第 七 章 电磁兼容设计

第七章

电磁兼容设计、标准董积平dong.j.p@163.com010-6874402013366077317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：SEMCAP－ThompsonRamoWooldrigeInc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PoyntingSoftwarePtyLtd.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=PS－Pi（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-70dB～-30dB，封装后的M值应为20dB。则可以认为电磁兼容性设计的范围应为-70dB～20dB，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-70dB，就应该改变系统的设计方案；若M的预测高于20dB，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(basicEMCstandards)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(1)工、科、医(lSM)设备的工作场所。(2)大的感性负载或容性负载频繁开关的场所。(3)大电流并伴有强磁场的场所。

产品标准——产品EMC标准根据适用于产品范围的大小和产品的特性又可进一步分为系列产品(或产品类)EMC标准和专用产品EMC标准;系列产品EMC标准针对特定的产品类别规定了专门的EMC(发射和抗扰度)要求、限值和测量/试验程序。产品类标准比通用标准包含更多的特殊性和详细的性能要求，以及产品运行条件等，产品类别的范围可宽可窄。专用产品标准——专用产品EMC标准是关于特定产品、系统或设施而制定的EMC标准，根据这些产品特性必须考虑一些专门的条件，它们采用的规则和系列产品必须考虑一些专门的条件,它们采用的规则和系列产品EMC标准相同。专用产品EMC标准应比系列产品EMC标准优先采用。电磁兼容标准体系

基础标准

电磁兼容标准

通用标准

产品标准被引用到有关电磁兼容的国际组织IEC（国际电工委员会，InternationalElectromagneticalCommision）：是世界上最具权威性的国际标准化机构之一，1906年10月在伦敦成立。它负责制定电气和电子领域的国际标准,主要是各国民间制造商（团体）组成的关于电气标准规范的国际组织，现在组成了TC（技术委员会）1～82，CISPR（国际无线电干扰特别委员会）等四个特别委员会及咨询委员会，与EMC有关的是TC77、CISPR和ACEC（电磁兼容咨询委员会），其它委员会也接受与EMC有关课题的研究。

TC77(ElectromagneticCompatibilitybetweenElectricalEquipmentsIncludingNetwork)：各国TC都在EMC的组织下进行活动，寻找共同点，制定有关规范。并且针对各个TC都不管的问题设立了WG（工作组）及SubComm（分委员会）。欧洲电工标准化委员会（CENELEC）是欧洲范围的标准化组织。其中涉及电磁兼容领域的主要是210技术委员（TC210）CISPR（国际无线电干扰特别委员会，InternationalSpecialCommitteeOnRadioInterference

）：

作为IEC的下属机构，其活动方式比TC更具有独立性。它是为了研究广播接受、通信等对电气设备的干扰进行防护而设立的特别机构。主要是研究统一的测试方法，并根据各种电气设备提出电磁干扰限值的建议，目标是促进国际无线电干扰问题在下列几方面达成一致意见，以利于国际贸易:(1)保护无线电接收装置，使其免受以下干扰:1)所有类型的电子设备;2)点火系统;3)包括电力牵引系统的供电系统;4)工业、科学和医用无线电频率(不包括用于传输信息的发射机的辐射);5)声音和电视广播接收机;6)信息技术设备。(2)干扰测量的设备和方法(3)由(1)中干扰源产生的干扰的限值;(4)声音和电视广播接收装置的抗扰度要求和抗扰度测量方法的规定;(5)为了避免CISPR和IEC其他技术委员会以及其他国际组织的各技术委员会制定标准的重复工作，在制定除接收机以外的其他设备的发射抗抗扰度要求时，CISPR要和这些委员会共同考虑;(6)安全规程对电气设备的干扰抑制的影响。CISPR负责制定出版物的各分会的分工如下:CISPR/A:无线电干扰测量和统计方法;CISPR/B:工业、科学和医疗设备的无线电干扰;CISPR/C:架空电力线、高压设备和电力牵引系统的无线电干扰;CISPR/D:机动车辆和内燃机的无线电干扰;CISPR/E:无线电接收设备的干扰;CISPR/F:家用电器、电动工具、照明设备和类似设备的干扰;CISPR/G:信息技术设备的干扰;CISPR/H:保护无线电业务的发射限值;CISPR/I:信息技术设备、多媒体设备和接收机的电磁兼容其它有关EMC组织还有：CCITT（国际电报电话咨询委员会TC65（工业过程测量和控制技术委员会）IWCS（国际电线电缆学术讨论会）CCIR（国际无线电咨询委员会）

属于ITU（国际电信联盟）URSI（国际无线电科学联盟）IEEE－EMC（跨国电气电子工程师学会电磁兼容专业委员会）国家电磁兼容体系我国的电磁兼容标准和国际上类似,可以分为四类:基础标准涉及EMC术语,电磁环境,EMC测量设备规范和EMC测量方法通用标准其中GB8702主要涉及在强磁场环境下对人体的保护要求,GB/T14431主要涉及无线电业务要求的信号/干扰保护比.产品类标准如GB9254,GB4343,GB4824和GB13837等.系统间电磁兼容标准主要规定了经过协调的不同系统之间的EMC要求.

基础类标准GB／T4365--1995电磁兼容术语GB／T6113--1995无线电干扰和抗扰度测量设备规范GB3907--83*工业无线电干扰基本测量方法GB4859--84*电气设备的抗干抗扰度性基本测量方法GB／T15658--1995城市无线电噪声测量方法

通用类标准GB8702--88电磁辐射防护规定GB／T13926．1--92工业过程测量和控制装置的电磁兼容性总论GB／T13926．2--92工业过程测量和控制装置的电磁兼容性静电放电要求GB／T13926．3--92工业过程测量和控制装置的电磁兼容性辐射电磁场要求GB／T13926．4--92工业过程测量和控制装置的电磁兼容性电快速瞬变脉冲群要求GB／T14431--93无线电业务要求的信号／干扰保护比和最小可用场强注：凡标记“*”的国家标准在清理整顿中已改为推荐性国家标准。

产品类（产品族）GB4343--1995家用和类似用途电动、电热器具，电动工具以及类似电器无线电干扰特性测量方法和允许值GB4824--1996工业、科学和医疗（ISM）射频设备电磁骚扰特性的测量方法和限值GB6833．1--86*电子测量仪器电磁兼容性试验规范总则GB6833．2--87*电子测量仪器电磁兼容性试验规范磁场敏感度试验GB6833．3--87*电子测量仪器电磁兼容性试验规范静电放电敏感度试验GB6833．4--87*电子测量仪器电磁兼容性试验规范电源瞬态敏感度试验GB6833．5--87*电子测量仪器电磁兼容性试验规范辐射敏感度试验GB6833．6--87*电子测量仪器电磁兼容性试验规范传导敏感度试验GB6833．7--87*电子测量仪器电磁兼容性试验规范非工作状态磁场干扰试验GB6833．8--87*电子测量仪器电磁兼容性试验规范工作状态磁场干扰试验GB6833．9--87*电子测量仪器电磁兼容性试验规范传导干扰试验GB6833．10--87*电于测量仪器电磁兼容性试验规范辐射干扰试验GB7343--87*10kHZ～30MHZ无源无线电干扰滤波器和抑制元件抑制特性的测量方法GB7349--87*高压架空输电线、变电站无线电干扰测量方法GB9254--88信息技术设备的无线电干扰极限值和测量方法GB9383--1995声音和电视广播接收机及有关设备传导抗扰度限值及测量方法GB13421--92无线电发射机杂散发射功率电平的限值和测量方法GB13836--92*30MH2～1GH声音和电视信号的电缆分配系统设备与部件辐射干扰特性允许值和测量方法GB13837--1997声音和电视广播接收机及有关设备无线电干扰特性限值和测量方法GB／T13838--92声音和电视广播接收机及有关设备辐射抗扰度特性允许值和测量方法GB13839--92声音和电视广播接收机及有关设备内部抗扰度允许值和测量方法GB14023--92车辆、机动船和由火花点火发动机驱动的装置的无线电干扰特性的测量方法及允许值GB15540--1995陆地移动通信设备电磁兼容技术要求和测量方法GB15707--1995高压交流架空送电线无线电干扰限值GB／T15708--1995交流电气化铁道电力机车运行产生的无线电辐射干扰的测量方法GB／T15709--1995交流电气化铁道接触网无线电辐射干扰测量方法GB15734--1995电子调光设备无线电骚扰特性限值及测量方法GB15949--1995声音和电视信号的电缆分配系统设备与部件抗扰度特性限值和测量方法GB／T16607--1996微波炉在1GHz以上的辐射干扰测量方法B16787--1997G30MHz～1GHz声音和电视信号的电缆分配系统辐射测量方法和限值GB16788--199730MHz～1GHz声音和电视信号电缆分配系统抗扰度测量方法和限值

系统类GB6364--86航空无线电导航台站电磁环境要求GB6830--86电信线路遭受强电线路危险影响的容许值GB7432--87*同轴电缆载波通信系统抗无线电广播和通信干扰的指标GB7433--87*对称电缆载波通信系统抗无线电广播和通信干扰的指标GB7434--87*架空明线载波通信系统抗无线电广播和通信干扰的指标GB7495…87架空电力线路与调幅广播收音台的防护问距GB13613--92对海中远程无线电导航台站电磁环境要求GB13614--92短波无线电测向台（站）电磁环境要求GB13615--92地球站电磁环境保护要求GB13616--92微波接力站电磁环境保护要求GB13617--92短波无线电收信台（站）电磁环境要求GB13618--92对空情报雷达站电磁环境防护要求GB／T13620--92卫星通信地球站与地面微波站之间协调区的确定和干扰计算方法标准编号的识别国家或组织制订单位标准编号IECCISPRCISPRPub.IECTC77IEC欧共体CENELECEN美国FCC，DOD

FCCPart,MIL-STD.日本VCCIVCCI中国质量技术监督局,国防部门GB-GJB-电磁兼容交流电子学会或通信学会每年举办的电磁兼容学术会议（或环境电磁学会议）；一些国际组织举办的EMC系列学术会议；IEEEEMCInternationalSymposium,每年一次;Asia-PacificConfenrrenceonEnvironmentalElectromagnetics，四年一次,中国电子学会，日本电工学会《安全与电磁兼容》杂志；《电磁干扰与兼容》杂志；www.EMIandEMC.cn《InterferenceTechnology》杂志

《电子质量》杂志，《今日电子》杂志，中国电磁兼容网…………..电磁兼容的实施从总体上看，电子、电气设备或系统的电磁兼容性实施，必须采取技术和组织两方面的措施。所谓技术措施,包括系统工程方法、电路技术方法、设计和工艺的总和。其目的是改善电子、电气设备的性能。采用这些方法是为了降低干扰源产生的干扰平，增加干扰在传播途径上的衰减，降低敏感设备对于干扰的敏感性（或提高抗扰度）等等。所谓组织措施，包括对各设备和系统进行合理的频谱分配、选择设备或系统分布的空间位置，还包括制定和采用某些限制规章，目的在于整顿电子、电气设备的工作,以便消除非有意干扰。电磁兼容实施的例子1实验发现汽车工作时，电磁干扰相当突出，严重时会损坏电子元器件。因此，汽车电子设备的电磁环境最为恶劣，汽车电子设备的电磁兼容性问题也特别受到人们的重视。汽车点火所产生的高频辐射最为突出。日本和美国等先进国家的环保部门为防止汽车电气噪声对环境的污染，规定只能使用带阻尼（如碳芯）的屏蔽线作为点火线，实践表明这是很有效的措施。电磁兼容实施的例子2为了解决微电技术，尤其是计算机在汽车上的应用和推广，根据需要和实际要求，可以设计出效果良好的滤波电路，置于前级可使大多数因传导而进入系统的干扰噪声消除在电路系统的