淺析電磁兼容的機(jī)理及在機(jī)柜設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孟慶韜

(沈陽(yáng)遼海裝備有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

1 引言

世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)EMC十分重視，大力發(fā)展EMC技術(shù)，制定相關(guān)的檢測(cè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。如美國(guó)FCC標(biāo)準(zhǔn)、歐盟的89/336/EEC法規(guī)、日本的電波取締法等。歐盟規(guī)定自1996年起，凡是未通過(guò)EMC認(rèn)證和檢測(cè)的任何電子、電工產(chǎn)品均不能在歐盟市場(chǎng)上流通。美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)FCC也明文規(guī)定，任何人不得出售、出租未經(jīng)EMC檢測(cè)認(rèn)證的電子、電工產(chǎn)品，否則企業(yè)法人將被監(jiān)禁并不得贖出。

2 電磁兼容機(jī)理

電磁兼容的機(jī)理電磁干擾抑制和防護(hù)，眾所周知，屏蔽、濾波、合理接地、合理布局等抑制干擾的措施都是很有效的，在工程實(shí)踐中被廣泛采用。但是隨著電子系統(tǒng)的集成化、綜合化，以上措施的應(yīng)用往往會(huì)與成本、質(zhì)量、功能要求產(chǎn)生矛盾，必須權(quán)衡利弊研究出最合理的措施來(lái)滿足電磁兼容性要求。

又如新的導(dǎo)電和屏蔽材料以及工藝方法的出現(xiàn)，使電磁兼容性控制技術(shù)又有了新的措施，可見電磁兼容控制技術(shù)始終是電磁兼容科學(xué)中最活躍的研究課題。

3 電磁兼容設(shè)計(jì)概況

根據(jù)嚴(yán)格的定義，電磁兼容就是“設(shè)備或系統(tǒng)其在電磁環(huán)境中正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力”，也就是說(shuō)，一個(gè)電子、電工產(chǎn)品在通電工作時(shí)，既不通過(guò)傳導(dǎo)、輻射、耦合等方式向外部發(fā)出超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁干擾;同時(shí)又能夠承受一定程度的來(lái)自外部或系統(tǒng)自身的電磁干擾而正常工作。

隨著系統(tǒng)功能的增加，芯片頻率的提高，加上成本的限制，PCB設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為控制產(chǎn)品EMC特性的最重要環(huán)節(jié)。元器件布局、PCB布線、阻抗匹配、接地設(shè)計(jì)以及電路的濾波等，都應(yīng)該考慮EMC的要求。設(shè)備的內(nèi)部電纜一般用來(lái)連接PCB或其他內(nèi)部子組件。這些電纜能把PCB上的信號(hào)發(fā)射出去，是形成EMI的主要原因。因此，包括電纜的走線路徑、屏蔽手段、固定方法、電纜長(zhǎng)度等，都需要考慮EMC的要求。在PCB及內(nèi)部電纜考慮了EMC要求后，大部分產(chǎn)品還需要考慮用機(jī)箱來(lái)屏蔽EMI。機(jī)箱上的縫隙、散熱孔、電纜通孔等的設(shè)計(jì)，需要考慮EMC的要求。

最后，還應(yīng)著重考慮輸入和輸出電源和其他電纜濾波的問(wèn)題。無(wú)論是軍用還是民用設(shè)備，電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)都是必須滿足的技術(shù)條件之一，隨著脈沖電路的廣泛應(yīng)用，輻射發(fā)射的指標(biāo)成為最難符合的項(xiàng)目，這是由于脈沖信號(hào)包含了大量的高次諧波，這些高次諧波容易借助導(dǎo)線輻射，大多數(shù)工程師認(rèn)為，要使電子設(shè)備滿足輻射發(fā)射的要求，必須采取完善的屏蔽措施。事實(shí)是大多數(shù)的設(shè)備雖然采取了比較完善的屏蔽措施，但是仍然不能符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。造成這個(gè)問(wèn)題的原因是忽視了設(shè)備外電纜的天線作用。電纜不僅充當(dāng)了輻射天線，而且還充當(dāng)著接收天線，接收空間的電磁波干擾，這些干擾信號(hào)傳導(dǎo)進(jìn)入設(shè)備形成干擾。解決此問(wèn)題的方法是在電纜與電路接口的位置安裝干擾濾波器。最好將濾波器安裝在鍍錫或鋅的鋁板或鋼板上，為了保證可靠的連接，一般要在濾波器的安裝法蘭與隔離板之間安裝內(nèi)齒墊片，而不能使用導(dǎo)電膠之類的物質(zhì)來(lái)達(dá)到可靠連接的目的，需要注意的問(wèn)題是，不同的金屬的接觸面之間會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致接觸阻抗增加。有些設(shè)備經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，干擾情況變得嚴(yán)重，就是由于濾波器的接地阻抗增加導(dǎo)致的。特別是當(dāng)濾波器的低頻濾波效果降低時(shí)，要考慮這種因素，如圖1所示。

圖1

(1)屏蔽

屏蔽是對(duì)場(chǎng)的處理問(wèn)題。離場(chǎng)源的距離不同的區(qū)域，場(chǎng)的性質(zhì)不同。近場(chǎng)是感應(yīng)場(chǎng)(靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng))，對(duì)外不輻射能量(法拉第屏蔽處理)。遠(yuǎn)場(chǎng)是輻射場(chǎng)—E和H矢量在時(shí)間上同相而向外輻射能量(機(jī)箱屏蔽處理，特別是電氣連續(xù)性問(wèn)題的處理);過(guò)渡區(qū)是感應(yīng)電磁場(chǎng)—場(chǎng)的性質(zhì)比較復(fù)雜。對(duì)設(shè)備內(nèi)部主要是近場(chǎng)問(wèn)題。屏蔽體要起到屏蔽作用應(yīng)具備下述3個(gè)要素:①屏蔽體是一個(gè)完整的電連續(xù)體;②有完善的濾波措施;③對(duì)于電屏蔽還要有良好的接地。

(2)結(jié)構(gòu)材料

①適用于底板和機(jī)殼的大多數(shù)材料是良導(dǎo)體，可以屏蔽電場(chǎng)，如鋁、銅等。主要的屏蔽機(jī)理是反射信號(hào)而不是吸收;②對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽需要鐵磁材料，如高導(dǎo)磁率合金和鐵。主要的屏蔽機(jī)理是吸收而不是反射;③在強(qiáng)電磁環(huán)境中，要求材料能屏蔽電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩種成分，因此需要結(jié)構(gòu)上完好的鐵磁材料。屏蔽效能直接受材料厚度以及搭接和接地方法好壞的影響;④對(duì)塑料殼體可以在其內(nèi)壁噴涂屏蔽層，或在注塑時(shí)摻入金屬纖維。如圖2所示。

圖2

必須盡量減少結(jié)構(gòu)的電不連續(xù)性，以便控制經(jīng)底板和機(jī)殼進(jìn)出的泄漏輻射。提高縫隙屏蔽效能的結(jié)構(gòu)措施包括增加縫隙深度，減少縫隙長(zhǎng)度，在接合面加入導(dǎo)電襯墊，在接縫處涂上導(dǎo)電涂料，縮短螺釘間距等。

(3)接地線的選用

經(jīng)常可以看到這樣的產(chǎn)品，其內(nèi)部的接地線是很細(xì)的單股線，這種在其內(nèi)部通過(guò)高頻電流時(shí)，由于高頻阻抗很大，接地效果可想而知。因此，考慮到趨膚效應(yīng)，接地線需要選用帶狀編織線。如果對(duì)接地要求很高，還可在其表面鍍銀，這主要是減小導(dǎo)線的表面電阻率，因而達(dá)到減小接地線高頻阻抗的目的。

圖3

優(yōu)秀的總體設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是保證產(chǎn)品EMC特性的基礎(chǔ)。需要把企業(yè)長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)和專家的觀點(diǎn)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中。電路功能模塊的合理劃分、良好的模塊間的互連、模塊及電纜的布局、良好的電路與結(jié)構(gòu)的配合、電子元器件的選擇，等等，都需要充分考慮。

［1］ GB/T4365－1995電磁兼容術(shù)語(yǔ)［S］.

［2］GB87021988電磁輻射防護(hù)規(guī)定［S］.

［3］楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.人民郵電出版社，2007.