第３期 王字翔：电子产品的电磁兼容性设计与实用经验 性要比单纯地讲抗干扰能力的意义更深远。 ３ 电磁兼容性的设计 电磁兼容性在军事上具有重要意义。例如：在 英阿马岛之战中．英国的谢菲尔德导弹驱逐舰就因 ３．１电磁兼容性的标准 未解决好电磁兼容性问题．为保证远程通信不受干 目前国外制定的电磁兼容性标准己达上百种 扰而暂时关闭了雷达系统．结果被阿根廷飞机发射 具有代表性的如“电磁兼容性名词术语” （ＩＥＣ 的飞鱼式导弹击中．舰毁人亡。在海湾战争中，多 ５Ｏ一１６１）， “系统电磁兼容性要求” （ＭＩＬ—Ｅ一 国部队亦抓住伊拉克雷达通信网抗干扰能力差的致 ６０５１Ｄ）， “电磁干扰特性的测量” （ＭＩＬ—ＳＴＤ一 命弱点．首先使之瘫痪，然后占据了制空权。 ４６２）． “无线电干扰和抗扰度测量设备和测量方法 电磁干扰的危害性极大。表ｌ列出能够损坏电 规范” （ＣＩＳＲＲ １６—１—１９９３）。我国也陆续制定 子元器件的脉冲能量。此外．电磁辐射能引爆电起 了有关的国家标准和国家军用标准．例如： “电磁 爆装置、弹药厍，并会对人体造成危害。我国制定 兼容术语”（ＧＢ／Ｔ ４３６５－－１９９５）． “电磁干扰和电 的微波辐射人体的安全限度为０．０２５～０．０５ ｍＷ／ｃｍ： 磁兼容性术语” （ＧＪＢ ７２—８５）， “无线电干扰和 另外．飞机上应严禁使用手机．以免干扰导航系 抗扰度测量设备规范（ＧＢ／Ｔ ６１１３一ｌ９９５）”，电动 统．危及飞行安全 欧共体于１９９６年规定电子设 工具、家用电器和类似器具无线电干扰特性的测量 备（包括电器、电子仪器设备）必须进行电磁兼容 方法和允许值（ＧＢ ４３４３—８４）。例如：在ＧＢ ４３４３ 性试验 １９９７年又规定只有权威机构严格试验并 中规定的家用电器连续干扰电压允许值见表２ 这 取得ＣＥ认证的电子产品．才有资格进入欧洲市场 些标准的颁布与实施．为实现电磁兼容性奠定了基 销售 础 表１能损坏电子元器件的脉冲能量ｍＪ 表２家用电器连续干扰电压允许值 频段／ＭＨｚ 允许值／ｍＶ Ｏ．１５—０．２０ Ｏ．２０—０．５０ Ｏ．５０—５．０ ５．０—３０ ２ 电磁兼容性的研究领域 ３・２电磁兼容性的设计要点 其研究领域主要包括电磁干扰的产生与传输． 电磁兼容性的设计是一项复杂的系统工程。首 电磁兼容性的设计（含制定标准）、电磁干扰的诊 先应掌握有关标准及规范．然后根据实际的电磁环 断与抑制、电磁兼容性的测量与试验。仅以电磁干 境情况提出具体的要求．进而制定技术和工艺上的 扰源为例，它所研究的对象如下： 实施方案。在设计电子仪器设备时，应重点考虑电 路设计、印制板设计、隔离、退耦、滤波、接地以 及屏蔽等问题。举例说明．设计电路 大气噪声源（如雷电，砂暴引起的电晕放电） 时可以直选噪声容限高、抗干扰能力 天电噪声源（如太阳噪声，宇宙噪声） 二０二二 热噪声（如电阻热噪声） 强的ＣＭＯＳ电路来代替１ＴｒＬ电路：用 无触点的固态继电器（ＳＳＲ）取代电磁 电磁干扰源 ［电网干扰源（５０ Ｈｚ高压电网干扰） 继电器。增加消噪电路．防止产生自 电刷干扰源（由电机引起） 激振荡 对于从电源线引入或辐射出 点火系统干扰源（如汽车点火装置） 家用电器干扰源（如日光灯干扰） 去的电磁干扰．应在电源进线端加装 射频干扰源（如电子游戏机发出的干扰） 电源噪声滤波器（ＰＮＦ）。对机内干扰 有意制造的干扰源（如电子对抗战） 可视不同的情况而选用低通、高通、 ＤｔＡＮＺｔ ＣＨＡＮＰＩＮ ＫＥＫＡｏｘｔＮＧ ＹＵ ＨＵＡＮＪ｜ＮＧ ｓＨｌＹＡＮ 电子产品可靠性与环境试验 ２０１０年 带通滤波器或有源滤波器 利用光电耦合器来实现 信号隔离及阻抗变换 在构成测控系统时可选电磁 兼容性良好的ＶＸＩ总线仪器系统．应选择合适的 接地方式和接地点，以减小电磁干扰 要求信导线与地回线靠近走线。 环天挂 利用屏蔽能有效地防止机外干扰．并限制机内 电磁场的泄漏。常见的屏蔽有３种：电磁屏蔽、静 电屏蔽和磁屏蔽。其中，电磁屏蔽用于阻止高频电 磁能量在空间的传输．一般选对电磁波有明显的衰 减作用、导电性能良好的金属材料来制成屏蔽层、 屏蔽罩盛屏蔽体。为加强屏蔽效果。精密电子仪器 （例如电荷放大器）可设计成双层屏蔽甚至三层屏 蔽 磁屏蔽用于减小因外部磁变化而产生的感生电 图２差模发射（从源输出到负载所构成的回路） 动势及感生电流 低频磁屏蔽可选用导磁良好的铁 磁性物质而制成。射频磁屏蔽则由金属导体制成． 利用涡流来抑制外磁场的影响 ４ 电磁兼容性设计实用经验 ● 乜 ￡ ４．１电源使方面 要抑制电路的共模和差模辐射．线对地所形成 的高频电压而产生的辐射，被称为共模辐射。共模 辐射是由于电流绕经印制板的多个导电层。导致印 有些电源通断的一瞬间会对小功率电子设备造 成损害．对附近的电子设备形成干扰。例如：显示 器附近有电源设备时．有时开关电源设备的一瞬间 会导致显示器闪一下．如果电源功率较大或靠得太 近．而显示器屏蔽效果又达不到要求，显示器就会 出现波纹．影响使用。解决方法是：电源设备加装 屏蔽层．采取有效的接地措施，电源线也应带屏蔽 层．显示器等易受干扰的设备应尽量远离电源。 ４．２信号传输方面 制回路的电感增大，电容减小，使阻抗大大增加． 从而增大电磁辐射，导致了共模干扰。即电流流经 高阻抗路径产生的电磁场所形成的 共模电流的特 点是这些导体中的电流没有形成闭合回路．而是以 棒天线向空间辐射电磁场的方式产生共模电流ｆ如 图ｌ所示１。值得注意的是，不仅在印制电路板电 路中．而且在电源馈线及其它电缆中．甚至在屏蔽 层中也能产生共模电流 棒天线 信号在传输过程中由于线缆过长、过细，绝缘 性能不好，没有采取有效的屏蔽、接地措施，信号 传输就会受到干扰．特别是正电平信号受干扰的影 响较大。解决方法有： １）信号采用负电平传输： ２）容易相互干扰的信号分开传输： ３）高频信号单独采用同轴电缆传输： ｌｃｍ ４）模拟信号、数字信号分开传输； ５）同类信号可采取一根电缆传输（内部可采 用一根信号线附近一根地线的接线形式）： 接 图１共模发射（电流流经高阻抗路径，如开路） ６ 尽量采用带有屏蔽层的电缆．屏蔽层接地． 线缆的绝缘性能要好： 共模辐射是印制板电路设计中最值得注意的问 题．抑制共模干扰应减小回路阻抗，正确处理电源 回路、旁路和去耦，也可以衰减共模干扰。 通常称线对线的辐射为差模辐射．当信号从源 流向负载时ｆ如图２所示１就会产生差模辐射干 ７）正确使用双绞线可起到消除电磁干扰的作 用．通常网络线缆都是采用双绞线的形式。信号的 传输可使用双绞线的形式，通常采用蓝白双绞，蓝 色线接信号白色线接地．信号线和地线相邻： ８）信号线远离电源线，对于无法远离的则要 加装金属隔板；信号线应尽量短，粗细应合适； 扰 流经负载的电流会在线上产生与等值方向相反 的电流 差模电流的抑制主要是减小回路的面积， ９）数字信号受到干扰产生毛刺．可根据毛刺 第３期 王字翔：电子产品的电磁兼容性设计与实用经验 幅度大小（选用合适电容值电容，一般几十ｐｆ至几 引入外界干扰 单片机闲置的Ｉ／０端应定义成输出 状态 每个集成芯片的每组电源与地之间跨接Ｏ．１ 左右的陶瓷电容，可起到集成电路的去耦作用。 电源、地的孔距与电容的长度差不多，以便使电容 的跨接长度最短 电路板入１２１处电源与地之间应安 装２２ 左右的大容量电解电容和０．１ 左右的小 百Ｄｆ）采用电容滤波的方法，对信号进行滤波。 如果毛刺太大．用电容滤波的方法效果不理 想．最好采用数字逻辑电路对信号进行整形，如Ｄ 触发器 触发器使用数目视输入受干扰信号的脉冲 宽度而定．要保证整形后的信号一定比输入信号宽 才能达到消除前后沿毛刺的目的 这种方法效果显 容量非电解电容．这可起到电源去耦作用（大容量 电解电容去低频干扰部分．小容量非电解电容去高 频干扰部分）。多层印制电路板采用大面积地线设 著、可靠 ４．２地线使用方面 计．地线单独放在一层：凡是没有焊孔、过孑Ｌ的地 方都布成地．最大限度地增加接地面积，增强抗干 扰能力：模拟地、数字地分开。电源与地线应尽量 地线在解决干扰问题方面起着非常关键的作 用 地线过细、布局不合理等都会影响到抗干扰的 效果 电子设备都涉及到接地问题。电子设备在设 计阶段都会制定接地规范．以保障设备能够正常工 作。地线粗、接地面积尽量大是基本原则。大型电 子设备采用分层、逐级接地的方法可起到良好的抗 干扰效果 ４．３屏蔽措施 地粗一些．以减小导线阻抗．必要时可设计成地线 区域。 ｄ）印制板上的布线要合理．减少信号的交叉 干扰 印制导线需拐弯时．尽量采用４５￣折线或圆 角线．不要用９０￣折线 时钟振荡器应紧靠使用时 钟信号的电路 模拟电路与数字电路的引线不要交 叉。功率器件应布置在印制板一侧并靠近边上。高 频、视频等易受干扰又易产生干扰的信号采用屏蔽 线．印制板走线越短越好。相同性质的信号放在同 一屏蔽技术可以起到抑制外部电磁感应干扰的作 用．采取有效的屏蔽措施是减少电磁干扰的重要手 段。屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场 或电磁场耦合的部分隔离开来．割断其空间场的耦 合通道：良好的屏蔽是和接地紧密相连的，因而可 以大大降低噪声耦合，取得较好的抗干扰效果。 屏蔽的方法通常是用低电阻材料做成屏蔽体． 把需要隔离的部分包围起来．起到隔离作用：被隔 离的部分既可以是干扰源．也可以是易受干扰的部 分。这样，既屏蔽了被隔离部分向外施加干扰．也 屏蔽了被隔离部分接受外来的干扰 ４．４印制电路板布线方面 层．易相互干扰的信号放在不同层．信号走线保 ｅ）在设计大功率单片开关电源时．必须把信 持一定的间距 号地与功率地线分开布置．最后在输出端汇合 这 是因为功率地线上有大电流通过．它在印制导线上 形成的电压．势必会影响稳压性能 ５ 结束语 电磁兼容性设计及其指标是衡量电子产品质量 的重要标志，应该引起我们工作的高度重视。在工 程实践中所采用的设计方法．因为可采用的方法及 技术手段很多，需要具体问题具体分析，必要时还 应该做针对性试验加以验证。 参考文献： ｆ１１全国无线电干扰 准化技术委员会．电磁兼容标准实施 指南［Ｍ１．北柬： ｌ一 标准出版社，１９９９． 保证电子设备的设计成功在印制板布线阶段所 采取的抗干扰措施非常重要．主要措施如下： ａ）采用大规模集成电路，减少器件数量及信 号走线。 ｂ）合理布局。缩短走线及器件间的串扰．尽 量把相互间有关联的器件放在一起 ｃ）集成芯片的输入／输出信号匹配驱动，输 【２】诺尔曼．电磁兼容手册【Ｋ】．北京：信息产业部电子第４ 研究所．１９９６． 人、输出信号加驱动电路（如７４ＨＣ２４４盛 【３】薛萍冰．电子系统中抗干扰技术的实用经验【Ｊ］．ＩＮＣｈ电 子测量技术，２００８，２７（８）：２１～２３． ７４ＨＣ２４５）和匹配电阻。各输入端一律不得悬空． 不用的输入端也应接合适的固定电平。控制端直加 偏置电阻（上拉或下拉电阻），避免无控制信号时 ＤＩＡＮｚｌＣＨＡＮＲＩＮＫＥＫＡＯＸＩＮＧ ＹＵＨＵＡＮ ＪＩＮＧ ｓＨ｜ＹＡＮ ［４］李舜阳，李华．印制电路板的电磁兼容设计［Ｊ】．电子产 品可靠性与环境试验，２００２，１８（２）：１８—２２．