电磁兼容危害分析及整改措施

2024-02-05梁乐波李荣跃杨天福丁协宾

科技创新与应用 2024年5期

梁乐波李荣跃杨天福丁协宾

摘要：电磁兼容主要解决的是2个方面的问题，电磁骚扰（EMI）和抗电磁干扰（EMS）。所谓EMI是指产品自身运行中不对其他系统或产品产生危害的干扰；而EMS是指产品运行过程中不受周围电磁环境的影响，并且能够完成预定的功能。无论是产品工作对其他系统的危害还是受到周围环境对自身的影响，如果不采取相应的措施，轻则会导致产品工作异常，而严重的情况将会导致重大的事故，因此需要解决电磁兼容中存在的问题。该文首先介绍EMI以及EMS原理及传导方式，说明EMI及EMS之间的关系；随后，通过相关案例介绍电磁的危害以及后果；根据电磁危害的方式，提出相应的设计及整改措施，为产品的设计、整改提供参考依据。

关键词：电磁兼容；电磁干扰；危害；产品设计；整改措施

中图分类号：TN03 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）05-0141-04

Abstract： Electromagnetic compatibility mainly solves two problems： EMI and EMS. The so-called EMI refers to the interference that does not harm other systems or products in the operation of the product itself， while EMS means that the operation of the product is not affected by the surrounding electromagnetic environment and can complete the predetermined function. Whether it is the harm of product work to other systems or the impact of the surrounding environment on itself， serious cases will lead to major accidents if no corresponding measures are taken， and the light work will lead to abnormal product work. Therefore， it is necessary to solve the problems in electromagnetic compatibility. This paper first introduces the principle and conduction mode of EMI and EMS， and explains the relationship between EMI and EMS， then introduces the harm and consequence of electromagnetic through relevant cases， and puts forward the corresponding design and rectification measures according to the way of electromagnetic hazard， so as to provide reference basis for product design and rectification.

Keywords： electromagnetic compatibility; electromagnetic interference; harm; product design; rectification measures

随着通信技术的提升、智能化的发展，越来越多的电子控制技术、人工智能技术投入到各行各业，而这些高速通信、先进的控制及智能处理，都是以电子板卡作为母体进行各种运算，实现各种功能。5G通信的高速数据处理、人工智能的大量运算会带来巨大的吞吐量，将会产生大量的电磁兼容性问题，因为在既往的4G以下的通信技术及数据处理以及相关常用的设备，都会衍生电磁兼容性问题。张晨等[1]按照GB/T 32960.2—2016《电动汽车远程服务与管理系统技术规范第2部分：车载终端》对某车载终端的电源线进行电瞬态传导抗扰度及辐射发射检测中发现，装置或系统在施加骚扰期间和之后均不能正常执行预先设计的所有功能；吴小春等[2]对某驱动分系统进行电磁兼容性测试时发现，电源线传导发射不合格以及电磁辐射测试出现超标频率点的问题；朱宝杰等[3]对某机载电子设备进行电磁测试，发现电源线传导发射在指定频率范围内超出限值的50%，同时电缆及互连线的辐射干扰场在100～6 000 MHz的频率范围内均有不同程度超标；傅林[4]在使用某通信车短波电台呼叫时，电话机能够听到几乎无衰减的话音，造成话机不能够正常工作，经过检测分析发现是由于交换机造成场线耦合干扰导致；马方驰等[5]在车载娱乐系统的电磁测试发现，RE测试出现频率超标以及RI测试扬声器在1.3～1.5 GHz中无输出。

电磁干扰问题存在于我们生活中的方方面面，电磁干扰可以导致产品自身的功能失效，而某些产品的功能在执行某些任务时出现失效会导致重大安全及人员的危害。因此，从电磁干扰产生的原理到传导方式，分析及设计相应的整改措施，为产品的电磁兼容性提供指导。

1 电磁兼容原理及傳导方式

电磁兼容（EMC）主要包括2个方面的要求[6]，分别是电磁骚扰（EMI）和抗电磁干扰（EMS）。EMI主要是指产品自身在工作的时候对周围的环境所产生的电磁噪声。一般根据产品类型、使用范围等，会制定相应的法规和标准去规定产品的EMI不能超过某些限值。一般主要研究以下几种电磁骚扰：①以线缆为传导途径的骚扰方式，主要通过产品的电源线、信号线、通信线及控制线等的传导途径向外产生的传导骚扰；②通过电磁效应导致，一般通过空间电磁场向外产生的辐射骚扰；③接入电网的产品在开机和关闭的过程中由于感抗或容抗效应对接电网络衍生出谐波、电压波动、闪烁等。

EMS又指电磁敏感性，是指产品工作过程中对周围环境的电磁骚扰产生一定的抗干扰的能力。而评价产品的是否具有抗干扰能力，要依据产品具体的使用环境、产品自身的功能性能、工作方式等方面去评估。而应对的电磁的干扰主要是以下几个方面：①抵抗从产品电源线、信号线、通信线以及控制线作为传导途径的外来干扰；②抵抗其他产品周围环境存在电磁场导致的辐射骚扰；③由于外界的静电放电对产品本身带来的电磁干扰。

EMI和EMS分别指产品自身的对外界的干扰以及自身可以承受的干扰能力，电磁兼容主要解决的就是各种电气设备在同一个环境中相互兼容，同时做到互不影响。而无论是EMI还是EMS，主要包括电磁传导、电磁感应和电磁辐射3种方式[7]。传导指从任何可接触的部位，如产品的线缆，板卡的管脚等；而电磁感应是指电是指因磁通量变化产生的干扰，如产品中的感性效应；电磁辐射主要是周围环境的电磁场对产品自身的干扰。无论是何种方式的电磁干扰，都需要通过设计、试验及整改进行完善，进而达到与周围环境的兼容合一。

2 电磁危害及相关研究

电磁的危害存在于生活中的方方面面，随着5G等快速通信技术发展，电磁的危害愈发严重。而电磁的影响主要与电子产品相关，本文从与电磁干扰密切相关的通信领域，与人出行相关的智能交通，与健康相关的医疗器械等几个方面对电磁的危害进行阐述。

2.1 通信相关电磁危害研究

通信领域使用最多的是通信设备，如手机、基站等，这些主要是射频相关的电磁特性。陈恒勤等[8]在文章中说明，世界各国对移动通话的电波频率及功率在动物和人体细胞的培养基上进行了相关试验，研究表明无线电波能使遗传分子DNA破裂成几部分，引起皮肤癌或脑癌、早期老年痴呆症、白内障等疾病；并且说明射频电磁波主要是通过热效应使器官的温度产生变化，导致病变以及非热效应引起的神经系统功能紊乱等。因此，电磁干扰在某种程度上，对人体健康还是有一定的影响。温伯银[9]在文中阐述了信息通信中由于谐波电压、谐波电流和电磁干扰使电能质量迅速恶化，而这些干扰中尤其以电源产生的干扰最为突出，表1列出常见的电磁干扰类型及起因。

绝大部分是使用计算机系统进行信息传输与控制，而计算机经常以三相供电系统中的中性线电压为相对零点，当中性线上承受谐波类的电磁干扰时，中性导线的阻抗会产生大的中性线电压降，出现零点漂移。而计算机系统在有谐波干扰时出现程序错误、数据传输错误、时序措施、无故重启，甚至对设备造成永久性损坏。

2.2 交通领域电磁危害研究

目前，国内交通出行方式众多，包括汽车、轨道、飞机等等。随着智能化的发展，这些交通工具增加了更多的电控设备，同时也带来了更多的电磁隐患。张剑锋[10]对ZPW 2000A轨道电路系统产生的EMI及其危害进行了分析，ZPW 2000A轨道电路系统与其他的轨道信号系统处在同一个工作环境中，并且其中的列控系统、集中监测系统和电源屏都和ZPW 2000A相连，轨道电路的EMI处理不当，可通过通信线缆将干扰传递到列控，使得轨道铁路和列控之间的数据包会被列控认为是无效数据而被丢弃，影响列车正常运行；刘少林[11]在文中介紹了城市轨道交通变电所的电磁危害，分析了城市轨道交通电磁干扰的来源。变电所内部的断路器、隔离开关等高压设备在开关动作时，由于负载的感性或容性效应，会在通过负载时产生瞬态的高压或电流，这种突变电流会产生强大的磁场，对周围的电子设备带来电磁骚扰；同时变电所中的二次设备电压布线集中，当元器件及布线未增加电磁屏蔽措施，造成强弱回路交错，线路间由于电容或电感耦合，干扰信号窜进弱电回路，对信号产生电磁干扰。

2.3 医疗领域电磁危害研究

目前，大量的电子设备被应用于医疗产业中，从超声扫描到核磁共振，都需要电子设备进行控制。同时，电子治疗设备，诸如电子心脏起搏器、电子输液泵等，也广泛应用于医疗行业中。随着5G通信技术，为方便信息的传输和处理，医院广泛地应用了无线通信网络、无线掌上设备等，这些电子设备对医用治疗设备产生了干扰。张楠等[12]对医疗环境中的电磁干扰对医疗设备的危害进行了研究，EMI会导致诊断用设备产生错误的结果，比如心电图机、呼吸机的显示波型发生变化，电子监示器产生错误的报警信号，严重的甚至引起诸如心肺复苏机停止工作，从而危及患者生命安全。

3 电磁兼容整改措施

针对电磁兼容中存在的诸多问题，也形成了相关的设计及整改措施，而无论多么复杂的设备，其电磁兼容问题都是从骚扰源、耦合路径以及敏感设备3个方面入手[13]。下面从这个3个方面进行阐述相关设计整改方法。

3.1 源头电磁问题整改

从电磁骚扰源解决电磁骚扰的根本思想就是在允许的范围内降低骚扰源骚扰，减弱骚扰源的方法是增加去耦电容和在保证信噪比和灵敏度不变的情况下增加衰减器[14]。一般采用电容去降低骚扰源的电磁干扰，图1是对电子系统的EMC测试中，对于RE测试超标的频点是由时钟信号以及谐波干扰导致的辐射超标，针对这样的问题，在时钟线增加了搭接电容和磁珠，解决了RE测试超标的问题，详细如图1所示。

3.2 耦合路径电磁兼容问题整改

电子产品正常工作需要通过电源线、通信线以及控制线路等完成能量传输以及信息的处理，因此电磁干扰通过各种线缆耦合的问题最多。高荣山[15]对某设备电源线传导发射发现，CE102传导发射测试在100 kHz以下有2个超过极限值的频点，通过分析确定100 kHz以下干扰主要为差模传导干扰，通过在电源交流输入火线和零线上各串联一个铁粉芯绕制电感，电感值约l uH，同时增加一级共模抑制器，最终测试合格。

而对于电子系统中信号线上电平突变会导致RF能量超限，在信号线上并联电容同时通过对信号边沿使用傅里叶变换分析，减少了RF能量，使得EMI干扰得到了改善，电容对信号电平改进如图2所示。

信号由突变变得平缓，是由于电容的充放电而导致，图3为电容减缓时钟突变的典型连接图，而对于电容的选择，一般根据戴维南等效电路进行计算电容大小，假设滤波的最高频率为fmax，则电容计算公式如下

3.3 敏感设备电磁兼容问题整改

电磁敏感设备是指即使有轻微的功率波动、电源变化，都有可能会导致这些设备输出异常，发生故障甚至损坏。尤其是医疗设备，如MRI机器、X光机和其他诊断设备等医疗设备需要稳定可靠的电源。任何功率波动都会影响读数的准确性，并可能伤害患者。而对医用电子电气设备电磁測试中出现的问题，通过在按键和屏幕处增加抗静电薄膜，降低由于接触导致的静电放电损伤；同时在设计时增加TVS管，对静电电压进行吸收和屏蔽，消除静电已经传导骚扰。对这些增加防护以及设计上进行预防的，依据相关标准进行测试，针对传导测试不合格的问题通过更换合适的滤波器进而解决。

4 结束语

本文介绍了电磁兼容的原理以及传导方式，说明电磁主要是解决EMI和EMS的问题；同时分析研究了电磁干扰对现实生活中危害怕，同时针对电磁干扰问题，阐述了如何从源头、耦合路径以及敏感设备解决电磁干扰的问题。通过电磁兼容原理、危害以及整改的研究，为电子产品电磁防护设计提供了参考，为相关设计及测试人员解决电子产品电磁问题提供了参考。

参考文献：

[1] 张晨，邱振宇.某24 V系统车载终端电磁兼容测试和整改[J].安全与电磁兼，2019（1）：75-77.

[2] 吴小春，徐博.某驱动分系统的电磁兼容分析与整改[J].通信电源技术，2022（1）：17-21.

[3] 朱宝杰，王小波.某机载电子设备的电磁兼容试验分析[J].电子与通信技术，2022（9）：145-148.

[4] 傅林.通信车电磁兼容问题整改案例[J].安全与电磁兼容，2014（1）：67-69.

[5] 马方驰，高京.车载娱乐系统的电磁兼容性整改[J].汽车电器，2015（12）：19-21.

[6] 张君.电磁兼容标准解析与整改手册[M].北京：电子工业出版社，2015.

[7] 安辉，王宾.电磁兼容检测分析及优化整改思路[J].流体测量与控制，2022（6）：43-45.

[8] 陈恒勤，张克林.通信机射频电磁辐射的危害及预防[J].警察技术，1998（1）：42-43.

[9] 温伯银.谐波的危害及抑制措施[J].建筑电气，2006（3）：4-10.

[10] 张剑锋.ZPW-2000A轨道电路系统电磁干扰及危害分析[J].铁道通信信号，2015（51）：122-124.

[11] 刘少林.城市轨道交通变电所电磁干扰防护措施[J].城市轨道交通研究，2018（7）：58-60.