電氣產品電磁兼容設計中的要點及實現方法

2020-02-22 02:57:54崔燦

通信電源技術 2020年2期

崔燦

（新鄉航空工業（集團）有限公司，河南新鄉 453049）

1 電磁兼容性工作時機

大量實踐表明，在電氣產品的開發階段，如果不能及時的解決電子兼容性問題，那么將會對后續的一系列工作產生直接影響，同時也會在無形當中耗費大量成本，如果等到批量生產階段再解決電磁兼容性問題，整體費用將會增加100倍左右。而再將產品投入應用，發現電磁性兼容問題之后再解決，成本費用將高達1000倍。由此可見，在產品開發階段，必須要重點關注電磁兼容性設計問題，同時還要盡可能的將這些問題在產品定型之前解決。如果不對電子兼容性問題進行考慮，只是按照常規性計劃進行生產設計，在產品生產裝配成試驗件之后，再測試其電磁兼容性，一旦發現問題，不僅調整起來難度大，而且會浪費大量的物力、人力和時間，延長產品交付周期，同時也會面臨更多的研制風險，因此，不管是任何一種電氣電子產品，及時的進行電磁兼容性設計都至關重要。

2 電子電路分析以及有源器件選擇

在電氣電子產品電路功能設計工作完成之后，通常需要對相關的電子電路和有源器件進行分析，在此過程中要特別關注的問題是，要對那些容易受到干擾的電路、器件進行重點分析。正常情況下，視頻電路、高速時鐘電路、高速邏輯電路以及電接點電氣等，都會存在潛在不易被人察覺的電磁騷擾源。此外，低電平模擬電路、微處理器等也很容易受到干擾，從而形成誤動作，而對于功率放大器、線性電源、組合邏輯電器等，往往不會受到電磁干擾[1]。

模擬電路通常存在接收寬帶，若電磁干擾的部分或全部落入模擬電路的接收寬帶中，干擾信號將會很快地被接收，之后在有用信號上進行疊加，最后進入到模擬電路，如果干擾和有用信號的相比較大，將會對設備的正常、穩定運行產生直接影響。對于模擬電路，高頻震蕩也有可能會成為干擾源，因此必須要對反饋和相位進行合理選擇，以免出現高頻震蕩，對設備運行產生影響。

數字電路在脈沖狀態下工作，其高頻分量通常能夠延伸至幾百兆赫以上。此外，外部的干擾脈沖，還將會導致數字電路誤觸發。因此，數字電路既容易受到干擾，且其自身也屬于干擾源。通過對較低的脈沖重復頻率進行選擇，能夠大幅度緩解數字電路的電子干擾。正常情況下，干擾脈沖的強度只有在超出一定范圍之后，才能夠導致數字電路出現誤觸發的問題，而這里所提到的“范圍”，其實就是指敏感度門限，具體如噪聲能量容限、交流噪聲容限、直流噪聲容限等。HTL和CMOS電路的噪聲容限較高，因此一般可以對這些電路進行優先選擇。此外，還要對有源器件電磁干擾的敏感性和發射特性進行篩選，然后將容易受到干擾的電路和干擾源電路進行集中和分類，以減少電路之間的互相影響和干擾，同時也更加便于采取其他的防護措施[2]。

3 產品地線設計

在對電氣電子產品進行設計的過程中，地線設計至關重要，但同時也是難度較大的一個設計環節。實踐過程中，地線既可以是接地平面，也可以是專用的回線，在個別情況下，還可以對產品的金屬外殼進行應用。電阻為0的地線往往是最理想的設計，主要是因為接地點之間不存在電位差。但在具體的電氣電子產品中，卻往往不存在理想的地線設計，所有的地線都是既存在電擾，同時也存在電阻，在電流通過時，壓降的產生實屬必然。在此情況下，電位也會出現此起彼伏的現象，且接地點之間也會有電位差的存在。鑒于這種情況，如果電路之間存在信號關聯，且電路屬于多點接地時，就會形成地環路干擾，且共模電流還會在信號連接中形成，與有用信號之前相互疊加，共同作用于負載端，由于電路存在不平衡性，還會產生差模干擾電壓，從而對電路產生干擾。為了避免這種問題，減少地環路干擾，一般應用切斷地環路的方法。實踐過程中，可以將機殼地和電路板信號地線絕緣，產生伏地，但是這樣的操作往往只適用于低頻的狀態下。圖1為典型的低頻設備接地示例。如果頻率較高，那么機殼和電路板之間的分布電容依然能夠形成地環路干擾。除了這種操作之外，還可以采用平衡電路對不平衡電路進行取代，避免差模干擾電壓的形成。此外，還可以將隔離變壓器、光耦合器、共模扼流圈等設置在兩個電路之間，這樣也能夠產生良好的效果。將濾波器連接器安裝在產品的外殼上，之后將低通濾波器安裝在各個插孔和各個插針上，這樣也能夠有效地對高頻共振電流進行濾除。而將鐵氧體磁環應用于電纜或者電路連接部位，也能夠對高頻共模干擾進行消除[4]。

圖1 典型的低頻設備接地示例

一些復雜、繁瑣的電氣電子產品經常包含多種電氣組件，因此在對地線進行設計的過程中，通常需要按照如下方法來進行。首先，需要對產品內部各電路的信號類型、工作電平等抗干擾能力以及干擾特性進行分析。其次，對地線進行分類，具體可以分為機殼地線、干擾源地線、信號地線等。最后，對地線的系統圖和總體的電路布局圖進行規劃，然后再進行系統化的改進與分析，確定最終的布局方案。

4 濾波、屏蔽、接地等相關措施

電子屏蔽就是借助屏蔽體對電磁波的空間傳播進行阻礙，通過屏蔽體接地，能夠對高頻電場和磁場進行同時屏蔽，以免由于電磁感應的存在而對屏蔽效能產生影響。

屏蔽電纜主要就是將金屬防波套包裹在導線絕緣層外部，屏蔽電纜的屏蔽層在完成接地之后，能夠產生良好的屏蔽效果。干擾源對電路運行產生干擾，一般都是通過芯線和屏蔽層之間的耦合電容來實現，通過屏蔽層接地，使干擾無法耦合到芯線上，這樣屏蔽層也能夠發揮出良好的屏蔽效果。在磁場屏蔽過程中，對于電纜的應用，通常要確保屏蔽層兩端接地。對于低頻電路，通常會采用單端接地的方式，如果信號源不接地，且通過電纜連接于公共端接地放大器，那么電纜屏蔽層一般要接在公共端。對于高頻電路，一般采用雙端接地的方式，在屏蔽層接地過程中，連接器屏蔽外殼應該與屏蔽層進行360°的緊密連接，同時產品外殼也要與連接器屏蔽外殼進行連好連接，只有這樣才能夠產生良好的屏蔽效果。

對于電氣電子產品屏蔽體，電磁干擾主要是通過電源線入口和I/O接口進行傳輸，屏蔽體內部的電磁干擾能夠耦合至與I/O接口連接的電源線或者導線上，從而形成干擾電流，同時外部的電磁干擾也可以通過于I/O接口連接的電源線或者導線進入屏蔽體。此外，還能夠在電磁感應之下形成干擾電流，然后進入屏蔽體。為了實現對干擾電流的有效控制，提高屏蔽體的屏蔽性能，通常可在電源線輸入口和I/O接口位置，分別設置饋通濾波器或濾波器連接器。

目前，可供選擇的屏蔽材料種類眾多，具體如金屬網線、銅接頭、導電橡膠、金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等，且大部分的材料供應商都能夠為客戶提供出多種襯墊能夠達到的SE估計值，但要注意，SE僅僅只是相對數值，具體情況還要取決于材料的具體成分、襯墊壓縮比、襯墊的具體尺寸、孔隙等。襯墊的形狀多種多樣，能夠滿足多種應用要求。在市面上，涂層泡沫襯墊應用最為廣泛，這種襯墊能夠被制作成多種多樣的形狀，厚度在0.5 mm以上。此外，EMI混合襯墊在當前的市面上也比較常見，通過這種襯墊的實踐應用，也就無需再對密封材料進行單獨應用，同時也能夠大幅度節約屏蔽成本，減輕復雜程度。EMI混合襯墊具有防清洗溶劑、防風、防潮等特點，內部涂層都是經過了一系列金屬化處理，導電性能良好，相比于傳統的產品類型，整體重量更輕，且裝配時間也比較短，因此更加有助于節約成本，目前的市場發展前景良好。

大多數設備都需要進行屏蔽，這主要是因為設備結構自身存在縫隙和槽，所選擇的屏蔽方式可以通過相關基本原則加以確定，但是現實和理論之間經常會存在差距。例如，在對特定頻率下某個襯墊的間距和大小進行計算時，通常還需要對信號的強度進行考慮，在設備當中，如果對多個處理器進行應用，那么只有做好墊片設計和表面處理工作，才能夠保證長期屏蔽效果，而這也是EMC性能實現的關鍵要素。

5 結論