第二章 电子设备的电磁兼容

1 引言
    随着电子技术的迅速发展，现代的电子设备已广泛地应用于人类生活的各个领域。当前，电子设备已处于飞速发展的时期，并且这个发展过程仍以日益增长的速度持续着。电子设备的广泛应用和发展，必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加。也就是说，电子设备不可避免地在电磁环境（EME）中工作。因此，必须解决电子设备在电磁环境中的适应能力。电磁兼容性（EMC）是一门关于抗电磁干扰（EMI）影响的科学。目前，就世界范围来说，电磁兼容性问题已经形成一门新的学科。电磁兼容的中心课题是研究控制和消除电磁干扰，使电子设备或系统与其它设备联系在一起工作时，不引起设备或系统的任何部分的工作性能的恶化或降低。一个设计理想的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量，又应该不受任何不希望有的能量的影响。
2 干扰的途径
    当干扰源的频率较高时：
    当干扰源的频率较高、干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小，或者干扰源与被干扰者之间的距离r>>λ／2π 时，则干扰信号可以认为是辐射场，它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。干扰信号以漏电和耦合形式，通过绝缘支撑物等（包括空气）为媒介，经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统
    当干扰源的频率较低时：
    如果干扰源的频率较低，干扰信号的波长λ比被干扰对象的结构尺寸长，或者干扰源与干扰对象之间的距离r<<λ／2π，则干扰源可以认为是似稳场，它以感应场形式进入被干扰对象的通路。干扰信号可以通过直接传导方式引入线路、设备或系统。

第三章 电子设备电磁兼容性基本原理

1.接地
    接地是电子设备的一个很重要问题。接地目的有三个：
    （1）接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地干作。
    （2）防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。
    （3）保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备的毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时，可避免操作人员的触电事故发生。此外，很多医疗设备都与病人的人体直接相连，当机壳带有110V 或220V 电压时，将发生致命危险。因此，接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了防止雷击可能造成的损坏和工作人员的人身安全，电子设备的机壳和机房的金属构件等，必须与大地相连接，而且接地电阻一般要很小，不能超过规定值。
电路的接地方式基本上有三类，即单点接地、多点接地和混合接地。
    单点接地:
    单点接地是为许多在一起的电路提供公共电位参考点的方法，这样信号就可以在不同的电路之间传输。若没有公共参考点，就会出现错误信号传输。单点接地要求每个电路只接地一次，并且接在同一点该点常常一地球为参考。由于只存在一个参考点，因此可以相信没有地回路存在，因而也就没有干扰问题。
    当许多相互连接的设备体积很大（设备的物理尺寸和连接电缆与任何存在的干扰信号的波长相比很大）时，就存在通过机壳和电缆的作用产生干扰的可能性。当发生这种情况时，干扰电流的路径通常存在于系统的地回路中。在考虑接地问题时，要考虑两个方面的问题，一个是系统的自兼容问题，另一个是外部干扰耦合进地回路，导致系统的错误工作。由于外部干扰常常是随机的，因此解决起来往往更难
    多点接地:
    设备内电路都以机壳为参考点，而各个设备的机壳又都以地为参考点。这种接地结构能够提供较低的接地阻抗，这是因为多点接地时，每条地线可以很短；并且多根导线并联能够降低接地导体的总电感在高频电路中必须使用多点接地，并且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/20.
    混合接地:
    混合接地既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性。例如，系统内的电源需要单点接地而射频信号又要求多点接地，这时就可以采用图所示的混合接地。对于直流，电容是开路的，电路是单点接地，对于射频，电容是导通的，电路是多点接地。
    当许多相互连接的设备体积很大（设备的物理尺寸和连接电缆与任何存在的干扰信号的波长相比很大）时，就存在通过机壳和电缆的作用产生干扰的可能性。当发生这种情况时，干扰电流的路径通常存在于系统的地回路中。在考虑接地问题时，要考虑两个方面的问题，一个是系统的自兼容问题，另一个是外部干扰耦合进地回路，导致系统的错误工作。由于外部干扰常常是随机的，因此解决起来往往更难
2.屏蔽
    屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。
    屏蔽体材料选择的原则：
    （1）当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。
    （2）当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。
    （3）在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。
3.滤波
    滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波器可以显著地减小传导干扰的电平，因为干扰频谱成份不高于有用信号的频率，滤波器对于这些与有用信号频率不同的成份有良好的抑制能力，从而起到其它干扰抑制难以起到的作用。所以，采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰耦合，或是增强接收设备的抗干扰能力，都是有力措施。用阻容和感容去耦网络能把电路与电源隔离开，消除电路之间的耦合，并避免干扰信号进入电路。对高频电路可采用两个电容器和一个电感器（高频扼流圈）组成的CLCMπ 型滤波器。滤波器的种类很多，选择适当的滤波器能消除不希望的耦合。
    滤波器的选择和应用：
    滤波器的选择看似神秘，但实质上并非如此。不过在很多场合，即使竭尽全力采取以下所述方法来选择，也还是需要实验多个滤波器后才能挑出最合适的一只。那么，为什么要煞费苦心去正确的选择滤波器呢？按这里提供的准则来进行滤波器的筛选，至少可满足滤波器的正确尺寸和类型的要求，因此，试用滤波器仅仅是用一只滤波器替换另一只滤波器，同时检查传导及辐射发射，看哪只滤波器具有最佳的费效比。如果在设计过程中没有足够的耐心去选择滤波器，墨菲法则（好象所有的物理、医疗和财政方面的公式都是从这里派生出来的）表明：最终证明是最合适的滤波器会与产品的其它要求完全不兼容。要么滤波器太大或太重而不能安装在铸塑模机壳内，需要一笔昂贵的重新制造模具的费用，要么需要一种不易实现的安装方法，要么由于滤波器的泄漏电流，将使推向市场的产品存在安全隐患问题。确实，如果没有仔细选择正确型号及类型的滤波器，那么按照墨菲法则，挑选合适的滤波器将增加研发和生产费用，同时也会推迟产品的上市时间。
     滤波器有关指标的计算
    通过将产品的发射频谱与相关的电磁兼容标准比较，可以估算用滤波器控制发射所需要的衰减量。 对于抗扰性控制，可以通过比较外部电噪声（通常取自有关的电磁兼容抗扰度标准）与产品电子线路的敏感性以及干扰期间希望达到的性能等级来估算一个粗略值。当明确知道一个产品实际的发射或敏感性能时，就可采取精确的计算而不去进行估测。不过，如果不是在一个可控的50Ω 阻抗环境中工作，在购买滤波器时，厂家提供的产品指标是靠不住的。
    阻抗问题
    滤波器的工作原理是在射频电磁波的传输路径上形成很大的特性阻抗不连续，将射频电磁波中的大部分能量反射回源处。大多数滤波器的性能是在源和负载阻抗均为50 的条件下测得的，这使我们直接联想到极为重要的一点，这就是滤波器的性能在实际情况下不可能达到最佳。
考察一个典型的电源线滤波器，它安装在交流电源线与作为电子产品直流电源的交-直流变换器之间。白天，交流电源的阻抗在2～2kΩ 间变化，取决于与它连接的负载以及所关心的频率。连接到电子设备的电源线的特征阻抗大约在150Ω，当整流器在电源波形的尖峰附近导通时，相当于短路，而在其它时间，相当于开路。
   滤波器参数是在50Ω 的源和负载阻抗的测试环境下获得的，因为大多数射频测试设备采用50Ω 的源、负载及电缆。这种方法获得的滤波器性能参数是最优化的，同时也是最具有误导性的。因为滤波器由电感和电容组成的，因此这是一个谐振电路。其性能和谐振主要取决于源端及负载端的阻抗。事实上，一只价格昂贵且50/50 性能优秀的滤波器可能在实际中的性能还不如一只价格较低且50/50 性能较差的滤波器好。
    电源线滤波器
单级电源线滤波器对源和负载的阻抗都很敏感，当工作在实际的源和负载阻抗条件下时，很容易产生增益，而不是衰减。这种增益通常出现在150kHz～10MHz 的频率范围内，幅度可以达到10 ～ 20dB。因此，在产品上安装一个不合适的滤波器后，可能会增加发射强度和/或使敏感性变得更糟。
    两级或更多级的滤波器，可以使内部接点保持在相对稳定的阻抗上，因此对负载及源的阻抗依赖不是很大，可以提供接近50/50 指标的性能。当然，这些滤波器体积更大，价格更高。
   为了解决阻抗问题，最好是购买生产厂家同时标明了在“匹配”的50/50 测试系统中的指标和在“失配”条件下的指标的产品。失配的数据是在源阻抗为0.1，负载阻抗为100 的条件下，和相反的条件下，测得的。一个窍门是用所有这些曲线中的最坏情况形成一条衰减曲线图，并将其作为滤波器的技术指标。图3 表示的是该过程的一个示例。当采用这种方法来选择滤波器以满足产品的预期目的时，滤波器的性能通常能够达到希望的效果，甚至更好一些。
   大多数电源线滤波器采用共模扼流圈和连接在相线间的X 电容处理差模干扰。如果滤波器用于解决开关电源、相位角功率控制器、马达驱动器等电路产生的低频高强度干扰问题，则通常需要比X 电容所能提供的差模衰减更大的衰减，这时需要采用差模扼流圈。由于磁芯会发生饱和现象，所以很难以较小的体积获得较大的电感量。这些滤波器一般体积比较大而且也比较昂贵。
   大多数电源线滤波器采用Y 型电容，这些电容连接在相线与地线之间。为了不超过相关安全标准限定的地线允许泄漏值，这些电容的值大约在几nF 左右。一般地，Y 电容应连接到噪声干扰较大的导线上（例如，仪表灵敏模拟电路中的电源线，开关电源中的整流器等）。对于医疗设备，特别是与病人身体接触的，要求地线泄漏电流值相当低，因此使用任意一种Y 型电容都是不行的。这时采用的滤波器需要更大的电感和/或采用多级级联，因此体积较大，价格较高。（最好是在设备与病人相连的那一端采用电池供电,仅通过光耦或光纤与交流电源供电的设备相连。）
   在较大的系统里，来自大量Y型小电容的地线泄漏会产生很大的地线电流，这样就会产生地线电压差，从而导致不同设备间的互连电缆上产生“嗡嗡”的交流声和瞬态高电平。现代最佳解决方案是采用等势三维地线搭接，但许多陈旧的设施中不能实现这一点。因此，决定用在大系统里的设备应使用Y 电容很小或根本没有Y 电容的滤波器。最好是使用满足安全认证的电源线滤波器。这些滤波器的安全性、可靠性、温度范围、额定电压和电流以及恰当的安全标准的应用均业已由厂家认证通过。
    信号线滤波器
    如果传导发射或辐射发射由不可避免的信号频谱引起，那么试图使用差模滤波器来减小这些发射并不是办法。不过对所关心的信号频谱范围内的频率，采用共模滤波是可行的，因为有用的信号是差模而非共模。信号线滤波器的技术指标中，一般都忽略了地线噪声。驱动芯片会产生地线跳跃噪声，如果数字印刷电路板的地线面与机壳间的射频搭接不好，便会在所有导线中产生大量的数字0V 噪声，因此，外封装上标有低转换速率的驱动芯片仍可能产生高电平的射频噪声。低频模拟信号中使用的滤波器，尤其是当电子电路的灵敏度非常高时，需要采用如电源线滤波器一样的单级或多级电路。然而，在多数情况下，信号是数字化的或高电平模拟信号，对干扰不很敏感，因此可采用R、L、C、RC、LC、T、或π 型滤波器.
   R 和L 滤波器的基本工作原理是产生一个高阻抗以反射干扰，但这通常仅能获得几个dB的衰减。当源和负载阻抗都较低时，这种滤波器是最适合的。L 滤波器能产生谐振，因此最好由软铁氧体磁性材料做成（参见下述部分）。由于电阻中存在0.2 pF 左右的寄生旁路电容,因此R 滤波器在高频时会失去滤波效能.
   C 滤波器能产生一个低阻抗来反射干扰，通常用在源和负载阻抗都比较高的场合。通常，C 滤波器的性能曲线看起来都是比较理想的，但实际上远不是这样。具有较大R 值的RC 滤波器是比较理想的，因为它不会产生明显的谐振。但当信号频率在几kHz 以上，或传输率在kB/s 以上的电路中，高R 值（最好是取10k 左右）是不适合的。LC、T 和π 型滤波器可以有更高的衰减值，但当它们连接到非50 的源和负载阻抗的环境中时会发生谐振现象。这个问题可以通过在电感上装入铁氧体来解决。铁氧体在低频（有时可达10MHz 左右）时呈电感特性，但在较高的频率处，它们失去了电感特性而表现出电阻特性。铁氧体磁珠在100MHz 时的有效阻抗超过1k，但直流时的阻抗则小于0.5，因而在无用频率处呈现高阻状态，在有用频率处呈现低阻状态。现在可以采购到型号众多的SMD铁氧体磁珠来满足各种频谱的需要。射频滤波器的一个鲜为人知的特性就是当它不连接到良好的射频参考地时，其效果是很差的。唯一能够作为射频参考地的是PCB 上的实心地平面、金属板或金属壳体（“法拉第笼”），理想情况下，在被滤波的最高频率处，它们都不应有大于波长1/100 的孔洞（空气中1GHz时3mm，或者在FR4 纤维玻璃板中为1.5mm）。滤波器中的电容与射频地之间的连线也应小于长的1/100，同时还要保证电感很低。这就是说，除非在极低的频率下，否则安全地的绿/黄色导线不能作为滤波器地线。例如，如果装有2.2nF 的Y 型电容的电源线滤波器通过一根10cm 长的绿/黄色导线接地，那么，在20MHz 以上的频率时，由于地线电感的影响，其Y 型电容将失效。在估计绿/黄色导线地线的搭接性能时，可以假设导线的电感值约为1nH/mm。滤波器唯一正确的连接是将滤波器壳壁直接与射频地参考面或壳体连接起来。当然，只要有直接的射频地线搭接，那么出于安全考虑，装入绿/黄色导线也未尚不可。
    如果滤波器要安装在PCB 板上，其电容必须直接连接到地平面上。如果没有地平面，安装含有电容的滤波器是劳而无功的。如果滤波器安装在一个金属板或屏蔽壳体上，那么它必须是导电连接的，有时甚至有必要在滤波器安装面贴上一圈导电衬垫，以使滤波器壳体与其搭接的金属面间形成无缝隙的射频搭接。军用信号滤波器一般属于C 和π 型，因为多数常见的军事设备都有一个很结实的、设计完善的射频地（金属浇注机箱）。因此，这种场合使用的滤波器一般不会受到射频地不良所带来的影响。不过，对民用品、商业用品及工业制品来说，射频地的完整性通常是一个严重的问题，因为得处处考虑产品成本。因此，我发现在这种情况下，性能较好的信号线滤波器一般是RC、LC 或T 型的，将电阻或电感连接到外部导线上。这将使射频参考地线上的射频电流比C 或π 型滤波器产生的射频电流小得多。
    如果一条电缆有多束芯线，通常最好的办法是将所有的芯线穿过一个共模扼流圈。如果减小敏感信号之间的串扰十分重要，则可以对芯线中各个信号分别采用共模扼流圈。图5 表明用于五芯电缆的五路共模扼流圈的一个例子。表贴共模扼流圈在差不多5mm 的正方体壳体内可达八路之多。如果电源线滤波器不允许来自数字电路的900MHz 的谐波泄漏到电源线中，这时就应考虑滤波器和屏蔽体的优化配合。这些接近微波频率的谐波会使产品的辐射发射加强。射频滤波器的另一个鲜为人知的特性就是要将滤波器与屏蔽视为一个整体，两者相辅相成。错误的滤波器结构设计或安装方法很容易使产品辐射发射超标
    滤波器的结构和安装
   如果欲在高频获得极佳的滤波性能，那么滤波器很容易由于其PCB 走线和/或滤波与未滤波分界面上导线的射频泄漏而使其性能发生降级。许多工程技术人员对滤波器周围的射频泄漏疑惑不解，滤波和未滤波走线及导线必须尽可能地彼此远离，而且没有其他走线或导线穿过附近滤波/未滤波的边界线，通常，对滤波器未滤干净的残余泄漏采用屏蔽技术是非常必要的。
   如果外部电缆滤波后进入具有地平面的PCB板或用作射频地的一个工业仪表面板，滤波器应安装在电缆进出PCB 板或仪表面板的位置上，并且要直接连接到射频地线上。如果外部电缆经滤波后进入屏蔽机柜，滤波器应安装在机柜的壁上，并且要在安装孔的周围一周与柜壁进行导电连接。隔离式滤波器是最好的选择（例如，穿心电容），但一般都比较贵而且难于安装。市场上也可以采购某些型号的滤波连接器，比如D 型连接器（通常只有1nF 的电容，不过磁珠、T 和π 型滤波器也是有效的）。就电源线滤波器（通常适用于0—400Hz 的频率，且性能基本不变）来说，面板安装的滤波器通常采用IEC 插座。将这种金属外壳的带IEC 插座的滤波器安装在屏蔽体上，如果滤波器壳体上没有缝隙，并且按图6 所示的办法将它四周电气连接到屏蔽金属件上，可在数十兆赫兹的频率范围内获得较好的性能。有些厂商仅一味追求滤波器能否在传导发射测试频率（达到30MHz）范围内正常工作，这种滤波器的成本较低，但使滤波器的屏蔽完整性受到影响，从而使产品不能通过电磁兼容标准中的辐射发射试验。
   在大功率场合中，多数电源线滤波器采用螺钉接线方式，从而使隔离板安装不可能。图6 表明镙钉安装的滤波器采用“脏盒”方法，同时用一个外层屏蔽盒将其封装在一个屏蔽的“脏盒”内。即使脏盒中的输入和输出电缆很短而且彼此远离，高频仍然可以泄漏出去，因此需要对某一条电缆或所有电缆套装磁环来解决。
4.正确选择无源元件
    实用的无源元件并不是“理想”的，其特性与理想的特性是有差异的。实用的元件本身可能就是一个干扰源，因此正确选用无源元件非常重要。有时也可以利用元件具有的特性进行抑制和防止干扰。
5.电路技术
   有时候采用屏蔽后仍不能满足抑制和防止干扰的要求，可以结合屏蔽，采取平衡措施等电路技术。平衡电路是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路，对地或对其它导线都具有相同的阻抗。其目的在于使两根导线所检拾到的干扰信号相等。这时的干扰噪声是一个共态信号，可在负载上自行消失。另外，还可采用其它一些电路技术，例如接点网络，整形电路，积分电路和选通电路等等。总之，采用电路技术也是抑制和防止干扰的重要措施。