探讨EMC电磁兼容设计及测试技巧

中心议题：
探讨电磁兼容EMC设计
分析电磁兼容EMC测试技巧

解决方案：
设计从元器件选型、印制板设计等的角度考虑
测试采用静电抗扰度检测等的方法

　　当前，日益恶化的电磁环境，使我们逐渐关注设备的工作环境，日益关注电磁环境对电子设备的影响，从设计开始，融入电磁兼容设计，使电子设备更可靠的工作。

　　电磁兼容设计主要包含浪涌（冲击）抗扰度、振铃波浪涌抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度、工频电源谐波抗扰度、静电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、工频磁场抗扰度、脉冲磁场抗扰度、传导骚扰、辐射骚扰、射频场感应的传导抗扰度等相关设计。

电磁干扰的主要形式

　　电磁干扰主要是通过传导和辐射方式进入系统，影响系统工作，其他的方式还有共阻抗耦合和感应耦合。

　　传导：传导耦合即通过导电媒质将一个电网络上的骚扰耦合到另一个电网络上,属频率较低的部分(低于30MHz)。在我们的产品中传导耦合的途径通常包括电源线、信号线、互连线、接地导体等。

　　辐射：通过空间将一个电网络上的骚扰耦合到另一个电网络上，属频率较高的部分(高于30MHz)。辐射的途径通过空间传递，在我们电路中引入和产生的辐射干扰主要是各种导线形成的天线效应。

　　共阻抗耦合：当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时出现的相互干扰。在电源线和接地导体上传导的骚扰电流，多以这种方式引入到敏感电路。

　　感应耦合：通过互感原理，将在一条回路里传输的电信号，感应到另一条回路对其造成干扰。分为电感应和磁感应两种。

　　对这几种途径产生的干扰我们应采用的相应对策：传导采取滤波（如我们设计中每个IC的片头电容就是起滤波作用），辐射干扰采用减少天线效应（如信号贴近地线走）、屏蔽和接地等措施，就能够大大提高产品的抵抗电磁干扰的能力，也可以有效的降低对外界的电磁干扰。

电磁兼容设计

　　对于一个新项目的研发设计过程，电磁兼容设计需要贯穿整个过程，在设计中考虑到电磁兼容方面的设计，才不致于返工，避免重复研发，可以缩短整个产品的上市时间，提高企业的效益。

　　一个项目从研发到投向市场需要经过需求分析、项目立项、项目概要设计、项目详细设计、样品试制、功能测试、电磁兼容测试、项目投产、投向市场等几个阶段。

　　在需求分析阶段，要进行产品市场分析、现场调研，挖掘对项目有用信息，整合项目发展前景，详细整理项目产品工作环境，实地考察安装位置，是否对安装有所限制空间，工作环境是否特殊，是否有腐蚀、潮湿、高温等，周围设备的工作情况，是否有恶劣的电磁环境，是否受限与其他设备，产品的研制成功能否大大提高生产效率，或者能否给人们的生活或工作环境带来很大的方便，操作使用方式能否容易被人们所接受，这就要求项目产品要满足现场功能需要、易于操作等，最后要整理详细的需求分析报告，以供需求评审。

　　经过企业内部相关负责人的评审之后，完善需求分析报告，然后是项目立项，项目立项需要组建项目组，把软件、硬件、结构、测试等人员安排到项目组中，分配各自的职责。项目开发的下一阶段是项目概要设计，将项目分解成多个功能模块，运用WBS分解结构对项目进行功能分解细化，根据工作量安排时间，安排具体人员。整理项目概要设计报告，总体对项目进行评估，确定使用电源类型，电源分布情况，电源隔离滤波方式，系统接地方式，产品屏蔽，产品结构采用屏蔽设计，采用屏蔽机箱机壳，分析信号类型，对雷电、静电、群脉冲等干扰采取防护措施。

　　产品概要设计报告出来后要经过相关人员评审，分析实现方式是否合理，实施方案是否可行，由评审人员给出评审报告，项目组结合评审报告对概要设计进行修改后，进入产品详细设计阶段，这阶段的内容包括原理图设计、PCB设计、PCB采购及焊接、软件编写、功能调试等过程，原理图设计应考虑到电磁兼容方面的影响，对板级电源增加滤波电容，对信号的接口部分增加滤波电路，根据信号类型，选择合适的滤波电路，若信号为低频型号，应选择低通滤波电路，计算合适的截至频率，选择对应的电阻、电容等。另对接口部分设计大电流泄放回路，设置防雷器件，做到第三级的防雷。

一、元器件选型

　　我们常用的电子器件主要包括有源器件和无源器件两种类型，有源器件主要指IC和模块电路等器件，无源器件主要是指电阻、电容、电感等元件。下面分别对这两种类型元件的选型、在电磁兼容方面要考虑的问题做一些介绍。

有源器件EMC选型

　　工作电压宽的EMC特性好，工作电压低的EMC特性好，在设计允许的范围内延时大（通常所说的速度慢）特性好一些，静态电流小、功耗小的比大的特性好，贴片封装的器件的EMC性能好于插装器件。

无源器件选型

　　无源器件在我们的应用中通常包括电阻、电容、电感等，对于无源器件的选型我们要注意这些元件的频率特性和分布参数。

　　无源器件在某些频率下，会表现出不同特性，一些电阻在高频时拥有电感的特性，如线绕电阻，电解电容的低频特性好，高频特性差，而薄膜电容和瓷片电容高频特性较好，但通常容量较小。考虑温度对元器件的影响，根据设计原理，选用各种温度特性的器件。

二、印制板设计

　　印制板设计时，要考虑到干扰对系统的影响，将电路的模拟部分和数字部分的电路严格分开，对核心电路重点防护，将系统地线环绕，并布线尽可能粗，电源增加滤波电路，采用DC-DC隔离，信号采用光电隔离，设计隔离电源，分析容易产生干扰的部分（如时钟电路、通讯电路等）和容易被干扰的部分（如模拟采样电路等），对这两种类型的电路分别采取措施。对于干扰元件采取抑制措施，对敏感元件采取隔离和保护措施，并且将它们在空间和电气上拉开距离。在板级设计时，还要注意元器件放置要远离印制板边沿，这对防护空气放电是有利的。

　　采样电路的原理图设计参见图1：

图1：采样电路设计

　　电路的合理布局可以降低干扰，提高电磁兼容性能。按照电路的功能划分若干个功能模块，分析每个模块的干扰源与敏感信号，以便进行特殊处理。

　　印制板布线时，需要注意以下几个方面：

1、保持环路面积最小，例如电源与地之间形成的环路，减小环路面积，将减小电磁干扰在此回路上的感应电流，电源线尽可能靠近地线，以减小差模辐射的环面积，降低干扰对系统的影响，提高系统的抗干扰性能。并联的导线紧紧放在一起，使用一条粗导线进行连接，信号线紧挨地平面布线可以降低干扰。电源与地之间增加高频滤波电容。

2、使导线长度尽可能的缩短，减小了印制板的面积，降低导线上的干扰。

3、采用完整的地平面设计，采用多层板设计，铺设地层，便于干扰信号泄放。

4、使电子元件远离可能会发生放电的平面如机箱面板、把手、螺钉等，保持机壳与地良好接触，为干扰提供良好的泄放通道。对敏感信号包地处理，降低干扰。

5、尽量采用贴片元器件，贴片器件比直插器件的电磁兼容性能要好得多。

6、模拟地与数字地在PCB与外界连接处进行一点接地。

7、高速逻辑电路应靠近连接器边缘，低速逻辑电路和存储器则应布置在远离连接器处，中速逻辑电路则布置在高速逻辑电路和低速逻辑电路之间。

8、电路板上的印制线宽度不要突变，拐角应采用圆弧形，不要直角或尖角。

9、时钟线、信号线也尽可能靠近地线，并且走线不要过长，以减小回路的环面积。

三、系统布线设计

　　印制板设计出来后，进行试制，焊接调试，系统装机，考虑电磁兼容设计因素，机柜结构、线缆设计需要注意以下几个方面：

1、机柜选用电磁屏蔽柜，具有良好的屏蔽性能，很好地对系统进行屏蔽，降低外界电磁干扰对系统的影响。

2、总电源进线选用屏蔽电源线，并加磁环，屏蔽层在进入机柜处360度接地。

3、对系统外部信号线选用屏蔽线，屏蔽层机柜入口处良好接地。

4、设备外壳就近接机柜，避免交叉。

5、系统设置隔离变压器和ups，保证系统供应纯净电源。

6、严格将电源线和信号线分开，设备外壳的各个面之间和各个板子面板之间要良好接触，接触电阻要小于0.4欧，越小越好，保证设备外壳良好接大地，这样在有静电释放时，不会影响到系统的正常工作。

四、系统接地设计

　　接地是最有效的抑制骚扰源的方法，可解决50%的EMC问题。系统基准地与大地相连，可抑制电磁骚扰。外壳金属件直接接大地，还可以提供静电电荷的泄漏通路，防止静电积累。

1、地线的概念

　　安全接地 包括保护接地和防雷接地。

　　保护接地 为产品的故障电流进入大地提供一个低阻抗通道；

　　防雷接地 提供泄放大电流的通路；

　　参考接地 为产品稳定可靠工作提供参考电平，为电源和信号提供基准电位。

　　安全接地是为了当出现一些电气异常时，为大电流和高电压提供一个泄放的回路，主要是对电路的一种保护措施。参考地主要是信号地和电源地，是保证电路实现功能的基础。

2、接地方式

　　悬浮接地 对一个独立的与外部没有接口的系统来说一般也没有什么问题，但是如果该系统与其他的系统之间存着接口如通讯口和采样线，那么悬浮接地很容易受到静电和雷击的影响，所以一般电子产品大多不采用悬浮接地。

　　单点接地 当f<1MHz时可以选择单点接地，可分为并联单点接地和多级电路串联单点接地两种。

　　并联单点接地：每个电路模块都接到一个单点地上，每个单元在同一点与参考点相连。

　　多级电路的串联单点接地：将具有类似特性的电路的地连接在一起，形成一个公共点，然后将每一个公共点连接到单点地。

　　多点接地 当f>10MHz时会采用多点接地。 设备中的电路都就近以接地母线为参考点。

　　单点接地各电路接在同一点，提供公共电位参考点，没有共阻抗耦合和低频地环路，但对高频信号存在较大的地阻抗。多点接地为就近接地，每条地线可以很短，提供较低接地阻抗。1MHz~10MHz可根据实际需要选用哪种接地方法。

　　混合接地 是综合单点接地与多点接地的优点，对系统中的低频部分采用单点接地，对系统中高频部分采用多点接地。

　　信号线屏蔽接地 有高频和低频之分，高频采用多点接地，低频电缆采用单点接地。低频电场屏蔽要求在接收端单点接地，低频磁场屏蔽要求在两端接地。多点接地，除在两端接地外，并以3/20或1/10工作波长的间隔接地。

　　系统做到良好接地，才能有效的抑制电磁干扰，一个大的系统机柜首先要保证每个面接触良好，接触紧凑，其次是机柜内部设备要就近接地，避免二次干扰，就近泄放电磁干扰。接口屏蔽线要进行环接，再就近接机架。机柜下方设置接地铜排，系统总地线选用铜带比较好，对电磁干扰进行很好的泄放，保证了系统的正常运行。

电磁兼容测试

　　系统功能测试，满足现场功能需要后，进行电磁兼容测试，电磁兼容测试容易出问题是静电、群脉冲、浪涌、射频场传导等

1、静电抗扰度检测

　　参与了几个项目的静电抗扰度检测，对静电有一定认识。静电分为接触放电和空气放电，静电是积累的高压，当接触到设备的金属外壳时会瞬间放电，会影响到电子设备的正常工作，可能引起设备故障或重启，在安全性要求较好的场合这是不允许的。

　　静电会影响显示效果，可能出现显示闪烁或黑屏，影响正常显示和操作。静电还可能引起CPU工作异常，程序死机或重启。

　　如果在产品详细设计阶段采用电磁兼容的相关设计，做静电试验不必过分担心，通过设计，对静电积累的电荷进行良好的泄放，不会影响系统的正常工作。

2、电快速瞬变脉冲群抗扰度检测

　　电快速瞬变脉冲群是一系列的高频高压瞬变脉冲施加在设备上，观察设备是否受到其影响。防护群脉冲主要的方法是“疏导”“堵”，“疏导”就是提供泄放回路，是干扰在进入系统之前，泄放至大地，良好的屏蔽层接地，可以泄放大部分动干扰，“堵”是使群脉冲滤除在设备之外，增加磁环，效果明显，封闭磁环的效果好于对扣磁环，也可以将磁环加入到板级中，固定在印制板中，这样使设备更可靠。

　　对电源线、信号线、通讯线两端增加磁环，可以对群脉冲干扰进行防护。

3、雷击浪涌检测

　　雷击浪涌主要包含两个方面，一个是电源防雷，一个是信号防雷。

　　电源防雷主要是针对系统级而言的，系统级设计要按照三级防雷设计，总电源进入端设置电源防雷（如OBO公司的V20-C/3-PH 385），可以对系统的电源进行一级防护，电源经过电源防雷后，进入隔离变压器，隔离变压器可以对电磁干扰信号进行较好的防护，抑制其对系统的影响。后进入UPS，UPS可以滤除一部分干扰信号，这样电源再进入系统设备，电源是一种纯净的电源，可以使系统更好、更可靠的工作。

图2：系统电源部分设计示例。

　　信号防雷是对系统的信号通路进行防护，主要涉及的是板级设计，在板级设计中增加防雷器件，如气体放电管，增加TVS泄放回路，当有大电流时通过配套电阻和TVS、气体放电管泄放，对后级电路起到保护作用。而后信号进行光电隔离，再进入系统，系统可以采集到一个稳定的信号，使系统正常分析判断，正常发出指令，正常工作。另一方面就是设计较宽的信号范围，信号正常波动时，系统正常工作。

4、射频场感应传导的抗扰度检测

　　射感试验可能会对显示信号、采集驱动等造成影响，可能使显示闪烁或黑屏，影响设备操作，可能使采集驱动工作异常，采集不到需要的信号，无法驱动现场设备。

　　射频试验是0.15k～80M频率范围内对信号线、电源进行干扰，3级强度是10V/m。

　　射感防护的原则是将电源、信号线的屏蔽做好，屏蔽层良好接地，选择合适频率进行滤波，将干扰滤除。

5、辐射发射检测、射频场辐射抗扰度检测

　　该测试主要是测试系统的抗射频信号及整体屏蔽性能，只要系统做好良好的屏蔽，系统地线接地良好，系统就可以通过检测。

　　通过相关电磁兼容测试，产品就可以推向市场，进行试运行了，对试运行中出现的问题，进行汇总，以备产品的改进。

　　电子产品满足相关的电磁兼容测试标准，通过测试，才可以推向市场，用户才能放心使用，极大地减小因电磁干扰发生的事故，对企业的效益、产品的推广起到积极的作用。

6、总结

　　本文是针对当前严峻的电磁环境，分析了电磁干扰的来源，通过产品开发流程的分解，融入电磁兼容设计，从原理图设计、PCB设计、元器件选型、系统布线、系统接地等方面逐步分析，总结概括电磁兼容设计要点，最后，介绍了电磁兼容测试的相关内容。相信读者能从中获取有用的信息。

第二篇：EMC电磁兼容设计

电磁兼容设计

周云正

浙江佩洁尔医疗科技有限公司 浙江?上虞 312351

电子镇流器，高转换速率的开关电源（SMPS）和电器产品，不可避免地出现电磁辐射及干扰问题，严重时会导致其它电子仪器的失灵；其它电器也会干扰它的正常工作。为此，电磁兼容性（EMC）的设计要符合我国现行标准（CCC）的电磁兼容性要素的控制，也符合美国的联邦通信委员会（FCC）、欧洲联盟（EU）所制定的有关标准和规范。

ＥＭＣ知识：

自从一八二二年安培率先提出一切磁现象的根源是电流的假说，继而由法拉第发现感应电动势的规律，最终由麦克斯韦根据电与磁的相互作用，预言电磁波的存在，奠定当今所研究的电磁兼容理论基础。

电磁兼容性是指电子设备在电磁环境中正常工作的能力。所谓电磁兼容设计就是要使电子设备既不受周围电磁干扰（EMS）而能正常工作；又能使电子设备本身不对周围其它电子设备产生电磁干扰（EMI），影响其正常运行。

电子设备的电磁兼容已成为现代工程设计中的重要组成部分。工业发达国家如美国、英国、德国、日本等已经将电磁兼容要求纳入技术规范，欧共体规定自一九九六年一月一日起强制执行89/336/EEC指令，并加贴CE标志后才准许销售。

为了与国际接轨，我国的国家技术监督局规定自二OO二年十月起对电子产品，低压电器实施电磁兼容强制性认证。电磁兼容性设计是我们电气工作师不得不研究的一门紧要课题。

举例：医院内对电磁干扰敏感的设备

医院里的病人监测系统（血压计、心电图仪）对于电磁干扰是极其敏感的，因为被测的人体电信号非常微弱，通常以微伏、纳安级为单位，由高灵敏度探

头提取，易受外界电磁干扰而产生误差，或导致失灵；再则人体作为天线，更容易感应各种频率的电磁干扰信号，降低检测设备的抗扰阈值。

核磁共振成像系统的信号取样电路灵敏度很高，是极易受干扰影响其成像质量的。

植入人体内的心脏起搏器，心电去颤器，受到外界强电磁干扰脉冲后会导致失效，心脏停止跳动，或出现房颤，危及病人生命。

便携式诊断仪器，如脉搏分析仪、血氧计……都含有微信号放大的高增益IC电路，干扰电磁脉冲从电源线、输入探头及引线中窜入而受到干扰。

已公开报道的医疗设备受电磁干扰所发生的案例已屡见不鲜：

一九九八年三月,美国得克萨斯州的奥斯汀市一家医院的医疗检测系统失灵，究其原因是附近的一家电视台发射了数字电视信号。

一辆救护车上的监护设施停止工作，查实是救护车上的通信设备所产生的场强达20V/m，超过了医疗设备的干扰容限。

一家医院的核磁共振仪每天定时失效一次，原来是每天此时有一辆垃圾车从附近通过，车上的金属体使其磁场发生扭曲。

据报导，某些数字式手机通话时，常常引起心脏起搏机失效。

电磁兼容的重要性

开关电源大都选用脉宽调制式稳定电压，工作频率为20-70KHz。由于半导体功率器件发生电流瞬变和电压瞬变（di/dt, dv/dt）,不可避免地出现电磁噪声。电子镇流器也工作在开关状态，它们属于一种强电磁干扰源。

电磁兼容性设计不当，其所产生的电磁干扰通过传导和辐射会对其它电子仪器．设备产生影响，可能使整个系统无法正常作。

电磁骚扰及相关要求

国家标准GB/T 4365-1995《电磁兼容术语》对电磁兼容定义为“设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的

电磁骚扰的能力。”又陆续制定了《无线电干扰和抗扰度测量设备规范》（GB/T 6113-1995），《电动工具、家用电器和类似器具无线电干扰特性的测量方法和允许值》（GB/T 4343-84）等。我国在该领域起步较晚，而国外已达上百个标准之多。起草的标准主要参照国际电工委员会（IEC）的有关规定，与国际接轨。电源骚扰电压的限值如下表。

上述限值电平单位用dBμV表示，根据dBμV＝2OLogV(uV) 可得：

１uV=OdB uV

而 60 dBuV=1mV

EMC测试设备：

ＥＭＩ３００１／ＥＭＩ３００２／ＥＭＩ３００３，其频率范围：９－３００００ＫＨＺ，精度达２．０dＢuＶ．可以满足要求．

EMC 是电磁兼容性。是指电气设备和电子系统在设定的电磁环境和规定的安全界限范围内以设计的等级和性能运行，而不会受电磁干扰引起的损坏或不可接受的性能恶化。电磁干扰它包括机器内部干扰和系统之间的干扰。提高EMC的方法：电路设计时最好用贴片器件、晶体等振荡器件外壳接地、会产生火花的器件要用RC电路吸收放电电流、采用金属体屏蔽电路。EMC产品标准 GB13837、GB9254、GB4343、 GB9383、GB17625.1、GB13836、 GB/T17618、GB/17626； CISPR13、CISPR20、 CISPR22、FCC 。测试设备有频谱分析仪、电磁干扰接收分析仪。

厂 长见的几种屏蔽材料

陆续更新中~~~ 导电布

织物类型

金属镀层

电阻率

应用

优点

聚酯纤维 泡棉

镍/铜/镍

Ω < 0.05 ohms/square

导电泡棉

特殊形状,适应 特定环境的安装

泡棉类型

压缩变形 (ASTMD 3574)

颜色

应用

优点

聚氨酯

5 to 10%

黑或灰

导电泡棉

可阻燃压缩 衬垫形状复杂

热塑性橡胶(TPE)

< 20% 黄或白 导电泡棉

形状复杂 可阻燃

形状复杂

金属化泡棉

压敏胶带

< 5% 灰色 I/O衬垫 Ω ≤0.08 ohms/square

压敏胶带

不锈钢上180° 耐热性

剥离强度（ASTM3330） （3MTMInternalTest)

应用

优点

3MTM9485 或相同产品

75 oz/in(82N/100mm)

C

短期：450°F（232°） 高粘性抗剪C长期：300°F（149°）

高剥离强度 及高耐热性

切

高内粘强度、

Nitto D5052 或相同产品

87 oz/in(95N/100mm)

C

短期：311°F（155°） C长期：240°F（160°）

高粘性抗剪

切

高剥离强度及高耐热性

3MTM950 或相同产品 铜箔布

C短期：250°F（121°）

75 oz/in(82N/100mm) C

长期：180°F（82°）

高剥

高粘性

离强度

织物类型

电阻率

应用

优点

纯软质铜+聚脂纤维

Ω ≤0.02 ohms/square

导电泡棉

任意成型,可阻燃 导电性好,并导热

电磁兼容性(EMC)是指“一种器件、设备或系统的性能，它可以使其在自身环境下正常工作并且同时不会对此环境中任何其它设备产生强烈电磁干扰(IEEE C63.12-1987)。”对于无线收发设备来说，采用非连续频谱可部份实现EMC性能，但是很多有关的例子也表明EMC并不总是能够做到。例如在笔记本计算机和测试设备之间、打印机和台式计算机之间以及行动电话和医疗仪器之间等都具有高频干扰，我们把这种干扰称为电磁干扰(EMI)。

EMC问题来源

所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化，有时变化速率还相当快，这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中。

EMI有两条途径离开或进入一个电路：辐射和传导。信号辐射是藉由外壳的缝、槽、开孔或其它缺口泄漏出去；而信号传导则藉由耦合到电源、信号和控制在线离开外壳，在开放的空间中自由辐射，从而产生干扰。

很多EMI抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现，大多数时候下面这些简单原则可以有助于实现EMI屏蔽：从源头处降低干扰；藉由屏蔽、过滤或接地将干扰产生电路隔离以及增强敏感电路的抗干扰能力等。EMI抑制性、隔离性和低敏感性应该作为所有电路设计人员的目标，这些性能在设计阶段的早期就应完成。

对设计工程师而言，采用屏蔽材料是一种有效降低EMI的方法。如今已有多种外壳屏蔽材料得到广泛使用，从金属罐、薄金属片和箔带到在导电织物或卷带上喷射涂层及镀层(如导电漆及锌线喷涂等)。无论是金属还是涂有导电层的塑料，一旦设计人员确定作为外壳材料之后，就可着手开始选择衬垫。

金属屏蔽效率

可用屏蔽效率(SE)对屏蔽罩的适用性进行评估，其单位是分贝，计算公式为

SEdB=A+R+B

其中 A：吸收损耗(dB) R：反射损耗(dB) B：校正因子(dB)(适用于薄屏蔽罩内存在多个反射的情况)

一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些场合可能会要求将场强降至为最初的十万分之一，即SE要等于100dB。

吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量，吸收损耗计算式为

AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t

其中 f：频率(MHz) μ：铜的导磁率 σ：铜的导电率 t：屏蔽罩厚度

反射损耗(近场)的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离。对于杆状或直线形发射天线而言，离波源越近波阻越高，然后随着与波源距离的增加而下降，但平面波阻则无变化(恒为377)。

相反，如果波源是一个小型线圈，则此时将以磁场为主，离波源越近波阻越低。波阻随着与波源距离的增加而增加，但当距离超过波长的六分之一时，波阻不再变化，恒定在377处。

反射损耗随波阻与屏蔽阻抗的比率变化，因此它不仅取决于波的类型，而且取决于屏蔽罩与波源之间的距离。这种情况适用于小型带屏蔽的设备。

近场反射损耗可按下式计算

R(电)dB=321.8-(20×lg r)-(30×lg f)-[10×lg(μ/σ)] R(磁)dB=14.6+(20×lg r)+(10×lg f)+[10×lg(μ/σ)]

其中 r：波源与屏蔽之间的距离。

SE算式最后一项是校正因子B，其计算公式为

B=20lg[-exp(-2t/σ)]

此式仅适用于近磁场环境并且吸收损耗小于10dB的情况。由于屏蔽物吸收效率不高，其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加，所以校正因子是个负数，表示屏蔽效率的下降情况。

EMI抑制策略

只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低，另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低，还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率。综上所述，选择用于屏蔽的高导磁性材料非常复杂，通常要向EMI屏蔽材料供货商以及有关咨询机构寻求解决方案。

在高频电场下，采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果，但条件是屏蔽必须连续，并将敏感部份完全遮盖住，没有缺口或缝隙(形成一个法拉第笼)。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多个部份进行制作，因此就会有缝隙需要接合，另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便黏着与附加卡或装配组件的联机。

设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙，而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙。制造、面板联机、通风口、外部监测窗口以及面板黏着组件等都需要在屏蔽罩上打孔，从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免，但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的。

任一频率电磁波的波长为: 波长(λ)=光速(C)/频率(Hz)

当缝隙长度为波长(截止频率)的一半时,RF波开始以20dB/10倍频(1/10截止频率)或6dB/8倍频(1/2截止频率)的速率衰减。通常RF发射频率越高衰减越严重，因为它的波长越短。当涉及到最高频率时，必须要考虑可能会出现的任何谐波，不过实际上只需考虑一次及二次谐波即可。

一旦知道了屏蔽罩内RF辐射的频率及强度，就可计算出屏蔽罩的最大允许缝隙和沟槽。例如如果需要对1GHz(波长为300mm)的辐射衰减26dB,则150mm的缝隙将会开始产生衰减，因此当存在小于150mm的缝隙时，1GHz辐射就会被衰减。所以对1GHz频率来讲，若需要衰减20dB，则缝隙应小于15 mm(150mm的1/10)，需要衰减26dB时，缝隙应小于7.5 mm(15mm的1/2以上)，需要衰减32dB时，缝隙应小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。

可采用合适的导电衬垫使缝隙大小限定在规定尺寸内，从而实现这种衰减效果。

屏蔽设计难点

由于接缝会导致屏蔽罩导通率下降，因此屏蔽效率也会降低。要注意低于截止频率的辐射其衰减只取决于缝隙的长度直径比，例如长度直径比为3时可获得100dB的衰减。在需要穿孔时，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波导特性；另一种实现较高长度直径比的方法是附加一个小型金属屏蔽物，如一个大小合适的衬垫。上述原理及其在多缝情况下的推广构成多孔屏蔽罩设计基础。

多孔薄型屏蔽层：多孔的例子很多，比如薄金属片上的通风孔等等，当各孔间距较近时设计上必须要仔细考虑。下面是此类情况下屏蔽效率计算公式

SE=[20lg (fc/o/σ)]-10lg n 其中 fc/o：截止频率 n：孔洞数目

注意此公式仅适用于孔间距小于孔直径的情况，也可用于计算金属编织网的相关屏蔽效率。

接缝和接点：电焊、铜焊或锡焊是薄片之间进行永久性固定的常用方式，接合部位金属表面必须清理干净，以使接合处能完全用导电的金属填满。不建议用螺钉或铆钉进行固定，因为紧固件之间接合处的低阻接触状态不容易长久保持。

导电衬垫的作用是减少接缝或接合处的槽、孔或缝隙，使RF辐射不会散发出去。EMI衬垫是一种导电介质，用于填补屏蔽罩内的空隙并提供连续低阻抗接点。通常EMI衬垫可在两个导体之间提供一种灵活的连接，使一个导体上的电流传至另一导体。

封孔EMI衬垫的选用可参照以下性能参数： ．特定频率范围的屏蔽效率 ．黏着方法和密封强度 ．与外罩电流兼容性以及对外部环境的抗腐蚀能力。 ．工作温度范围 ．成本

大多数商用衬垫都具有足够的屏蔽性能以使设备满足EMC标准，关键是在屏蔽罩内正确地对垫片进行设计。

垫片系统：一个需要考虑的重要因素是压缩，压缩能在衬垫和垫片之间产生较高导电率。衬垫和垫片之间导电性太差会降低屏蔽效率，另外接合处如果少了一块则会出现细缝而形成槽状天线，其辐射波长比缝隙长度小约4倍。

确保导通性首先要保证垫片表面平滑、干净并藉由必要处理以具有良好导电性，这些表面在接合之前必须先遮住；另外屏蔽衬垫材料对这种垫片具有持续良好的黏合性也非常重要。导电衬垫的可压缩特性可以弥补垫片的任何不规则情况。

所有衬垫都有一个有效工作最小接触电阻，设计人员可以加大对衬垫的压缩力度以降低多个衬垫的接触电阻，当然这将增加密封强度，会使屏蔽罩变得更为弯曲。大多数衬垫在压缩到原来厚度的30%至70%时效果比较好。因此在建议的最小接触面范围内，两个相向凹点之间的压力应足以确保衬垫和垫片之间具有良好的导电性。

另一方面，对衬垫的压力不应大到使衬垫处于非正常压缩状态，因为此时会导致衬垫接触失效，并可能产生电磁泄漏。与垫片分离的要求对于将衬垫压缩控制在制造商建议范围非常重要，这种设计需要确保垫片具有足够的硬度，以免在垫片紧固件之间产生较大弯曲。在某些情况下，可能

需要另外一些紧固件以防止外壳结构弯曲。

压缩性也是转动接合处的一个重要特性，如在门或插板等位置。若衬垫易于压缩，那么屏蔽性能会随着门的每次转动而下降，此时衬垫需要更高的压缩力才能达到与新衬垫相同的屏蔽性能。在大多数情况下这不太可能做得到，因此需要一个长期EMI解决方案。

如果屏蔽罩或垫片由涂有导电层的塑料制成，则添加一个EMI衬垫不会产生太多问题，但是设计人员必须考虑很多衬垫在导电表面上都会有磨损，通常金属衬垫的镀层表面更易磨损。随着时间成长这种磨损会降低衬垫接合处的屏蔽效率，并给后面的制造商带来麻烦。

如果屏蔽罩或垫片结构是金属的，那么在喷涂抛光材料之前可加一个衬垫把垫片表面包住，只需用导电膜和卷带即可。若在接合垫片的两边都使用卷带，则可用机械固件对EMI衬垫进行紧固，例如带有塑料铆钉或压敏黏结剂(PSA)的“C型”衬垫。衬垫黏着在垫片的一边，以完成对EMI的屏蔽。

衬垫及附件

目前可用的屏蔽和衬垫产品非常多，包括铍-铜接头、金属网线(带弹性内芯或不带)、嵌入橡胶中的金属网和定向线、导电橡胶以及具有金属镀层的聚氨酯泡沫衬垫等。大多数屏蔽材料制造商都可提供各种衬垫能达到的SE估计值，但要记住SE是个相对数值，还取决于孔隙、衬垫尺寸、衬垫压缩比以及材料成分等。衬垫有多种形状，可用于各种特定应用，包括有磨损、滑动以及带铰链的场合。目前许多衬垫带有黏胶或在衬垫上面就有固定装置，如挤压插入、管脚插入或倒钩装置等。

各类衬垫中，涂层泡沫衬垫是最新也是市面上用途最广的产品之一。这类衬垫可做成多种形状，厚度大于0.5mm，也可减少厚度以满足UL燃烧及环境密封标准。还有另一种新型衬垫即环境/EMI混合衬垫，有了它就可以无需再使用单独的密封材料，从而降低屏蔽罩成本和复杂程度。这些衬垫的外部覆层对紫外线稳定，可防潮、防风、防清洗溶剂，内部涂层则进行金属化处理并具有较高导电性。最近的另外一项革新是在EMI衬垫上装了一个塑料夹，同传统压制型金属衬垫相比，它的重量较轻，装配时间短，而且成本更低，因此更具市场吸引力。

结论

设备一般都需要进行屏蔽，这是因为结构本身存在一些槽和缝隙。所需屏蔽可藉由一些基本原则确定，但是理论与现实之间还是有差别。例如在计算某个频率下衬垫的大小和间距时还必须考虑信号的强度，如同在一个设备中使用了多个处理器时的情形。表面处理及垫片设计是保持长期屏蔽以实现EMC性能的关键因素。

第一讲产品骚扰的抑制方法

造成设备性能降级或失效的电磁干扰必须具备三个要素，即有一个电磁骚扰源；有一台对干扰敏感的设备；及有一条电磁干扰的传播途径。为解决设备的电磁兼容问题，无论从抑制骚扰源逸出，或切断电磁干扰的传播通路，或提高设备自身的抗干扰能力，都能取得满意效果。为此，本讲座拟从三个不同侧面讨论提高设备电磁兼容的措施，包括产品骚扰的抑制方法；提高产品抗扰度的方法；产品内部的电磁兼容性设计要点。

首先讨论产品骚扰的抑制方法。

产品骚扰的抑制有三种基本方法，即接地、屏蔽和滤波。每种方法在电路与系统的设计中各有独特作用，但在使用上又是相互关连。如良好的接地可降低设备对屏蔽和滤波的要求；而良好的屏蔽也能降低对滤波的要求。

1接地

“接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。

1.1设备的信号接地

设备的信号接地，可能是以设备中的某一点或一块金属薄板来作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。

实用中有三种基本的信号接地方式，即浮地、单点接地和多点接地。

（1）浮地

采用浮地的目的是将电路或设备与公共接地系统，或可能引起环流的公共导线隔离开来。浮地还可以使不同电位间的电路配合变得容易。

实现电路或设备浮地的方法有变压器隔离和光电隔离。

浮地的最大优点是抗干扰性能好。

浮地的缺点是由于设备不与公共地相连，容易在两者间造成静电积累，当电荷积累到一定程度后，在设备地与公共地之间的电位差可能引起剧烈的静电放电，而成为破坏性很强的骚扰源。 一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻，用以释放所积聚的电荷。注意控制泄放电阻的阻抗，太低的电阻值会影响设备泄漏电流的合格性。

（2）单点接地

单点接地是指在一个电路或设备中只有一个物理点被定义为接地参考点，电路或设备中凡需要接地的点都被接至这一点。

对一个系统，如采用单点接地，则系统中的每个设备都有自己的单点接地点，然后各设备的“地”再与系统中唯一指定的参考接地点相连。

单点接地的缺点是当系统工作频率很高时，以致信号的波长可与接地线长度相比拟时（如达到1/4波长），接地线就不能作为一根普通连接线考虑，它会呈现某种电抗效应，使接地效果不理想，此时必须引进多点接地概念。

（3）多点接地

多点接地指设备中凡需要接地的点都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地线最短。这里说的接地平面可以是设备的底板、专用接地母线，甚至是设备的框架。

多点接地的优点是简单，凡需要接地的点都可以就近接地，从而使接地线上出现高波驻波的现象大为减少。故多点接地在高频下使用有上佳表现。

多点接地对接地点的维护要求较高，任何一些因锈蚀或松动等原因，均可造成接地效果变差，使设备工作不可靠。

图1.1干扰源的电位梯度

图1.2金属板屏蔽

图1.3磁场屏蔽

（4）混合接地

单点和多点接地的各自优缺点，促使人们想到了混合接地。只将需要就近接地的点，就近直接与接地平面相连（或对需要高频接地的点，通过旁路电容与接地平面相连），其余各点均采用单点接地。

单点接地与多点接地的分界常以流通信号波长λ的0.05倍为界，凡单点接地线长度达到0.05λ以上时，就应当用多点接地。

（5）信号接地线的处理

信号接地是在指定的两个点（其中有一个被称为“地”的参考点）间建立导电通路，以便实现电路与机壳，或电路与指定接地板之间的连接。最关键的是要强调连接良好，建立低阻抗的通路，这对射频电流在接地回路中的流动特别重要。

1.2设备的接大地

（1）设备的接大地

实用中，除认真考虑设备内部的信号接地外，通常还要将设备的信号地、机壳与大地连在一起，并以大地作为设备的接地参考点。设备接大地的目的有三个：

①设备的安全接地，保证了对设备的操作人员实现安全保护。

②泄放机箱上所积聚的电荷，避免因电荷积聚使机箱电位升高，造成电路工作的不稳定。 ③避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化，造成设备工作的不稳定。

由此可见，设备接大地除了对人员安全、设备安全的考虑外，也是抑制干扰发生的重要手段。实用中，如能将接地与屏蔽、滤波等技术配合使用，将会对提高设备的电磁兼容性起到事半功倍的作用。

（2）接大地的方法与接地电阻

接大地有效性的重要指标是接地电阻。接地电阻除与接地电极的制作方式有关外，也和大地自身的性质有关。

人们习惯把地下金属管道作为接地电极，由于它与大地有较大的接触面积，可取得较小的接地电阻。但做法不规范，流入管道的故障电流和杂散电流容易对管道检修人员造成伤害。此外，任何非金属的管道构件都能使接地的有效性受到破坏。

正确的接大地方法是用直径1cm～2cm的铜棒（长2m～4m）打入地下，深度在2m以上。一根铜棒的接地电阻在25Ω左右，这对一些小功率电气设备已足够用。若要更小的接地电阻，可增加铜棒附近地域的盐份和水份，必要时还可将几根铜棒互连成网。在权衡设备投资及防雷、防电源故障和防电磁脉冲的要求后，接地电阻以10Ω为设计目标是合理的。

2屏蔽

屏蔽能有效抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是限制设备内部的辐射电磁能越出某一区域；二是防止外部的辐射电磁能进入某一区域。

按屏蔽所起的作用分，有电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。

2.1电场屏蔽

设备中电位不同物体间（包括导线间）的相互感应可看成是分布电容间的电压分配（参见图

1.1）。图1.1中，干扰源A与受感应物B

之间的电压关系为

的感应，可采用的方法有：

（1）增大A、B间距离，以便减小分布电容C1。

（2）尽可能让B贴近接地板，以增大B对地的电容C2。

（3）在A、B间插入金属屏蔽板（参见图1.2）。

屏蔽板的作用是：

①屏蔽板的存在，增大了A、B之间的距离，结果使A、B间的分布电容C1′减小。

②当屏蔽板靠近被保护的B时，使B的对地电容C4增大。而C4的作用与地位与C2是相同的。

朗讯科技高性能电源系统

北京隆方信息咨询有限公司李正子

在图1.2中，对屏蔽板的厚度无特殊要求，但要求其为良导体，强度要足够，且接地要良好。

2.2磁场屏蔽

磁场屏蔽通常是指对直流或低频磁场的屏蔽，其效果比起对电场和电磁场的屏蔽要差得多。 磁场屏蔽的主要机理是利用屏蔽体的高导磁率、低磁阻特性对磁通所起的磁分路作用，使屏蔽体内部的磁场大大削弱（图1.3）。

磁场屏蔽的设计要点是：

（1）选用高导磁率的材料，以减少屏蔽体的磁阻。

（2）增加屏蔽体的壁厚，同样还是减少屏蔽体的磁阻。

（3）被屏蔽物要放在屏蔽体中心位置，尽可能不让磁通经过被屏蔽物，避免降低屏蔽效果。 UB= 为减弱A对B

（4）注意屏蔽体的结构，凡缝隙、通风孔等应顺着磁场方向分布，尽可能不阻断磁通的通过。

（5）对强磁场可采用双层屏蔽体结构。当要屏蔽外部强磁场时，要求外层屏蔽体选用不易磁饱和的材料，如硅钢等；内层则用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等。反之，屏蔽体的材料使用次序也颠倒过来。两层屏蔽体在安装时要注意彼此间的磁路绝缘。如屏蔽体无接地要求，可用绝缘材料作支撑。如要求接地，可用非铁磁材料的金属作支撑。从屏蔽体可兼有电、磁屏蔽功能出发，通常是要接地的。

2.3电磁场屏蔽

电磁场屏蔽的目的是要阻止电磁场在空间传播。

与电场和磁场屏蔽的机理不同，电磁场屏蔽的机理是：

（1）屏蔽体金属表面对电磁波的反射作用（就这一点来说，对屏蔽体的厚度无要求）。

（2）未被完全反射的电磁波在进入屏蔽体内部时，继续向前传播的过程中会被屏蔽体金属所吸收。

（3）当部分未被吸收掉的电磁波透过金属到达屏蔽体另一表层时，在金属与空气交界面上会再次形成反射，重返屏蔽体内部，结果在屏蔽体内部形成多次反射和吸收现象（当然最终还会有少量电磁波透过屏蔽体而进入被保护空间）。

因此，电磁屏蔽是基于金属材料对电磁波的反射和吸收两个作用来完成的。

3滤波

由于滤波的本身具有双向作用（既可抑制从设备电源线引出的传导骚扰，又可降低从电网引入的传导干扰），因此，滤波部分的内容放在提高产品抗扰度方法中一起讨论。