電磁兼容性

電磁兼容性

專業名詞
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并不對其環境中的任何設備産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産生的電磁騷擾(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,主要由于美國聯邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992提出了對商業數碼産品的有關規章,這些規章要求各個公司确保它們的産品符合嚴格的磁化系數和發射準則。[1]
    中文名:電磁兼容性 外文名:electromagnetic compatibility 适用領域: 所屬學科: 幹擾:傳導幹擾和輻射幹擾 應用:電子系統降噪技術

曆史

過去在軍事領域之外,對于電磁兼容性的研究并不嚴謹,而且大多數設備制造商并不關心電磁兼容性問題。但随着使用更低信号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,并對相關設備制造商頒布了政令,要求隻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标準并維護政府指令,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。還有衆多國際組織緻力于“推進各項标準化問題的國際合作”,當然也包含電磁兼容性标準。

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。

幹擾介紹

電磁幹擾(Electromagnetic Interference),簡稱EMI,有傳導幹擾和輻射幹擾兩種。傳導幹擾主要是電子設備産生的幹擾信号通過導電介質或公共電源線互相産生幹擾;輻射幹擾是指電子設備産生的幹擾信号通過空間耦合把幹擾信号傳給另一個電網絡或電子設備。為了防止一些電子産品産生的電磁幹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産品産生電磁幹擾有關規章或标準,符合這些規章或标準的産品就可稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。電磁兼容性EMC标準不是恒定不變的,而是天天都在改變,這也是各國政府或經濟組織,保護自己利益經常采取的手段。

幹擾形成

幹擾源與受幹擾源

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:

一個是幹擾發射源和一個為此幹擾敏感的受幹擾設備。

如果一個幹擾源與受幹擾設備都處在同一設備中稱為系統内部的EMC情況。

不同設備間所産生的幹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、内部配線、機械結構等這些零件透過電路相耦合的電場、磁場或電磁場而将能量轉移。

實際情況下設備間和設備内部的耦合受到了屏蔽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并且取決于方位、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幹擾源與受幹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。

對于傳導性的公共阻抗耦合的解決是将連接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闆上的電路中這些能量借由PCB闆所模拟成的天線而将幹擾輻射出去。

來自電纜線的幅射:幹擾電流以共模形式産生于在PCB和設備内部其他位置形成的對地噪聲并沿着導體或者屏蔽電纜的屏蔽層流動。

傳導發射:幹擾也可能從其他電纜以感性或容性方式偶合到電纜線上。

産生的幹擾可能以差模(在火線與中線或在信号線之間)或共模(在火線/中線/信号線與接地間)或者以二者的混合形式出現。

對于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系在一起。

共模發射則是由于更高頻率的開關元件、内部電路源或電纜的内部偶合引起的。

電路的分布電容分布廣泛。若沒有屏蔽物體的話,取決于與其他物體接近的程度。由于周圍環境有較高的電容,部分屏蔽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(電磁幹擾),EMS(電磁耐受)兩方面。

EMI分類

CE(傳導幹擾),RE(輻射幹擾),PT(幹擾功率測試)等等

EMS分類

:ESD(靜電放電),RS(輻射耐受),EFT/B(快速脈沖耐受),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。

EMC對策

由于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,因此外來的幹擾如脈沖噪聲、放射電磁場、靜電、雷擊、電壓變動等,所引發的誤動作産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,往往幹擾到電視,甚至于造成醫療器材使用中的誤動作,影響到飛航的安全。

國際上對于電子、電器、工業設備産品的抗擾性測試日漸重視,且趨向整合以IEC(International Electrotechnical Commission)國際規格為測試标準,歐洲共同體率先制定EMC防治法規,于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,并沿着邊角布線。

開關式電源供應器加裝隔離罩以防輻射性發射幹擾,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,以免接地回路(Ground Loop)形成共同阻抗耦合(Common Impedance Coupling)将噪聲耦合至信号線。

電源線與信号線盡量采用隔離或分開配線。

電源變壓器應加隔離(Shielding),外殼須接地良好。

單相AC控制線建議采用絞線。

直流導線建議使用絞線來配線。

避免将電源與信号線接至同一接頭。

信号線方面

信号輸入線與輸出線應避免排在一起造成幹擾。

應将CABLE剩餘不用之線單端接地,以避免形成感應回路。

接近電源線附近的信号線考慮采用撚合(Twist)。

不同類别的信号線避免混雜接在一個連接頭上,宜按類别分類并加地線隔離。

輸入信号線與輸出線盡量避免同在一個接頭上,如不能避免時應将輸入與輸出信号錯開。

敏感性較高之低準位信号線,除采用絞線外可加隔離遮蔽。

模拟信号方面

高頻的類比信号及脈波信号線建議采用隔離線。

高頻類比信号線采用同軸式隔離線,低頻之類比信号線采用絞線,必要時可外加隔離遮蔽,絕不可使用同軸隔離線。

連接頭安裝位置須清潔處理,接頭及金屬面的接觸電阻須小于2.5m歐姆。

類比電路幹擾以波形失真為主,抑制方法主要在濾波器選用的特性,例如;帶寬、頻率響應值。

類比信号線與數位排線必須相互垂直。

數字信号

避免使用未隔離遮蔽的導線來傳送數位信号,宜使用多股絞線外加隔離線。

數位電路幹擾以外在磁場幹擾為主,應加隔離措施。

數位電路易受高能電場幹擾,須使用隔離線隔離,以能防止1∼10MHz頻段之高能電場200V/m幹擾為最佳隔離選擇。

數位電路以抑制鄰近電路脈波與尖波(Spikes)幹擾為主。

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

具幹擾性的回路,如時脈、驅動器、交換式電源的ON和OFF、振蕩器式控制信号,應加隔離遮蔽。

各型PCB電路設計盡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系。

陶鐵磁體鐵芯(Ferrite core)适用于高頻濾波,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。

振蕩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。

電解質電容器适于清除高漣波(High Ripple)及暫态電壓(Transient Voltage)變化。

動力線的幹擾有低壓(或瞬間斷電)超壓及突波,這些幹擾通常來自于電力開關的動作、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:

使用電源濾波器。

适當的電力分配。

受幹擾的裝置改用另一電路。

将電子零件及濾波器适當的包裝。

使用隔離變壓器。

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。

電磁開關之熱電驿輸出側須聯結三相火花消除器。

直流繼電器線圈聯結二極管,以供反相電壓保護。

火花消除器距離負載側愈近愈好。

把突波吸收器裝于電路開關和噪聲濾波器之間,線與線間,線與接地之間,将能有效吸收突波。

配電箱設計

配電箱采用金屬制,如焊接技術沒有問題(不會變形),采用接縫全焊方式,假使無法全焊接合面的空隙盡可能縮小。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,因此開孔應盡可能的縮小,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,如基于成本的考慮可用分布緊湊的間距采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。

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