智能頭盔電磁兼容性解決方案研究*

何銘波，陳錦彪

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 佛山供電局，廣東 佛山 528000)

智能頭盔電磁兼容性解決方案研究*

何銘波，陳錦彪

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 佛山供電局，廣東 佛山 528000)

隨著電力工業(yè)和信息技術(shù)的發(fā)展，電磁兼容問(wèn)題日益受到重視。智能頭盔作為一種新型電子產(chǎn)品，在給外界帶來(lái)電磁干擾的同時(shí)，也不可避免地受到外界的電磁環(huán)境影響研究了智能頭盔的電磁兼容性能，并從加屏蔽罩、濾波、優(yōu)化電路布局布線、使用TVS管等方面，對(duì)智能頭盔存在的輻射騷擾、傳導(dǎo)騷擾、靜電放電、電磁干擾、快瞬、浪涌、電壓驟降和短時(shí)中斷等現(xiàn)象，給出了對(duì)應(yīng)的解決方案。

智能頭盔；電磁兼容；電磁騷擾

由于環(huán)境中廣泛存在著各類干擾源，因此電磁干擾是生活中普遍存在的一種現(xiàn)象，電磁干擾對(duì)電子、通信、雷達(dá)和導(dǎo)航等行業(yè)都有著廣泛的影響。每年因電磁干擾而引起的電子設(shè)備損壞都會(huì)給企業(yè)造成巨大損失，因此，有必要積極研究產(chǎn)品的電磁兼容措施。本文以智能頭盔為切入點(diǎn)，探討電子產(chǎn)品的電磁兼容解決方案。

1 智能頭盔電磁兼容設(shè)計(jì)的重要性

電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EMC)是指某電子設(shè)備既不干擾其他設(shè)備，同時(shí)也不受其他設(shè)備的影響。由于電磁干擾現(xiàn)象的普遍存在，目前，電磁兼容性和安全性已經(jīng)成為衡量電子產(chǎn)品的重要指標(biāo)。兩者相比較，安全性主要涉及人身和財(cái)產(chǎn)，而電磁兼容性主要涉及人身和環(huán)境保護(hù)。

電力系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備存在著廣泛的電磁聯(lián)系，在看不見(jiàn)的電磁網(wǎng)絡(luò)中，各類電氣設(shè)備之間存在著緊密的聯(lián)系，并相互影響。引起電磁兼容的因素是多方面的，包括雷電、開(kāi)關(guān)操作、運(yùn)行方式改變和電力系統(tǒng)故障等多種因素。電磁干擾現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，處于電磁網(wǎng)絡(luò)中的各類電氣設(shè)備都不可避免地被波及，使設(shè)備性能受到影響，嚴(yán)重者甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。

即使在正常運(yùn)行狀態(tài)下,整流設(shè)備及非線性原件等產(chǎn)生的諧波也會(huì)危害其他設(shè)備,大電流、高電壓輸變電設(shè)備產(chǎn)生的無(wú)線電干擾、工頻電磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響；因此，供電網(wǎng)中存在大量的電磁兼容影響。當(dāng)前，電網(wǎng)中大量電子設(shè)備必將受到電磁干擾而影響其準(zhǔn)確性、可靠性[1]。

綜上所述，電磁兼容問(wèn)題涉及電力系統(tǒng)中的各個(gè)方面,開(kāi)展電網(wǎng)中電磁兼容問(wèn)題研究，加強(qiáng)電網(wǎng)中電氣產(chǎn)品，特別是電子產(chǎn)品的電磁兼容測(cè)試已勢(shì)在必行。它是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，以及電子化儀器、儀表及控制設(shè)備的準(zhǔn)確、可靠應(yīng)用的一項(xiàng)重要工作，應(yīng)引起各方面的充分重視。

2 智能頭盔的使用場(chǎng)合及可能存在的電磁干擾

2.1 智能頭盔的使用場(chǎng)合

智能頭盔起源于GPS定位系統(tǒng)，結(jié)合了高新網(wǎng)格科技對(duì)普通頭盔功能的升級(jí)是近年來(lái)逐步興起的一種新型設(shè)備，智能頭盔的種類多樣，包括智能安全帽、取證頭盔和對(duì)講頭盔等。根據(jù)功能的不同，智能頭盔可以廣泛應(yīng)用于安保、消防、電力、煤礦、化工、物流和應(yīng)急指揮等場(chǎng)合。近年來(lái)，與可視化技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的智能頭盔在消防等應(yīng)急救援場(chǎng)合獲得了廣泛應(yīng)用。

2.2 可能存在的電磁干擾

智能頭盔的電磁干擾分為2種：1)電磁騷擾，指智能頭盔對(duì)外部設(shè)備、人體等造成的影響；2)外界干擾源，智能頭盔需要具有抵抗外界電磁干擾的能力。

1)電磁騷擾。智能頭盔是電子產(chǎn)品，在通電工作的情況下，可能會(huì)對(duì)外界輻射電磁波，而由于離人體比較近，所以肯定會(huì)對(duì)人體進(jìn)行輻射干擾；另外，智能頭盔在使電源適配器充電時(shí)，也會(huì)通過(guò)AC電線為電網(wǎng)帶來(lái)傳導(dǎo)騷擾。

2)外界干擾源。包括：a.首先需要考慮的是靜電放電，因?yàn)槿耸中枰|頭盔上的按鍵、光機(jī)等；b.電力系統(tǒng)存在復(fù)雜的電磁輻射，最典型的為工頻磁場(chǎng)干擾，還有拉合刀閘時(shí)存在的高次諧波磁場(chǎng)干擾，這些強(qiáng)磁場(chǎng)均有可能導(dǎo)致電子產(chǎn)品失靈；c.電源適配器充電端口在充電時(shí)，電網(wǎng)中可能存在EFT(電快速瞬變脈沖群)，這些EFT可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞；d.電源適配器充電端口在充電時(shí)，電網(wǎng)中可能存在浪涌，這些浪涌可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞；e.電源適配器充電端口電壓驟降或短時(shí)中斷，可能對(duì)設(shè)備造成損壞[2]。

3 解決方案探討

應(yīng)針對(duì)不同的電磁干擾，制定不同的解決方案。

3.1 輻射騷擾(RE)

如果設(shè)備所輻射出的電磁能量的強(qiáng)度超標(biāo)，可能使設(shè)備或系統(tǒng)性能劣化，或者對(duì)生物和非生物起不良反映。

由于輻射主要是電磁波，所以解決方案為使用可焊接的屏蔽罩，對(duì)PCB中的輻射源(如晶振、CPU和電感等)進(jìn)行屏蔽，吸收這些輻射源發(fā)射的電磁波。

3.2 傳導(dǎo)騷擾(CE)

傳導(dǎo)騷擾是指正常工作狀態(tài)下設(shè)備通過(guò)電源線、信號(hào)端口和控制端口對(duì)周圍環(huán)境所產(chǎn)生的騷擾，設(shè)備與外部環(huán)境連接的接口包括電源適配器AC接口等。

對(duì)于電源適配器的AC接口，由于電源適配器均是采用開(kāi)關(guān)電源，所以解決AC接口傳導(dǎo)騷擾的核心思想是采用共模濾波、差模濾波、變壓器隔離和磁環(huán)吸收干擾等方法，盡可能減少開(kāi)關(guān)電源二次反饋到一次的干擾。

智能頭盔電源的CE大小主要受制于配套的電源適配器，解決CE的辦法是：對(duì)于電源適配器，采用L-C濾波法；對(duì)于信號(hào)接口，采用磁環(huán)抑制高頻干擾[3]。

3.3 靜電放電(ESD)

在北方干燥的季節(jié)，靜電問(wèn)題尤其嚴(yán)重。在智能頭盔的電磁干擾問(wèn)題解決中，ESD是非常重要卻非常難處理的問(wèn)題。ESD是整個(gè)產(chǎn)品的核心，因?yàn)槿梭w需要通過(guò)頭盔上的按鍵對(duì)智能頭盔進(jìn)行操作。靜電放電發(fā)生器輸出電流的典型波形如圖1所示。

圖1 靜電放電發(fā)生器輸出電流的典型波形

ESD靜電放電有2種主要的破壞機(jī)制：1)ESD電流產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效；2)ESD感應(yīng)出過(guò)高電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。2種破壞可能在設(shè)備中同時(shí)發(fā)生，例如，絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流，這又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效。智能頭盔需要考慮ESD防護(hù)的部分包括(人手經(jīng)常觸摸的，帶電路且活動(dòng)的地方)：頭盔按鍵、USB接口和光機(jī)等。

隔絕ESD的主要思路是“堵”以及“疏”。前者的意思是完善結(jié)構(gòu)，智能頭盔的塑料按鍵離導(dǎo)體的距離為1 cm，絕緣距離較大，大大減少了ESD造成的影響；外殼縫隙與電路板(光機(jī)電路板、核心CPU板等)間的距離遠(yuǎn)，絕緣距離大，也大大減少了ESD造成的影響。針對(duì)“疏”，該方法是盡量把已經(jīng)產(chǎn)生的靜電導(dǎo)走。智能頭盔電磁兼容性的解決方案是，對(duì)于核心的敏感器件(核心CPU板、光機(jī)電路板等)，使用屏蔽罩屏蔽起來(lái)，且該屏蔽罩接地，那么靜電將會(huì)被引導(dǎo)到屏蔽罩上，且最終匯到工作地，無(wú)法對(duì)器件造成影響。

3.4 磁場(chǎng)干擾

電力系統(tǒng)中存在強(qiáng)干擾磁場(chǎng)，影響智能頭盔的正常工作。目前，電力系統(tǒng)中的電磁干擾包括射頻電磁場(chǎng)輻射(RS)和工頻磁場(chǎng)(PFMF)兩種。

電力系統(tǒng)電磁干擾源包括外部干擾和內(nèi)部干擾：外部干擾包括高壓開(kāi)關(guān)操作、雷電、短路故障、電暈放電、高電壓大電流電纜和設(shè)備向周圍輻射電磁波、高頻載波、對(duì)講機(jī)等輻射干擾源，及附近電臺(tái)、通信等產(chǎn)生電磁干擾、靜電放電等；內(nèi)部干擾是由自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、元件布置和生產(chǎn)工藝等決定，主要有雜散電感、電容引起不同信號(hào)感應(yīng)，長(zhǎng)線傳輸造成波反射、寄生振蕩和尖峰信號(hào)引起干擾等。無(wú)論內(nèi)部還是外部干擾，它們都具有相同的物理特性，消除和抑制措施基本是相同的。脈沖群干擾試驗(yàn)的波形圖如圖2所示。

圖2 智能頭盔脈沖群干擾試驗(yàn)的波形圖

針對(duì)外部的電磁干擾，智能頭盔電磁兼容性的解決方案為屏蔽，即對(duì)核心的CPU電路板、光機(jī)電路板、FPC信號(hào)排線和按鍵操作排線等進(jìn)行屏蔽處理[4]。電路設(shè)計(jì)上，不使用容易受電磁影響的接口電路。

針對(duì)內(nèi)部的電磁干擾，解決方案是優(yōu)化電路布局布線，保證關(guān)鍵信號(hào)的阻抗匹配，電源平面完整，并杜絕電源環(huán)回等[5]。

3.5 快瞬(EFT)

電快速瞬變脈沖群是電感性負(fù)載在斷開(kāi)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間隙的絕緣擊穿或觸點(diǎn)彈跳等原因，在斷開(kāi)處產(chǎn)生的暫態(tài)騷擾。電感性負(fù)載多次重復(fù)開(kāi)關(guān)，則脈沖群又會(huì)以相應(yīng)的時(shí)間間隙多次重復(fù)出現(xiàn)。這種暫態(tài)騷擾能量較小，一般不會(huì)引起設(shè)備的損壞；但由于其頻譜分布較寬，所以會(huì)對(duì)電子、電氣設(shè)備的可靠工作產(chǎn)生影響。快速瞬變的脈沖群概略圖如圖3所示。

圖3 快速瞬變的脈沖群概略圖

EFT只會(huì)施加在電源端口，對(duì)EFT的解決方案是使用TVS管對(duì)高頻干擾進(jìn)行抑制，后通過(guò)地線泄掉。由于EFT的抑制主要由電源適配器完成，所以本文不作詳細(xì)分析。

3.6 浪涌(SURGE)

用電設(shè)備可能遭遇的浪涌電壓主要由直接雷擊或由大容量電氣設(shè)備引起。雷擊是指雷電放電直接擊中電力系統(tǒng)的部件，注入很大的脈沖電流，也有可能是雷擊擊中設(shè)備附近的大地，電力線上同時(shí)也感生出中等強(qiáng)度的電流。大容量設(shè)備也有可能引起內(nèi)部浪涌，對(duì)于大功率設(shè)備，其起停、線路故障、投切動(dòng)作和變頻設(shè)備的運(yùn)行等原因，都會(huì)帶來(lái)內(nèi)部浪涌，給用電設(shè)備帶來(lái)不利影響。

由于浪涌只會(huì)施加在電源端口，所以對(duì)浪涌的解決方案是在電源適配器端加壓敏電阻，氣體放電管和TVS管，把浪涌以最快的速度泄放到大地，減少傳遞到后級(jí)的干擾。由于浪涌的抑制主要由電源適配器完成，所以本文不作詳細(xì)分析。

3.7 電壓驟降、短時(shí)中斷(DIP)

電壓驟降和短時(shí)中斷是指由于電網(wǎng)的不穩(wěn)定，電源電壓可能會(huì)出現(xiàn)短期的波動(dòng)，甚至電壓會(huì)跌落一段時(shí)間。

解決該問(wèn)題的核心方法是在電源輸出端添加一個(gè)較大的電容，可以在電壓波動(dòng)的情況下能維持一小段時(shí)間的工作。由于電壓驟降、短時(shí)中斷主要由電源適配器完成，所以本文不作詳細(xì)分析。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，電磁兼容問(wèn)題已經(jīng)成為困擾我國(guó)電子產(chǎn)品出口的重要原因之一，智能頭盔作為一種新型的高科技電子產(chǎn)品，在我國(guó)具有良好的發(fā)展前景。基于電磁輻射只有通過(guò)輻射和傳導(dǎo)2種方式來(lái)進(jìn)入電路，實(shí)際工作中可以以此為切入點(diǎn)，加強(qiáng)技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)，從源頭上解決智能頭盔的電磁兼容問(wèn)題，提升產(chǎn)品電磁兼容性能。

[1] 李世錦.傳導(dǎo)電磁干擾智能診斷分析系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2013.

[2] 陳雪權(quán).煤礦井下智能頭盔監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2014.

[3] 尹海平.傳導(dǎo)性電磁兼容關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2014.

[4] 和婷，李喬. 淺析電磁屏蔽技術(shù)在電子方艙中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2013(6): 121-123.

[5] 包奇金，梁慧軍.基于ZIGBEE技術(shù)的礦井智能頭盔[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010,11(22)：66-68.

*中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(030600KK52140058)

責(zé)任編輯鄭練

ResearchofSmartHelmetElectromagneticCompatibilitySolutions

HE Mingbo, CHEN Jinbiao

(Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan Power Supply Bureau, Foshan 528000, China)

With the development of power industry and information technology, the electromagnetic compatibility problem is attracting more and more attention. As a new type of electronic products, smart helmet brings the outside electromagnetic interference affected by external electromagnetic environment. The EMC performance of intelligent helmets is discussed, probe into the existing radiation harassment, smart helmet conduction harassment, electrostatic discharge and electromagnetic interference, fast transient and surge. To the phenomenon such as voltage sag and short supply interruption from the shield, filtering, optimization of circuit layout and wiring, the use of TVS diode and so on, we give the corresponding solutions.

smart helmet, electromagnetic compatibility, electromagnetic disturbance

TP 183

:B

何銘波(1979-)，男，經(jīng)濟(jì)師，主要從事電子技術(shù)等方面的研究。

2015-05-11