电气产品电磁兼容设计中的要点及实现方法

2020-02-22 02:57崔灿

通信电源技术 2020年2期

崔灿

（新乡航空工业（集团）有限公司，河南新乡 453049）

1 电磁兼容性工作时机

大量实践表明，在电气产品的开发阶段，如果不能及时的解决电子兼容性问题，那么将会对后续的一系列工作产生直接影响，同时也会在无形当中耗费大量成本，如果等到批量生产阶段再解决电磁兼容性问题，整体费用将会增加100倍左右。而再将产品投入应用，发现电磁性兼容问题之后再解决，成本费用将高达1000倍。由此可见，在产品开发阶段，必须要重点关注电磁兼容性设计问题，同时还要尽可能的将这些问题在产品定型之前解决。如果不对电子兼容性问题进行考虑，只是按照常规性计划进行生产设计，在产品生产装配成试验件之后，再测试其电磁兼容性，一旦发现问题，不仅调整起来难度大，而且会浪费大量的物力、人力和时间，延长产品交付周期，同时也会面临更多的研制风险，因此，不管是任何一种电气电子产品，及时的进行电磁兼容性设计都至关重要。

2 电子电路分析以及有源器件选择

在电气电子产品电路功能设计工作完成之后，通常需要对相关的电子电路和有源器件进行分析，在此过程中要特别关注的问题是，要对那些容易受到干扰的电路、器件进行重点分析。正常情况下，视频电路、高速时钟电路、高速逻辑电路以及电接点电气等，都会存在潜在不易被人察觉的电磁骚扰源。此外，低电平模拟电路、微处理器等也很容易受到干扰，从而形成误动作，而对于功率放大器、线性电源、组合逻辑电器等，往往不会受到电磁干扰[1]。

模拟电路通常存在接收宽带，若电磁干扰的部分或全部落入模拟电路的接收宽带中，干扰信号将会很快地被接收，之后在有用信号上进行叠加，最后进入到模拟电路，如果干扰和有用信号的相比较大，将会对设备的正常、稳定运行产生直接影响。对于模拟电路，高频震荡也有可能会成为干扰源，因此必须要对反馈和相位进行合理选择，以免出现高频震荡，对设备运行产生影响。

数字电路在脉冲状态下工作，其高频分量通常能够延伸至几百兆赫以上。此外，外部的干扰脉冲，还将会导致数字电路误触发。因此，数字电路既容易受到干扰，且其自身也属于干扰源。通过对较低的脉冲重复频率进行选择，能够大幅度缓解数字电路的电子干扰。正常情况下，干扰脉冲的强度只有在超出一定范围之后，才能够导致数字电路出现误触发的问题，而这里所提到的“范围”，其实就是指敏感度门限，具体如噪声能量容限、交流噪声容限、直流噪声容限等。HTL和CMOS电路的噪声容限较高，因此一般可以对这些电路进行优先选择。此外，还要对有源器件电磁干扰的敏感性和发射特性进行筛选，然后将容易受到干扰的电路和干扰源电路进行集中和分类，以减少电路之间的互相影响和干扰，同时也更加便于采取其他的防护措施[2]。

3 产品地线设计

在对电气电子产品进行设计的过程中，地线设计至关重要，但同时也是难度较大的一个设计环节。实践过程中，地线既可以是接地平面，也可以是专用的回线，在个别情况下，还可以对产品的金属外壳进行应用。电阻为0的地线往往是最理想的设计，主要是因为接地点之间不存在电位差。但在具体的电气电子产品中，却往往不存在理想的地线设计，所有的地线都是既存在电扰，同时也存在电阻，在电流通过时，压降的产生实属必然。在此情况下，电位也会出现此起彼伏的现象，且接地点之间也会有电位差的存在。鉴于这种情况，如果电路之间存在信号关联，且电路属于多点接地时，就会形成地环路干扰，且共模电流还会在信号连接中形成，与有用信号之前相互叠加，共同作用于负载端，由于电路存在不平衡性，还会产生差模干扰电压，从而对电路产生干扰。为了避免这种问题，减少地环路干扰，一般应用切断地环路的方法。实践过程中，可以将机壳地和电路板信号地线绝缘，产生伏地，但是这样的操作往往只适用于低频的状态下。图1为典型的低频设备接地示例。如果频率较高，那么机壳和电路板之间的分布电容依然能够形成地环路干扰。除了这种操作之外，还可以采用平衡电路对不平衡电路进行取代，避免差模干扰电压的形成。此外，还可以将隔离变压器、光耦合器、共模扼流圈等设置在两个电路之间，这样也能够产生良好的效果。将滤波器连接器安装在产品的外壳上，之后将低通滤波器安装在各个插孔和各个插针上，这样也能够有效地对高频共振电流进行滤除。而将铁氧体磁环应用于电缆或者电路连接部位，也能够对高频共模干扰进行消除[4]。

图1 典型的低频设备接地示例

一些复杂、繁琐的电气电子产品经常包含多种电气组件，因此在对地线进行设计的过程中，通常需要按照如下方法来进行。首先，需要对产品内部各电路的信号类型、工作电平等抗干扰能力以及干扰特性进行分析。其次，对地线进行分类，具体可以分为机壳地线、干扰源地线、信号地线等。最后，对地线的系统图和总体的电路布局图进行规划，然后再进行系统化的改进与分析，确定最终的布局方案。

4 滤波、屏蔽、接地等相关措施

电子屏蔽就是借助屏蔽体对电磁波的空间传播进行阻碍，通过屏蔽体接地，能够对高频电场和磁场进行同时屏蔽，以免由于电磁感应的存在而对屏蔽效能产生影响。

屏蔽电缆主要就是将金属防波套包裹在导线绝缘层外部，屏蔽电缆的屏蔽层在完成接地之后，能够产生良好的屏蔽效果。干扰源对电路运行产生干扰，一般都是通过芯线和屏蔽层之间的耦合电容来实现，通过屏蔽层接地，使干扰无法耦合到芯线上，这样屏蔽层也能够发挥出良好的屏蔽效果。在磁场屏蔽过程中，对于电缆的应用，通常要确保屏蔽层两端接地。对于低频电路，通常会采用单端接地的方式，如果信号源不接地，且通过电缆连接于公共端接地放大器，那么电缆屏蔽层一般要接在公共端。对于高频电路，一般采用双端接地的方式，在屏蔽层接地过程中，连接器屏蔽外壳应该与屏蔽层进行360°的紧密连接，同时产品外壳也要与连接器屏蔽外壳进行连好连接，只有这样才能够产生良好的屏蔽效果。

对于电气电子产品屏蔽体，电磁干扰主要是通过电源线入口和I/O接口进行传输，屏蔽体内部的电磁干扰能够耦合至与I/O接口连接的电源线或者导线上，从而形成干扰电流，同时外部的电磁干扰也可以通过于I/O接口连接的电源线或者导线进入屏蔽体。此外，还能够在电磁感应之下形成干扰电流，然后进入屏蔽体。为了实现对干扰电流的有效控制，提高屏蔽体的屏蔽性能，通常可在电源线输入口和I/O接口位置，分别设置馈通滤波器或滤波器连接器。

目前，可供选择的屏蔽材料种类众多，具体如金属网线、铜接头、导电橡胶、金属镀层的聚氨酯泡沫衬垫等，且大部分的材料供应商都能够为客户提供出多种衬垫能够达到的SE估计值，但要注意，SE仅仅只是相对数值，具体情况还要取决于材料的具体成分、衬垫压缩比、衬垫的具体尺寸、孔隙等。衬垫的形状多种多样，能够满足多种应用要求。在市面上，涂层泡沫衬垫应用最为广泛，这种衬垫能够被制作成多种多样的形状，厚度在0.5 mm以上。此外，EMI混合衬垫在当前的市面上也比较常见，通过这种衬垫的实践应用，也就无需再对密封材料进行单独应用，同时也能够大幅度节约屏蔽成本，减轻复杂程度。EMI混合衬垫具有防清洗溶剂、防风、防潮等特点，内部涂层都是经过了一系列金属化处理，导电性能良好，相比于传统的产品类型，整体重量更轻，且装配时间也比较短，因此更加有助于节约成本，目前的市场发展前景良好。

大多数设备都需要进行屏蔽，这主要是因为设备结构自身存在缝隙和槽，所选择的屏蔽方式可以通过相关基本原则加以确定，但是现实和理论之间经常会存在差距。例如，在对特定频率下某个衬垫的间距和大小进行计算时，通常还需要对信号的强度进行考虑，在设备当中，如果对多个处理器进行应用，那么只有做好垫片设计和表面处理工作，才能够保证长期屏蔽效果，而这也是EMC性能实现的关键要素。

5 结论