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电磁兼容

归档日期:07-01       文本归类:防止干扰      文章编辑:爱尚语录

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  电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。

  在国际电工委员会标准IEC对电磁兼容的定义为:系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作,同时不会对其他系统和设备造成干扰。

  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的过程中不受周围电磁环境影响的能力。

  电磁兼容(electromagneticcompatibility)各种电气或电子设备在电磁环境复杂的共同空间中,以规定的安全系数满足设计要求的正常工作能力。也称电磁兼容性。它的含义包括:

  ②电子系统或设备在自然界电磁环境中能按照设计要求正常工作。若再扩展到电磁场对生态环境的影响,则又可把电磁兼容学科内容称作环境电磁学。

  电磁兼容的研究是随着电子技术逐步向高频、高速、高精度、高可靠性、高灵敏度、高密度(小型化、大规模集成化),大功率、小信号运用、复杂化等方面的需要而逐步发展的。特别是在人造地球卫星、导弹、计算机、通信设备和潜艇中大量采用现代电子技术后,使电磁兼容问题更加突出

  各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响,在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。

  20世纪80年代兴起的电磁兼容EMC学科以研究和解决这一问题为宗旨,主要是研究和解决干扰的产生、传播、接收、抑制机理及其相应的测量和计量技术,并在此基础上根据技术经济最合理的原则,对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定,使处于同一电磁环境的设备都是兼容的,同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。

  进行电磁兼容(包括电磁干扰和电磁耐受性)的检测与试验的机构有苏州电器科学研究院、航天环境可靠性试验中心、环境可靠性与电磁兼容试验中心等实验室。

  (1)工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰;(与工作频率有关)

  (2)信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合,或导线之间的互感造成的干扰;

  (3)设备或系统内部某些元件发热,影响元件本身或其它元件的稳定性造成的干扰;

  (4)大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成的干扰。

  外部干扰是指电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰,包括以下几种:

  (2)外部大功率的设备在空间产生很强的磁场,通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统;

  (4)工作环境温度不稳定,引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰;

  从地球表面到人造卫星活动的近千千米空间内处处存在着电磁波,电和磁无时无刻不在影响着人们的生活及生产,电磁能的广泛应用,使工业技术的发展日新月异。电磁能在为人类创造巨大财富的同时,也带来一定的危害,被称为电磁污染,研究电磁污染是环境保护中的重要分支。以往人们把无线电通讯装置受到的干扰,称为电磁干扰,表明装置受到外部干扰侵入的危害,其实它本身也对外部其他装置造成危害,即成为干扰源。因此必须同时研究装置的干扰和被干扰,对装置内部的组织和装置之间要注意其相容性。随着科学技术的发展,日益广泛采用的微电子技术和电气化的逐步实现,形成了复杂的电磁环境。不断研究和解决电磁环境中设备之间以及系统间相互关系的问题,促进了电磁兼容技术的迅速发展。

  在进行电磁兼容设计时要求:①明确系统的电磁兼容指标。电磁兼容设计包括本系统能保持正常工作的电磁干扰环境和本系统干扰其它系统的允许指标。②在了解本系统干扰源、被干扰对象、干扰途径的基础上,通过理论分析将这些指标逐级分配到各分系统、子系统、电路和元件、器件上。③根据实际情况,采取相应措施抑制干扰源,消除干扰途径,提高电路的抗干扰能力。④通过实验来验证是否达到了原定的指标要求,如未达到则进一步采取措施,循环多次,直至达到原定指标为止。

  分为自然的和人为的两种。自然干扰源主要包括大气中发生的各种现象,如雷电、风雪、暴雨、冰雹、沙暴等产生的噪声。自然干扰源还包括来自太阳和外层空间的宇宙噪声,如太阳噪声、星际噪声、银河噪声等。人为干扰源是多种多样的,如各种信号发射机、振荡器、电动机、开关、继电器、氖灯、荧光灯、发动机点火系统、电铃、电热器、电弧焊接机、高速逻辑电路、门电路、可控硅逆变器、气体整流器、电晕放电、各种工业、科学和医用高频设备、城市噪声、电气铁道引起的噪声以及由核爆炸产生的核电磁脉冲等。

  可分为两种:传导干扰和辐射干扰。沿着导体传播的干扰称为传导干扰,其传播方式有电耦合、磁耦合和电磁耦合。通过空间以电磁波形式传播的电磁干扰称为辐射干扰,其传播方式有近区场感应耦合和远区场辐射耦台。此外,传导干扰与辐射干扰还可能同时存在,从而形成复合干扰。

  ①各种人为噪声,如输电线电晕噪声、汽车噪声、接触器自身噪声及导体开台时放电引起的噪声、电气机车噪声、城市噪声等。

  ②共用走廊内各种公用事业设备(输电线、通信、铁路、公路、石油金属管线等)相互间的影响。③

  ④电磁环境对人类及各种生物的作用。其中包括强电线等工频场,中、短波及微波电磁辐射的影响。

  ⑤核电磁脉冲的影响。高空核爆炸产生的电磁脉冲能大面积破坏地面上的指挥、控制、通信、计算机及报系统。

  ⑥探谱(TEMPEST)技术。其实质内容是针对信息设备的电磁辐射与信息泄漏问题,从信息接收和防护两方面所开展的一系列研究工作。

  ⑦电子设备的误动作。为了防止误动作,必须采取措施以提高设备的抗干扰能力。

  ⑧频谱分配与管理。无线电频谱是一种有限的资源,但不是消耗性的,既要科学地管理,又要充分地利用。

  ①使用完善的屏蔽体可防止外部辐射进入本系统,也可防止本系统的干扰能量向外辐射。屏蔽体应保持完整性,对必不可少的门、缝、通风孔和电缆孔等须妥善处理,屏蔽体要有可靠的接地。

  ②设计合理的接地系统,小信号、大信号和产生干扰的电路尽量分开接地,接地电阻尽可能小。

  ⑦系统频率分配要恰当。当一个系统中有多个主频信号工作时,尽量使各信号频率避开,甚至避开对方的谐振频率。

  ⑧共用走廊的各种设备,在条件许可时,应保持较大的隔距,以减轻相互之间的影响。

  由于微电脑的依存度正不断提高,设备的大量使用,复杂了我们的电磁环境,因此外来的干扰如脉冲噪声、放射电磁场、静电、雷击、电压变动等,所引发的误动作产生当机甚至破坏的情形,如无线电的通讯、雷达、大哥大、电视游乐器⋯⋯等,往往干扰到电视,甚至于造成医疗器材使用中的误动作,影响到飞航的安全。

  国际上对于电子、电器、工业设备产品的抗扰性测试日渐重视,且趋向整合以IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)国际规格为测试标准,欧洲共同体率先制定EMC防治法规,于1996年起全面实施抗扰测试。

  三相入力电源在NFB(无熔丝断路器)与变压器间装噪声滤波器(NoiseFilter),此滤波器的输入线愈短愈好。

  开关式电源供应器加装隔离罩以防辐射性发射干扰,滤波器选用器选用π型或T型可抑制宽波段噪声,陶铁磁体(Ferrite)材质可抑制射频噪声。

  电源线两端考虑采隔离接地,以免接地回路(GroundLoop)形成共同阻抗耦合(CommonImpedanceCoupling)将噪声耦合至信号线。

  输入信号线与输出线尽量避免同在一个接头上,如不能避免时应将输入与输出信号错开。

  高频类比信号线采用同轴式隔离线,低频之类比信号线采用绞线,必要时可外加隔离遮蔽,绝不可使用同轴隔离线。

  类比电路干扰以波形失真为主,抑制方法主要在滤波器选用的特性,例如;带宽、频率响应值。

  具干扰性的回路,如时脉、驱动器、交换式电源的ON和OFF、振荡器式控制信号,应加隔离遮蔽。

  各型PCB电路设计尽可能选用低噪声零组件,且须考虑噪声变化与环境温度变化之关系。

  陶铁磁体铁芯(Ferritecore)适用于高频滤波,但须注意经由此线圈负载功率损耗。

  稳压器须考虑抑制线路间共通阻抗耦合(CommonImpedanceCoupling)EMI问题。

  电解质电容器适于清除高涟波(HighRipple)及暂态电压(TransientVoltage)变化。

  动力线的干扰有低压(或瞬间断电)超压及突波,这些干扰通常来自于电力开关的动作、重负载的开与关之瞬间、功率半导体动作、保险丝烧断时、雷电感应…等。

  把突波吸收器装于电路开关和噪声滤波器之间,线与线间,线与接地之间,将能有效吸收突波。

  所谓电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象。而所谓电磁敏感性是指因电磁干扰而引起的设备或系统的性能下降。

  电磁干扰(ElectromagneticInterference),简称EMI,有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰;辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。

  为了防止一些电子产品产生的电磁干扰影响或破坏其它电子设备的正常工作,各国政府或一些国际组织都相继提出或制定了一些对电子产品产生电磁干扰有关规章或标准,符合这些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性EMC(ElectromagneticCompatibility)。电磁兼容性EMC标准不是恒定不变的,而是天天都在改变,这也是各国政府或经济组织,保护自己利益经常采取的手段。

  抑制电磁污染的首要措施是找出污染源;其次是判断污染侵入的路途,主要有传导和辐射两种方式,工作重点是确定干扰量。解决电磁兼容问题应从产品的开发阶段开始,并贯穿于整个产品或系统的开发,生产全过程。国内外大量的经验表明,在产品或系统的研制生产过程中越早注意解决电磁兼容问题,越可以节约人力与物力。

  电磁兼容设计的关键技术是对电磁干扰源的研究,从电磁干扰源处控制其电磁发射是治本的方法。控制干扰源的发射,除了从电磁干扰源产生的机理着手降低其产生电磁噪声的电平外,还需广泛地应用屏蔽(包括隔离)、滤波和接地技术。

  屏蔽主要运用各种导电材料,制造成各种壳体并与大地连接,以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径,隔离主要运用继电器、隔离变压器或光电隔离器等器件来切断电磁噪声以传导形式的传播途径,其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来,切断通过阻抗进行耦合的可能。

  滤波是在频域上处理电磁噪声的技术,为电磁噪声提供一低阻抗的通路,以达到抑制电磁干扰的目的。例如,电源滤波器对50Hz的电源频率呈现高阻抗,而对电磁噪声频谱呈现低阻抗。

  接地包括接地、信号接地等。接地体的设计、地线的布置、接地线在各种不同频率下的阻抗等不仅涉及产品或系统的电气安全,而且关联着电磁兼容和其测量技术。

  系统要发生电磁兼容性问题,必须存在三个因素,即电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备。所以,在遇到电磁兼容问题时,要从这三个因素入手,对症下药,消除其中某一个因素,就能解决电磁兼容问题。

  任何形式的自然或电能装置所发射的电磁能量,能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害,或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害,导致性能降级或失效,即称为电磁骚扰源。一般说来电磁干扰源分为两大类:自然干扰源与和人为干扰源。

  主要来源于大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声。他们既是地球电磁环境的基本要素组成部分,同时又是对无线电通讯和空间技术造成干扰的干扰源。自然噪声会对人造卫星和宇宙飞船的运行产生干扰,也会对弹道导弹运载火箭的发射产生干扰。

  是有机电或其他人工装置产生电磁能量干扰,其中一部分是专门用来发射电磁能量的装置,如广播、电视、通信、雷达和导航等无线电设备,称为有意发射干扰源。另一部分是在完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发射,如交通车辆、架空输电线、照明器具、电动机械、家用电器以及工业、医用射频设备等等。因此这部分又成为无意发射干扰源。

  即传输骚扰的通路或媒介。电磁干扰传播途径一般也分为两种:即传导耦合方式和辐射耦合方式。

  任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径(或传输通道)。通常认为电磁干扰传输有两种方式:一种是传导传输方式;另一种是辐射传输方式。因此从被干扰的敏感器来看,干扰耦合可分为传导耦合和辐射耦合两大类。

  传导传输必须在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器,发生干扰现象。这个传输电路可包括导线,设备的导电构件、供电电源、公共阻抗、接地平板、电阻、电感、电容和互感元件等。

  辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合由三种:1.甲天线发射的电磁波被乙天线意外接受,称为天线.空间电磁场经导线感应而耦合,称为场对线.两根平行导线之间的高频信号感应,称为线对线的感应耦合。

  在实际工程中,两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在,反复交叉耦合,共同产生干扰,才使电磁干扰变得难以控制。

  敏感设备(Victim),是指当受到电磁骚扰源所发出的电磁能量的作用时,会受到伤害的人或其它生物,以及会发生电磁危害,导致性能降级或失效的器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备、分系统或系统既是电磁骚扰源又是敏感设备。敏感设备是对干扰对象总称,它可以是一个很小的元件或一个电路板组件,也可以是一个单独的用电设备甚至可以是一个大型系统。

  (1)设备(equipment)指作为一个独立单元进行工作,并完成单一功能的任何电气、电子或机电装置。

  (2)系统(system)指“若干设备、分系统、专职人员及可以执行或保障工作任务的技术组合”。

  (3)电磁环境(electromagneticenvironment)存在于给定场所的所有电磁现象的总和。

  “给定场所”即“空间”,“所有电磁现象”包括了全部“时间”与全部“频谱”。

  EMC:(Electromagneticcompatibility)电磁兼容性

  EMI:(Electromagneticinterference)电磁干扰

  EMS:(ElectromagneticSusceptibility)电磁敏感度

  RE:(Radiatedemission)辐射骚扰(俗称:电磁辐射、辐射发射)

  CE:(Conductedemission)传导骚扰(俗称:传导发射)

  CS:(ConductedSusceptibility)传导骚扰抗扰度

  RS:(RadiatedSusceptibility)射频电磁场辐射抗扰度

  EFT/Burst:(Electricalfasttransientburst)电快速瞬变脉冲群

  RFI:(RadioFrequencyInterference)无线电频率干扰

  ISM:(IndustrialScientificMedical)工业、科学、医疗用射频设备

  电磁兼容(EMC)分为电磁干扰(EMI)与电磁耐受(EMS),所有电子产品均须符合电磁兼容的一般规定。

  电磁兼容问题在电子、电机、信息、通信等各类产品不断运用高新科技推陈出新之下,除了使用者要求通信质量外,同时也在各国政府积极制定相关规范进行管制之下,更突显出电磁兼容相关问题的重要性与紧迫性。例如,欧洲已加强对进口产品执行后市场检测,造成了许多卡关现象发生。

  确定一个产品会不会影响另一个产品功能的技术仍不是一门精确的科学,且由于产品组合太过复杂,认证机构不可能针对每一种产品组合都进行检测,因而相关主管机关莫不采取从严把关的态度。图1是国际无线电干扰特别委员会(CISPR)针对每个国家所发射的电磁干扰所制定的标准。CISPR是国际电工委员会(IEC)的特别委员会。

  作为全球两大电子产品消费市场,美国和欧洲的认证标准不太一样,简略而言,美国仅要求电磁干扰,而欧洲则还要求符合电磁耐受的规定。

  当电流通过电路时,会产生电磁场。这个电磁场从设备电路向外发射,其强度取决于电流的频率与大小。任何电子电路所需功能以外的多余副产品都被称为电磁干扰。

  前市面上各种先进电子产品的电磁干扰大多来自高频率的数字信号,信号频率越高,产生的电磁干扰就越多。由于美国联邦通信委员会(FCC)与其它监管机关严格规定每个电子产品的电磁干扰上限,以确保电子产品不会互相干扰,因此上述情况将会产生严重问题,只要产品想销往美国,就必须符合FCC制订的电磁干扰认证标准。

  在美国境内销售电子产品,FCC要求必须经过在电磁干扰范围的特定环境下测量其电磁干扰。这些产品在特定的频率波段中,必须让其电磁辐射远低于特定值。

  FCC提供了两种等级的辐射层级:A等级与B等级(表2)。A等级的产品是适用于商业、工业与工作环境的数码产品,而非消费者日常或在家使用的产品;B等级的数码产品则不仅适合家用,也可在其它环境下使用。大致来说,B等级的标准较A等级更为严苛。

  表1列出内容,规定A等级产品的电压层级为10米,B等级电压层级为3米。假设待测物(DUT)超过这些限度,则多余能量必须降至表2所列出的限度以下。如果电磁干扰能量只是刚好低于规定限度是非常危险的,因为这些能量会由于制造过程与环境的改变稍微提高。特别指出的是,在第五谐波上降低过量的特定干扰频率是件十分困难的事情,如果企业强行将安全限度提升至4dB,则将使问题更加严重。

  欧洲方面,有关电信产品的电磁兼容规定可参考欧洲电信标准协会(ETSI)公告的文件。ETSI是一个负责制定欧洲电信标准的非营利组织,其所制定的标准被很多国家所参考采用,例如中国。

  ETSI所公告的文件中有关电磁兼容的一般规定为EN301489一1,内容除电磁干扰的规定外,还有电磁耐受的规定,主要是检测产品在各种电磁干扰环境下能否正常工作。测试内容包括:

  辐射耐受性测试(RadioFrequencyElectromagneTIeField):主要为仿真无线电波、电台信号对产品的影响;

  静电测试(ElectrostatieDiseharge):主要为模拟人体所带静电或手持工具对产品的影响;

  电性快速瞬时干扰耐受测试任(FastTransients,commONMode):本试验目的为验证产品的电源线,信号线(控制线)遭受重复出现的快速瞬时脉冲时的耐受程度;

  电磁传导耐受测试(RadioFrequency,commonMode):本试验为验证产品对射频产生器通过电源线传导的噪声耐受程度;

  电压瞬断变异耐受测试(VoltageDIPsandInteruptions):本试验为验证产品通过电源线仿真电压变化的耐受程度;

  雷击耐受性测试(Surges):本试验为针对产品在操作状态下,电源线或通信端口承受开关或雷击瞬时过电压/电流突波的耐受程度

  EN61000-4-13(Harmonic&interharmonics)谐波、谐间波抗干扰

  CISPR15:2005电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法

  GB/T26256-20102.4GHz频段无线电通信设备的相互干扰限制与共存要求及测试方法

  钱照明,陈仲,程钧培等. 《中国电气工程大典》[M]中国电力出版社,2009.

  胡崧生. 电磁兼容设计[J]. 火炮发射与控制学报, 2001(2):41-45.

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