第 七 章 电磁兼容设计、标准,董 积 平 dong.j.p 010-68744020 13366077317,电磁兼容设计技术的发展阶段,电磁兼容技术的发展经过了三个阶段： 问题解决法 它的实质是等发现EMC问题后再采取措施的方法。随着技术的发展，电气、电子设备出现电磁干扰的问题愈来愈突出，在一个设备的研制过程中有解决不完的EMC问题，而且往往顾此失彼，这些问题又多数在最后调试中发现，这时设备或系统已研制好，要解决EMC问题需要进行大量拆装，有的要重新设计、返工，这种解决问题的方法既不安全，又造成人力、物力、时间的大量浪费，在国外这种方法一直延续到20世纪50年代。目前我国大多数制造厂商仍停留在这个阶段。,规范法 它是以贯彻EMC标准为基础，建立必备的实验条件，通过测试验证，把电气、电子设备的的相互干扰抑制在相应的EMC标准范围内，这种方法简便易行。美国运用这种方法较普及，从60年代一直延续到80年代，因此周期长、投资大，且存在“过安全”或“欠安全”的缺点。即“因某些EMC标准过于苛刻而造成付出过多的代价”或“已符合EMC标准的设备或系统，在它们构成最终系统时还可能存在不兼容现象” 。 随着大规模集成电路的迅猛发展和推广，产品从部件到系统的集成密度愈来愈高，直接用测试方法去确定大量存在的EMC问题可能性就愈小。,系统法 它是从设备（部件）、分系统、系统的研制开始就和EMC 要求结合起来的方法。,系统法的EMC研制过程包含： 1、EMC要求和知识：对于被研制的系统，从一开始就确定它的电磁兼容要求，是进行正确设计的起点。一些重要的原则、要求和达到的目标应明确，如在这一阶段所采用的基本技术和应用指南须确定下来。 2、EMC描述：对于设备（部件）的电磁兼容性应给予描述，它 可能的电磁发射和电磁敏感度都需要说明。对于一个设备（部件）的电磁兼容性描述可能包括一组与电磁兼容性有关的数据并用表格给出。 在这一阶段，对于手册中已选择的一些部件，它的电磁兼容性指标也是至关重要的。 3、EMC设计准则 ：电磁兼容设计准则必须在器件的位置安排和布线、走线时予以遵循。这些准则通常被概括为一些规定，通常它们代表一些基本经验知识的总结。应把这些准则结合到设计过程中去。,4、EMC评定：这是指要考核研制设备与原确定的电磁兼容性指标的符合性。通常必须将用计算机仿真所作的评定与实际测试所作的评定区分开来。实际测试须要有一个分系统或系统的原型样机，还必须有良好的实验室和设备，总之将测试评定法的风险降至最低程度。测试评定的范围要限于法定文件，如标准和规范所要求的程度。 另一方面，考虑到节约经费和时间，特别强调采用计算机仿真，对于电磁兼容性作反复优化后再进行评定。但是要注意计算机仿真总是置于设计完成之后和完成样机之前进行。对于一些因寄生效应产生的电磁兼容性问题,计算机还难于辨别和评定。 最后，从电磁兼容性评定的要求出发，须要进行： 电磁兼容性分析，通过建模、仿真、电磁兼容性规范的检查，以确定并避免可能出现的电磁兼容性问题； 电磁兼容性诊断，评估、反演电磁兼容性分析结果； 将上述两步骤的结果与系统测试相结合，反复优化以达到系统所要求的电磁兼容性目标。,分系统,系统,部件,反复优化设计,反 复 优 化 设 计,EMC设计的核心是EMI的预测和分析。 基于计算机的数模预测方法： 投资少、见效快、功能广、周期短。 近二十年来，欧美等国均建立了完善的多功能：电磁兼容性预测程序库与数据库，几乎可对各种主要的电磁兼容性问题进行预测。 电磁兼容性预测内容包括： 电磁环境预测； 系统电磁干扰预测； 机内耦合预测； 频谱利用和管理。,EMI的预测和分析,频谱利用和管理,在系统规划中，电磁频谱密度表示频率的拥挤程度和潜在干扰的可能性。通过数模预测可以估算电磁频谱密度、频率分配的界限、天线的取向、完成可能分配次序的排列、计算两个场地之间所需的间距等等。,电磁环境预测和系统电磁干扰预测,分级预测原理： 幅度筛选、频率筛选、详细预测和性能预测。 干扰源、受扰器、传递媒体的数学模型由简而繁、由粗而细，每一级筛选约将无干扰情况的90剔除。,机内耦合,要考虑采用合适的接地、合理的布线、 对线路和电缆的屏蔽、滤波器的使用等方法以减小干扰的影响。 多层印刷电路板的电磁兼容设计要考虑电路的频率、带宽、阻抗、去耦、噪声分配、布局和走线以及屏蔽、滤波等因素。,建模计算软件： SEMCAPThompson Ramo Wooldrige Inc汤普森拉莫伍尔德里奇公司（美国）； IAP MDONNELL飞机公司（美国）； ANSOFT美国ANSOFT公司； CST德国CST公司； ADS美国Agilent公司； Supernec美国Poynting Software Pty Ltd.公司； Grasp8/Grasp丹麦TICRA公司； ANSYS美国ANSYS公司,EMC设计的有效性,敏感度阈值的定义为：使系统或设备不能正常工作的空间某点或 电路某一特定点的干扰临界电平。该值可以通过实验或计算预测 获得。令M为系统电磁兼容安全系数，则： M=PSPi （dB） 式中，Ps为敏感阈值；Pi为系统或设备工作时，最大的实际干扰 电平。如军事设备没有封装时的M值应为-70 dB-30 dB，封装后 的M值应为20 dB。则可以认为电磁兼容性设计的范围应为-70 dB20 dB，电磁兼容性设计只能在这个范围有效。 如系统在方案论证时其M的预测值低于-70 dB，就应该改变系 统的设计方案；若M的预测高于20 dB，就不必进行EMC设计。,系统内部干扰的例子,汽车发动机系统对汽车内无线电接收机的干扰 雷达发射机的能量泄漏对雷达发射机的干扰 地线回路电流引起无意中的级间耦合 计算机中的磁盘驱动器的磁场对低电平数字电路的干扰 数字电路对公用同一电源的低电平模拟电路的干扰,系统之间干扰的例子,雷达干扰飞机的导航系统 传输线干扰电信系统 移动电台干扰电视接收机 输电线的瞬态变化干扰计算机系统 远处的调频发射台和电视发射台干扰近处的调频和电视发射台,电磁兼容性设计又可分为系统间和系统内两部分。主要是对系统间及系统内部的电磁兼容性进行分析、预测、控制和评估，实现电磁兼容和最佳效费比。 1、系统间电磁骚扰的预测和控制 系统间电磁干扰形式的特点是干扰通常发生在由各独立系统控制的二个或二个以上的分系统之间 。其电磁干扰的控制技术分为（a）频率管理（b）时间管理（c）位置管理（d）方向管理四类。 2、系统内电磁干扰的控制技术 对于系统内的电磁干扰，主要关心的是自身干扰所引起的性能恶化。但还需考虑其他的潜在问题，如本系统产生的传导、辐射发射对邻近系统的有害影响和外部产生的传导、辐射发射对系统所引起的敏感度问题。其电磁干扰的控制技术分为（1）元器件、电路和PCB板（2）滤波（3）屏蔽（4）布线（5）接地,电磁兼容性设计的基本内容,系统内电磁兼容预测的通用流程图,电磁兼容设计的效费比,经验证明：速度是制胜的法宝，在设备或系统设计的阶段，进行电磁兼容设计，把电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前，可得到最高的效费比。如果等到生产阶段再去解决，非但在技术上带来很大的难度，而且会造成人力、财力和时间的极大浪费。,电磁兼容的仪器与测量技术,不具备适当的仪器、设备对电磁兼容性的各项指标进行测量， 就不可能确切地实现上述电磁干扰的预测、分析、诊断和最终 控制。 1元器件性能测试 ：就是要选择适合需要的控制电磁干扰的 元器件。这就要求工程技术人员掌握各类元器件的综合性能数 据（包含时域和频域的）。 2. 设计及研制测试 ：电磁兼容性应该作为系统的性能指标，及 早地在系统的设计阶段开始，这期间的电磁兼容性测试，可以 验证设计指标是否达到或是否合理，便于及时修改设计。 3.现场运行测试 ：要求现场的诊断测试能查明电磁干扰引起系 统故障的原因，是那一分系统或那一部件的电磁干扰超标造成 的，并给出确切的补救措施。,4.电磁环境现场调研 ：典型的现场调研程序应包括：选择合适 的测量设备，确定采集和显示数据的量纲和适当格式，确定电 磁环境的传导和辐射发射参数及其频率范围，测量数据的分析 与最终结果。根据电磁干扰的环境等级及其他方面的综合考虑 后，在待选场地中选择合适的场地。 5.系统级电磁兼容性检验与质量认证性能测试 ：由于对电磁干 扰发射给电磁环境造成影响的关注不断增加，导致建立了一系 列国际电磁兼容规范，国际规范的极限由CISPR各成员国一致规 定，但实施的程度根据各成员国的实际情况有所区别。,电磁兼容研究对象的 电磁干扰电压、电流和时域特性,电磁兼容设计的基本方法是指标分配和功能分块设计。 首先,要根据有关的标准（国际、国家、企业、特殊标准等等) 把整体电磁兼容指标逐级分配到各功能块上,细化成系统 级的、设备级的、电路级的和元件级的指标。 然后,按照要实现的功能和电磁兼容指标进行电磁兼容设计。 如：按电路或设备要实现的功能，按骚扰源的类型，按骚扰 耦合途径等。具体有时钟电路设计、防静电设计、防 雷设计、防地电位升设计等。 在电磁兼容设计中有许多应用课题要解决，如电磁波的散射、 透射、传输、孔缝耦合、绕射理论等。 在实际问题中的求解问题,各种骚扰源的机理和特性,各种骚 扰参数的计算和测试,各种结构的屏蔽效果,各种防护方法、 测试方法、选用标准等等。,系统精度,电磁兼容影响效能的范围,电磁兼容性,系统利用,系统设计准则,系统兼容性,系统安全性,可靠性,环境控制,质量保证,在产品研制、设计、生产、工艺、试验、使用等各个阶段都要采用电磁兼容技术，特别是在产品研制设计之初对电磁兼容问题的考虑，往往会起到事半功倍的作用。,电磁兼容标准,分析环境中的各种电磁干扰,分析设备受电磁干扰的机理,编成电磁兼容标准,保证各类电子设备的正常工作及良好的电磁环境,电磁兼容标准的内容,规定名词术语; 规定统一的试验方法; 规定EMC控制方法或设计规范. 规定电磁干扰发射限值和抗扰度要求;,A.两方面要求: 电磁兼容标准对设备的要求有两个方面: 一个是工作时不会对外界产生不良的电磁干扰 影响，另一个是不能对外界的电磁干扰过渡敏 感。前一个方面的要求称为干扰发射要求，后 一个方面的要求称为敏感度要求。 B.能量传播的途径: 电磁能量从设备内传出或从外界传入设备的途 径只有两个，一个是以电磁波的形式从空间传 播，另一个是以电流的形式沿导线传播。因此， 电磁干扰发射可以分为:传导发射和辐射发射； 敏感度也可分为传导敏感度和辐射敏感度。各 种电磁兼容标准测试的内容包括:传导发射、辐 射发射、传导敏感度、辐射敏感度。,电磁兼容标准的类型,基础标准基础EMC标准(basic EMC standards)规定达到EMC的一般和基本的条件或规则，它们与涉及EMC问题的所有系列产品、系统或设施有关，并可适用于这些产品，但不规定产品的发射限值或抗扰度判定准则。它们是制定其他EMC标准(如通用标准或产品标准)的基础或引用的文件。基础标准涉及的内容为:术语，电磁现象的描述，兼容性电平的规范，骚扰发射限值的总要求，测量、试验技术和方法(包括测试设备、辅助设备、基本配置、测量场所等)、试验等级、环境的描述和分类(包括环境的范围和/或兼容性电平,它们是构成发射限值或抗扰度电平的重要基础)等。,通用标准是关于特定环境下的EMC标准。它规定一组最低的基本要求和测量/试验程序，它可应用于该特定环境下工作的所有产品或系统。如某种产品无系列产品标准或专用产品标准，可使用通用EMC标准。 通用标准将特定环境分为两大类; 1居住、商业和轻工业环境 (1)居住环境:如住宅、公寓等居住场所。 (2)商业环境:像商店、超市等零售网点;办公楼、银行等商务楼;电影院、酒吧、舞厅等公共娱乐场所;加油站、停车场、游乐园等室外场所。 (3)轻工业环境:像工场、实验室、维修中心等轻工业场所。 2工业环境 (