電磁兼容性

電磁兼容性（EMC，即Electromagnetic Compatibility）是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行並不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁騷擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁騷擾(Electromagnetic Disturbance)不能超過一定的限值；另一方面是指設備對所在環境中存在的電磁騷擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性(Electromagnetic Susceptibility，即EMS)。

自從電子系統降噪技術在70年代中期出現以來，主要由於美國聯邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992提出了對商業數碼產品的有關規章，這些規章要求各個公司確保它們的產品符合嚴格的磁化係數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。

基本介紹

• 中文名：電磁兼容性
• 外文名： electromagnetic compatibility
• 干擾：傳導干擾和輻射干擾
• 套用：電子系統降噪技術

歷史

過去在軍事領域之外，對於電磁兼容性的研究並不嚴謹，而且大多數設備製造商並不關心電磁兼容性問題。但隨著使用更低信號電壓的現代數字設備的時鐘頻率迅速增高，電磁兼容性問題變得越來越重要。許多國家意識到這個凸現的問題，並對相關設備製造商頒布了政令，要求只有滿足基本條件的設備才能夠銷售。

各國的相應的組織機構開始制定標準並維護政府指令，其中較為知名的國家組織有：美國的FCC、歐洲的CEN、CENELEC和ETSI及英國的BSI。還有眾多國際組織致力於“推進各項標準化問題的國際合作”，當然也包含電磁兼容性標準。

其中最重要國際組織是國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC），它擁有多個電磁兼容性問題的全職分會。在IEC中協調這些分會的是ACEC，電磁兼容性問題的顧問委員會。

干擾的形成

電磁干擾介紹

電磁干擾(Electromagnetic Interference)，簡稱EMI，有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾主要是電子設備產生的干擾信號通過導電介質或公共電源線互相產生干擾；輻射干擾是指電子設備產生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給另一個電網路或電子設備。為了防止一些電子產品產生的電磁干擾影響或破壞其它電子設備的正常工作，各國政府或一些國際組織都相繼提出或制定了一些對電子產品產生電磁干擾有關規章或標準，符合這些規章或標準的產品就可稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。電磁兼容性EMC標準不是恆定不變的，而是天天都在改變，這也是各國政府或經濟組織，保護自己利益經常採取的手段。

干擾源與受干擾源

• 無論何種情況下電磁相容的問題出現總是存在兩個互補的方面：
• 一個是干擾發射源和一個為此干擾敏感的受干擾設備。
• 如果一個干擾源與受干擾設備都處在同一設備中稱為系統內部的EMC 情況。
• 不同設備間所產生的干擾狀況稱為系統間的EMC 情況。
• 大多數的設備中都有類似天線的特性的零件如電纜線、PCB 布線、內部配線、機械結構等這些零件透過電路相耦合的電場、磁場或電磁場而將能量轉移。
• 實際情況下設備間和設備內部的耦合受到了禁止與絕緣材料的限制而絕緣材料的吸收與導體相比的影響是微不足道的。
• 電纜線對電纜線的耦合既可以是電容性也可以是電感性並且取決於方位、長度及接近程度的影響。

公共阻抗的耦合

• 公共阻抗耦合線路是干擾源與受干擾設備共用電路阻抗所引起的。
• 公共導線也因兩個電流環之間的互感而引起或因兩個電壓節點之間的互容耦合而引起。
• 對於傳導性的公共阻抗耦合的解決是將連線線分離使系統各自獨立避免形成公共阻抗。

發射

• 來自PCB 的發射：在大多數設備中主要的電流源是流入PCB 板上的電路中這些能量藉由PCB 板所模擬成的天線而將干擾輻射出去。
• 來自電纜線的輻射：干擾電流以共模形式產生於在PCB 和設備內部其他位置形成的對地噪聲並沿著導體或者禁止電纜的禁止層流動。
• 傳導發射：干擾也可能從其他電纜以感性或容性方式偶合到電纜線上。
• 產生的干擾可能以差模(在火線與中線或在信號線之間)或共模(在火線/中線/信號線與接地間)或者以二者的混合形式出現。
• 對於電源部埠需要測量每一個相線/中線與在電源電纜遠端地之間的電壓。
• 差模發射通常與來自電源的低頻開關噪聲聯繫在一起。
• 共模發射則是由於更高頻率的開關元件、內部電路源或電纜的內部偶合引起的。
• 電路的分布電容分布廣泛。若沒有禁止物體的話,取決於與其他物體接近的程度。由於周圍環境有較高的電容,部分禁止的機殼實際上會使耦合更加嚴重惡化。

分析角度

電磁兼容性包括兩方面：EMI(電磁干擾)，EMS(電磁敏感性)兩方面。

EMI分類

CE（傳導干擾），RE（輻射干擾），PT(干擾功率測試)等等。

EMS分類

ESD(靜電放電），RS（輻射耐受），EFT/B(快速脈衝耐受)，surge（雷擊），CS（傳導耐受）等等

以上的各種試驗都要由專門的實驗室進行測試。是電子類商品進入市場前要取得認證的必要條件。中國這樣的實驗室很多，大部分集中在深圳等地。

電磁兼容性試驗與檢測的試驗室有環境可靠性與電磁兼容試驗服務中心、航天環境可靠性試驗中心等機構。

重要規律

規律一、EMC費效比關係規律：EMC問題越早考慮、越早解決，費用越小、效果越好。

在新產品研發階段就進行EMC設計，比等到產品EMC測試不合格才進行改進，費用可以大大節省，效率可以大大提高；反之，效率就會大大降低，費用就會大大增加。

經驗告訴我們，在功能設計的同時進行EMC設計，到樣板、樣機完成則通過EMC測試，是最省時間和最有經濟效益的。相反，產品研發階段不考慮EMC，投產以後發現EMC不合格才進行改進，非但技術上帶來很大難度、而且返工必然帶來費用和時間的大大浪費，甚至由於涉及到結構設計、PCB設計的缺陷，無法實施改進措施，導致產品不能上市。

規律二、高頻電流環路面積S越大,EMI輻射越嚴重。

高頻信號電流流經電感最小路徑。當頻率較高時，一般走線電抗大於電阻，連線對高頻信號就是電感，串聯電感引起輻射。電磁輻射大多是EUT被測設備上的高頻電流環路產生的，最惡劣的情況就是開路之天線形式。對應處理方法就是減少、減短連線，減小高頻電流迴路面積，儘量消除任何非正常工作需要的天線，如不連續的布線或有天線效應之元器件過長的插腳。

減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要任務之一，就是想方設法減小高頻電流環路面積S。

規律三、環路電流頻率f越高，引起的EMI輻射越嚴重，電磁輻射場強隨電流頻率f的平方成正比增大。減少輻射騷擾或提高射頻輻射抗干擾能力的最重要途徑之二，就是想方設法減小騷擾源高頻電流頻率f，即減小騷擾電磁波的頻率f。

對策

由於微電腦的依存度正不斷提高，設備的大量使用，複雜了我們的電磁環境，因此外來的干擾如脈衝噪聲、放射電磁場、靜電、雷擊、電壓變動等，所引發的誤動作產生當機甚至破壞的情形，如無線電的通訊、雷達、大哥大、電視遊樂器⋯⋯等，往往干擾到電視，甚至於造成醫療器材使用中的誤動作，影響到飛航的安全。

國際上對於電子、電器、工業設備產品的抗擾性測試日漸重視，且趨向整合以IEC（International Electrotechnical Commission）國際規格為測試標準，歐 洲共同體率先制定EMC防治法規，於1996 年起全面實施抗擾測試。

電源方面

• 三相入力電源在NFB（無熔絲斷路器）與變壓器間裝噪聲濾波器（Noise Filter），此濾波器的輸入線愈短愈好。
• 電源及大電流導線緊貼電氣箱之底部，並沿著邊角布線。
• 開關式電源供應器加裝隔離罩以防輻射性發射干擾，濾波器選用器選用π型或T 型可抑制寬波段噪聲，陶鐵磁體（Ferrite）材質可抑制射頻噪聲。
• 電源線兩端考慮采隔離接地，以免接地迴路（Ground Loop）形成共同阻抗耦合（Common Impedance Coupling）將噪聲耦合至信號線。
• 電源線與信號線儘量採用隔離或分開配線。
• 電源變壓器應加隔離（Shielding），外殼須接地良好。
• 單相AC 控制線建議採用絞線。
• 直流導線建議使用絞線來配線。
• 避免將電源與信號線接至同一接頭。

信號線方面

• 信號輸入線與輸出線應避免排在一起造成干擾。
• 應將CABLE剩餘不用之線單端接地，以避免形成感應迴路。
• 接近電源線附近的信號線考慮採用捻合（Twist）。
• 不同類別的信號線避免混雜接在一個連線頭上，宜按類別分類並加地線隔離。
• 輸入信號線與輸出線儘量避免同在一個接頭上，如不能避免時應將輸入與輸出信號錯開。
• 敏感性較高之低準位信號線，除採用絞線外可加隔離遮蔽。

模擬信號方面

• 高頻的類比信號及脈波信號線建議採用隔離線。
• 高頻類比信號線採用同軸式隔離線，低頻之類比信號線採用絞線，必要時可外加隔離遮蔽，絕不可使用同軸隔離線。
• 連線頭安裝位置須清潔處理，接頭及金屬面的接觸電阻須小於2.5m歐姆。
• 類比電路干擾以波形失真為主，抑制方法主要在濾波器選用的特性，例如；頻寬、頻率回響值。
• 類比信號線與數位排線必須相互垂直。

數位訊號

• 避免使用未隔離遮蔽的導線來傳送數位信號，宜使用多股絞線外加隔離線。
• 數位電路干擾以外在磁場干擾為主，應加隔離措施。
• 數位電路易受高能電場干擾，須使用隔離線隔離，以能防止1∼10MHz頻段之高能電場200V/m 干擾為最佳隔離選擇。
• 數位電路以抑制鄰近電路脈波與尖波（Spikes）干擾為主。
• 數位電路傳送避免使用過長且未加隔離之導線。

電路設計方面

• 具干擾性的迴路，如時脈、驅動器、交換式電源的ON和OFF、振盪器式控制信號，應加隔離遮蔽。
• 各型PCB電路設計儘可能選用低噪聲零組件，且須考慮噪聲變化與環境溫度變化之關係。
• 陶鐵磁體鐵芯（Ferrite core）適用於高頻濾波，但須注意經由此線圈負載功率損耗。
• 穩壓器須考慮抑制線路間共通阻抗耦合（Common Impedance Coupling）EMI問題。
• 振盪器本身輸出越小越好，如須要較大輸出，宜由放大器放大。
• 功率放大應予隔離以防止輻射性發射。
• 電解質電容器適於清除高漣波（High Ripple）及暫態電壓（Transient Voltage）變化。
• 動力線的干擾有低壓（或瞬間斷電）超壓及突波，這些干擾通常來自於電力開關的動作、重負載的開與關之瞬間、功率半導體動作、保險絲燒斷時、雷電感應…等。
• 須考慮下述項目來抑制：

1. 使用電源濾波器。
2. 適當的電力分配。
3. 受干擾的裝置改用另一電路。
4. 將電子零件及濾波器適當的包裝。
5. 使用隔離變壓器。
6. 裝置壓敏電阻。

• 交流電磁接觸器線圈、電磁閥，皆須聯結火花消除器。
• 電磁開關之熱電驛輸出側須聯結三相火花消除器。
• 直流繼電器線圈聯結二極體，以供反相電壓保護。
• 火花消除器距離負載側愈近愈好。
• 把突波吸收器裝於電路開關和噪聲濾波器之間，線與線間，線與接地之間，將能有效吸收突波。

配電箱設計

• 配電箱採用金屬制，如焊接技術沒有問題（不會變形），採用接縫全焊方式，假使無法全焊接合面的空隙儘可能縮小。假使配電箱是用螺絲組立方式，須把接觸的面漆刮掉，以便取得較佳的導電性。
• 配電箱難免會開孔來做電纜線的出入口，電波會通過這些孔就無法通過測試，因此開孔應儘可能的縮小，沒有使用到的孔須用金屬做的蓋子蓋起來，金屬與金屬的接觸面漆須刮掉，且須用工業環境用的導電墊片。
• 配電箱的門在關閉時，和配電箱本體的接觸面，須用工業環境用的導電墊片，使其緊密的接觸，如基於成本的考慮可用分布緊湊的間距採用固定式的螺絲鎖緊。
• 配電箱門須留接地用的端點，接地面必須防漆。