射，从而对设备自身或系统其他部分的设备仪器等造成干扰。电磁敏感度是指设备受到电磁干扰的敏感程度，越敏感的设备，越容易受到干扰。从某种意义讲，正是因为有了电磁干扰才会有电磁兼容，电磁敏感度达标才能实现电磁兼容。

1.1 电磁干扰

电磁干扰可以分为自然干扰和非自然干扰，其中自然干扰主要由各种自然现象所造成，而非自然干扰则是由于人类生产相关的活动产生的。

电磁干扰会通过空间辐射或者线缆传导的形式，对一定空间环境内的电子设备或有电气线路连接的同一系统内的电子设备造成干扰，对所有设备造成干扰，具有高电压、较强辐射和大能量特点的干扰，会对暴露在该环境中的人身健康造成危害。

实验室环境下对设备电磁干扰的测试主要包括：辐射发射、传导发射、谐波和闪烁。

1.2 电磁敏感度

电磁敏感度是指设备或系统受到电磁干扰时，设备功能和性能发生变化的程度，它是检验设备或系统抗干扰能力强弱的。考核设备和系统电磁敏感度指标的试验和测试主要包括：静电、瞬态脉冲干扰、电压跌落、传导抗扰、浪涌雷击和工频磁场抗扰度等。工业环境常见的干扰有

1.3 电磁干扰对电子设备和人身健康的危害

人类周围布满了各种各样的电子设备，每个人都不可避免地暴露在各种电磁辐射中。当电磁告干扰的强度超过人体所能承受的限度时，就会导致健康风险。电磁辐射能量通过对人体组织器官的作用而产生伤害，而静电和雷击等会直接造成人身危害[5]。

自然干扰对电子设备和人身健康的危害主要包括：大气层的天电噪声和地球外层空间的宇宙噪声对高频信号的干扰、沉积静电对电子设备和人身健康可能造成一定损害和危害，以及雷电等对电子设备和人身健康可能造成较大损害和危害。

非自然干扰对电子设备和人身健康的危害主要是指：电力、电子等设备工作时对外辐射传导的电磁干扰等，可能对自身或者周边环境内的电子设备和人身健康造成一定危害或者永久的损害等。

2 电磁兼容技术

2.1 电磁兼容技术的内容

电磁兼容技术主要是实现某一环境中设备、系统、配套设施和人的一种兼容共存，将该环境中每一个组成部分看成一个因素，环境中某一因素的正常运转不会导致其他因素出现不被期望的状态，环境中偶尔存在或长期存在的、无法避免和消除的不利影响，不会导致整个环境中任何一个因素出现停工或者损坏。

电磁兼容技术的研究紧密围绕电磁干扰三要素——干扰源、耦合途径和敏感设备进行。电磁兼容技术的研究内容可概括为：电磁干扰产生的机理和电磁干扰源的特性，以及如何从机理和源头上减弱甚至消除防干扰；电磁干扰的传播途径，以及如何在这些传播途径上减弱干扰甚至切断这些传播通道；研究敏感设备对干扰产生的响应，以及如何增强其抗干扰的能力。

2.2 电磁兼容三要素

2.2.1 电磁干扰源。任何形式的自然或者电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或者其他生物受到伤害，或使其他设备、分系统或系统发生电磁危害，导致性能降低或失效，即称为电磁干扰源。表征电磁骚扰源的特性主要有：规定带宽下的发射电平、频谱宽度、波形、出险率、辐射骚扰的极化特性、辐射骚扰的方向特性等。

2.2.2 耦合途径。耦合途径即传输电磁骚扰的通路或媒介。电磁干扰耦合的途径主要包括传导耦合、共阻抗耦合、电感应耦合、磁感应耦合和辐射耦合[6]。

2.2.2.1 传导耦合。导线经过有干扰的环境，即拾取干扰信号并经导线传导到电路而造成对电路的干扰，称为传导耦合，或者叫直接耦合。在音频降和低频的时候，由于电源线、接地导体、电缆的屏蔽层呈现低阻抗，电流注入这些导体时容易传播，当噪声传导到其他敏感电路时，就能产生干扰。在高频的时候，导体的电感和电容将不容忽视，感抗随着频率的增加而增加，容抗随着频率的增加而减小。

2.2.2.2 共阻抗耦合。当两个电路的电流经过一个公共阻抗时，一个电路的电流在该共用阻抗上形成的电压会影响另一个电路。

2.2.2.3 电感应耦合。干扰电路的端口电压会导致干扰回路中的电荷分布不均匀，分布不均匀的电荷产生的电场会部分经过其他电路，当电场发生变化时，其他电路的单元回路中就会形成感应电流，当感应电流较大时就会影响其他电路的正常工作。

2.2.2.4 磁感应耦合。干扰回路中电流产生的磁通会部分经过其他电路，当磁通变化时，会在其他电路中形成感应电压，当感应电压较大时就会影响其他电路的正常工作。

2.2.2.5 辐射耦合。辐射源向自由空间传播电磁波，感应电路的两根导线会像天线一样接收电磁波，形成干扰耦合。干扰源距离敏感电路较近时，如果辐射源有低压大电流流过，则磁场起主要作用；如果辐射源有高压小电流流过，则电场起主要作用。

2.2.3 敏感设备。敏感设备是指当受到电磁干扰源所发射的电磁能量的作用时，会受到伤害的人或其他生物，以机会出现电磁危害，导致性能降低或失效的器件、设备、分系统或系统等。许多器件、设备、分系统或系统可以既是电磁干扰源又是敏感设备。

2.3 电磁兼容实现措施

从电磁兼容三要素出发，为实现电磁兼容技术，主要有如下的处理措施。①针对传导耦合，有效措施是阻止导线的感应噪声，采用适当的屏蔽将导线隔离，或者在骚扰进入导线之前，用滤波的方法将其减弱到可接受水平或消除。②针对共阻抗耦合，有效措施是优化电路设计，改善电路的瞬态特性，增大电路的感抗，条件允许的时候，直接进行电路隔离。③针对电感应耦合，有效措施是减小敏感电路的阻抗，改变导线本身的屏蔽性或对敏感电路进行隔离。④针对磁感应耦合，有效措施是通过屏蔽、垂直走线或者增大距离的方法，尽量减少两导线之间的互感。⑤针对辐射耦合，有效措施是保证敏感电路或设备良好的屏蔽和有效的接地，可以采用金属机箱和多点接地的方式来降低干扰。

3 电快速瞬态脉冲群抗扰度试验

电快速瞬态脉冲群抗扰度试验也属于电磁兼容性试验中的一项测试。对于工作在典型工业环境中的电子设备，设备的供电电源端口、信号、控制和接地端口都可能会受到电快速瞬变脉冲群的干扰。GB/T 17626涉及电气和电子设备对重复性电快速瞬变脉冲群的抗扰度要求和试验方法。

3.1 干扰产生的机理

典型工业环境中没有对电源端口进行特殊的防护，在切换瞬态过程时会产生瞬变骚扰，特别是切断大功率感性负载、电源控制继电器触点的弹跳，都会产生电快速瞬态脉冲群。

电快速瞬态脉冲群产生的机理为：对于感性负载，进行切换前电感中储存有一定的能量，切断后电感中的能量会以瞬变的形式进行释放；电源控制继电器触点的弹跳会产生高频的开关操作，同样会产生电快速瞬态脉冲群，触点切换的速度和切换后开路情况下触点的耐压能力等会影响瞬变电压的幅度。

3.2 试验方法

按照如图1所示的电快速瞬态脉冲群抗扰度试验框图，连接受试设备和测试仪器等，进行电快速瞬态脉冲群抗扰度试验。

图1 电快速瞬态脉冲群抗扰度试验框图

耦合方法：使用规定尺寸和特性的耦合夹，在与受试设备线路没有任何电源连接情况下，以共模形式将骚扰信号耦合到受测试设备的线路上。

耦合网络：用于将能量从一个线路传送到另一个线路的电路。

去耦网络：用于防止施加到受试设备上的电快速瞬变电压影响其他不被试验的仪器、设备和系统等。

3.3 预防措施

由于电快速瞬变会由电容耦合感应来传递，将供电线缆和信号传输线缆进行良好的屏蔽和接地，可以有效预防电快速瞬变。电快速瞬变干扰会被屏蔽层阻隔而不会对屏蔽层内的电源和信号造成干扰，同时良好的接地可以将干扰传输到大地，有效消除干扰。

4 结束语

目前，针对电磁兼容技术的研究越来越多，例如，针对干扰源的相关研究、基于干扰耦合途径的研究，以及针对敏感设备电磁防护的研究等，各研究方向普遍针对电磁兼容技术中的某一点进行了研究分析以及相对应的整改和预防措施，要保证小型化和更高频率电子产品在高度集中和电磁干扰复杂的环境中稳定运行，该领域仍存在很大的研究和发展空间。