简述电磁兼容实例分析及抑制策略

 

　　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。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（Electromagnetic Compatibility）。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。

　　1  实现电磁兼容的前提条件

　　电磁兼容设计主要包括接地设计、屏蔽设计、滤波设计方面的知识。地线分为安全地、交流地、直流地、数字地、模拟地、机壳地、防雷地等，地线从电压概念说是提供一个等电位体，从电流概念上说是提供一个电流通路。地线阻抗决定了线路的抗干扰性，其中导线阻抗决定了地线的电位差，回路阻抗决定了实际的地线电流，地环路的存在是电路受干扰的主要原因，减小地环路的面积，降低对线路的影响，使用屏蔽线或同轴电缆都可能减小信号回路的面积，从而达到降低干扰的影响。地线电流总是走地线阻抗比较小的路径，高频低频时线路的阻抗是不一样的，可以根据需要设计信号路径。多层板比双层板的抗干扰性要好，因为多层板有专门的地层和电源层，保证每个信号回路都具有的信号回路面积，如果是双层板，铺地线网格，来保证的回路面积。

　　如果一个系统或设备符合下面三个条件，该系统或设备称之为电磁兼容：（1）对其他系统或设备不产生干扰；（2）对其他系统或设备发射不敏感；（3）对系统或设备本身不产生干扰[21.

　　要想实现以上三个基本条件，首先要弄清楚电磁干扰发生的必备条件，任何一个电磁干扰的发生首先应该具备以下条件：有干扰源（一般分为自然干扰和人为干扰两种）、有传播干扰能量的途径和通道（一般传播方式有两种，一种是传导耦合方式；另一种为辐射耦合方式）、同时还必须有被干扰对象（即敏感设备）的响应。这三个电磁干扰条件也可称之为电磁干扰三要素圈，缺一不可。

　　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。直到目前为止，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的科学，且由于产品组合太过复杂，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。

　　2  电磁干扰耦合路径

　　电磁干扰是人们早就发现的电磁现象，它几乎和电磁效应的现象同时被发现，1981年英国科学家发表"论干扰"的文章，标志着研究干扰问题的开始。1989年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使干扰问题的研究开始走向工程化和产业化。自从电子系统降噪技术在70 年代中期出现以来，主要由于美国联邦通讯委员会在1990 年和欧盟在1992 提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要求各个公司确保它们的产 品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。

　　如：雷电冲击源通过电源线传人到达对象的干扰；设备或系统内部某些元件发热，直接影响元件本身或其它元件的稳定性而造成的干扰；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成的干扰。而辐射传输方式是指通过电磁源空间传播到达敏感设备的干扰。如输电线路电晕产生的无线电干扰；电磁波对电子线路或系统产生的干扰；外部高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统等等。因此，对干扰耦合路径的深入研究，是制定抗干扰的有力措施，同时，对消除或抑制干扰有着重要的意义。

　　3  典型电磁兼容实例分析及处理方法

　　（1）当仪器需要在某个频率上输出时（如输出频率为50Hz），仪器内部的信号产生部分，利用精密振荡器式数字合成法，产生了一个极其稳定准确的 50Hz交流信号，这个信号根据要求经过信号通道进行处理，通过功率放大器放大输出。此时，给稳压电源供电的电源，即我们日常使用的电源频率同样也是50Hz,但有士0.5Hz的允许偏差范围，且稳定性不好，经常出现漂移，当它转换成直流给稳压电源供电时，通过各种途经串人稳压电源的信号通路，与仪器产生的50Hz信号混合在一起，由于它们频率相近，但又不完全相等，即出现拍频现象，干扰稳压电源的正常工作。

　　处理方法：采用的专线供电法，采用专用发电机供电，使供电频率与稳压电源输出频率不同，以避开差拍影响。还可靠提高工艺水平来避免差拍的。由于电网干扰仪器的途经和因素太多，如布线、屏蔽、信噪比、负反、接地等众多的因素都必须考虑到，所以此种方法实施起来很麻烦，不易做到。其次，采用使仪器的输出频率跟踪在电网频率上的方法，当电网频率有变化时，输出频率也随之改变，保持输出频率始终与电网频率同频，这样就不会产生拍频。另外，当仪器的输出有拍频干扰时，还可利用电路在放大器的输人端送人-个与干扰信号相位相反，幅值相同的同频信号，利用这个信号去抵消由干扰信号引起的差拍。使仪器输出信号无拍频或拍频干扰很小。如图1所示。

　　首先在仪器的输出端，对带有拍频的输出信号进行采样，将采集到的信号进人精密检波器将差拍信号检出，然后把检出的差频信号进行峰值检波，得到一直流电平并输人到一个控制放大器。控制放大器的输人信号是从电网信号采样后供给的，这个电网信号即仪器的干扰信号。通过人为加人的电网信号，可以抵消原来的拍频干扰，使得仪器输出一个理想的信号。

　　但加人的信号与原来的干扰信号因相位的缘故，产生的结果可能是相抵消，也可能是相迭加的形式。如果加人的信号与原干扰信号同相，则输出的拍频幅度是增加的，经输出采样后，使得放大器的增益更大，进一步加大了输人信号的幅度，也使仪器输出的拍频幅度越来越大。这种结果相当于-个正反馈系统。所以又设计一个同相、反相检测执行单元。在正反馈情况下，拍频输出的幅度越来越大，达到一定的幅度后，检测电路检出，执行电路对加人的信号倒相，达到抵消的目的。对于其它相位状态，可在上述工作后，利用在1800范围内移相的方法、寻找出使输出拍频的相位状态。这里可采用自动移相的方法，当移相到某个相位输出拍频时，锁定该相位，也可以采用手动移相的方法，设置一个手动移相器并进行调谐，使得输出拍频。这种方法简便实用，也可以达到良好的效果。

　　（2）电网存在回路和二次回路，各种测控设备基本都挂在二次回路上运行。由于回路和二次回路存在电、磁的联系，每当开关操作时，电弧的熄灭和重燃引起一系列高频振荡。线路上的电压振荡通过电缆耦合到二次设备上，同时，振荡频率足够高时还会发射电磁波，形成辐射脉冲电磁场，然后通过变压器、互感器及空间耦合等方式传递干扰信号，这些干扰信号其特点是上升时间短、高重复率。

　　处理方法：设计合理的布线方式，在线路上设计良好的屏蔽措施，加装滤波及削峰器件等。对于电力系统的、二级耦合可采用具有抑制能力的互感器，对于设备的供电电源可采用UPS电源供电，也可采用由电源驱动的发电机与带干扰信号的电源进行隔离等方法。

　　（3）我们知道，两个物体表面接触并做相对运动后分开，就会在两个物体表面带上一定数量的电荷。非导体物质一旦有电荷积累就不易放掉。生活中的塑料袋、包装材料、化纤织物等都会由于摩擦而带上静电，其电荷的大小与空气相对湿度、摩擦材料的介电常数、两种材料的相对运动速度及两者的压力等有关。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。带了静电的人体在靠近和接触设备的过程中，就会产生放电现象。静电放电可以导致在用的电子设备不能正常工作甚至损坏，这对生产厂或对用户都是-个十分重要的问题。

　　另外，有不少标准设备如：标准电能表、标准便携式电能表检定装置，由于感应原理使设备外壳感应带电，特别是在阴雨天气的时候表现的较为突出，这不仅影响仪器的正常使用，更重要的是给工作人员的人身安全带来了威胁。

　　处理方法：一般常采用的方法是金属屏蔽法，通常是仪器的外壳，将内部电路包围。由于金属是等位体，理想情况下在静电场中，被屏蔽包围的内部空间没有静电场。使内部电路不受外静电场的干扰。这个屏蔽体除了金属之外，也可是金属网或是涂在绝缘材料上的一层薄薄的导电层。但在实际的电子设备中，内部电路都有引线通向仪器外部，如电源线、信号输入输出线等，由于内部存在着分布电容和漏电电阻，静电的放电回路会通过分布电容、漏电电阻进入电路至电源线及信号线形成一条通路，同样会对内部电路造成危害。如果我们在仪器外壳再加一接地线，情况就会好得多，静电感应而积累在机壳上的大量电荷会通过大地泄放。同时，接地还会使整个电路系统中的所有单元电路都有-个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地工作，防止外界电磁场的干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。对那些外壳不直接接地或者接地不良的装置，可采用放电经主电源线接地系统传人大地。这样就不会对电路造成危害。另外，当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时，可避免操作人员的触电事故发生。

　　（4）电子式电能表特别是标准电能表，在出厂前都要进行老化试验，尽管这样时间已久，由于元器件的热稳定性变差，其误差值变化增大，导致标准偏差估计值不合格，工作性能不稳定，其主要原因就是仪表内的发热元件（如变压器、大功率管等等）所产生的热量，对其它元器件产生了影响，使其阻值及参数发生了变化，从而导致了数据的变化。

　　处理方法：可将发热源用隔热层进行隔离处理，对大功率管可通过风扇降温，同时，重要的是要将散热孔设置在发热源的上方或两侧，通风孔的形状与布置要尽量减小对屏蔽体磁阻的影响，这样以便直接通过散热孔将热量排放出去。

　　（5）导线设置不合理，其不合理性主要表现为：

　　装置内部导线走线位置靠近干扰源、走线过长、与不能引进干扰的其它导线平行走线或捆绑在一起相互耦合，从而引进了干扰信号。在准确度等级较高的检定装置中信号源部分是由数字信号组成的，如果处理不好，极有可能通过各种途径，对其它部分产生干扰。

　　另一方面，如果导线高端和低端分开走线，形成环路。极易引进电磁辐射干扰，使导线出现干扰电压，从而无法准确测出实际的导线电位差。

　　处理方法：在上述几种情况下，应尽量注意导线的合理设置，必要时应采用屏蔽导线。对于被测输出导线高端和低端应采用绞线并加入屏蔽的方式，减少干扰信号的影响。

　　总之，屏蔽是防止电磁干扰的一个主要措施，但屏蔽又分为：静电屏蔽、电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁屏蔽。抑制干扰辐射的有效方法是屏蔽，即用导电良好的材料对电场进行屏蔽。用磁导率高的材料对磁场屏蔽。滤波也是抑制和防止电磁干扰的一个有效方法。

　　滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个输出信号。利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。在电源及声频电路中之滤波器，通用者为L型及π型两种。

　　4结束语

　　在实际工作中，要解决电磁兼容问题，必须从分析、排查电磁干扰人手。只有不断地研究和掌握自然与非自然的电磁干扰基本原理，运用先进的监测设备和科学的测量方法。才能有效地做好电磁兼容工作。