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机械工业仪器仪表综合技术经济研究所测量控制设备及系统实验室

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电磁兼容EMC三要素及其整改措施

发布时间:2025-05-13

一、相关定义
1.EMC(Electro Magnetic Compatibility)直译是“电磁兼容性”。意指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰,也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。   
2. EMI(Electro Magnetic Interference)直译为”电磁干扰”,是指电子设备(干扰源)通过电磁波对其他电子设备产生干扰的现象。示例:当我们看电视的时候,旁边有人使用电吹风或电剃须刀之类的家用电器,电视屏幕上会出现的雪花噪点;电饭锅煮不熟米饭;关闭了的空调会自行启动……这些都是常见的电磁干扰现象。更为严重的是,如果电磁干扰信号妨碍了正在监视病情的医疗电子设备或正在飞行的飞机,则会造成不堪设想的后果。从这些例子来看,就好像是电子设备具有无形的“攻击力”,对其他电子设备的正常运行造成了扰乱和破坏。
3.EMS(Electro Magnetic Susceptibility)直译为“电磁敏感度”,是指由于电子设备受到外界的电磁能量,造成自身性能下降的容易程度。
示例:例如同样受到电吹风或电剃须刀的干扰,有些电视机的屏幕上出现了雪花噪点,有些电视机却安然无恙。这表明在受到电磁干扰“攻击”的情况下,前者的电磁敏感度较高,更易受伤,也就是“防御力”较低;而后者的电磁敏感度较低,不易受伤,即“防御力”较高。   
4. 传导干扰和辐射干扰:从“攻击”方式上看,电磁干扰(EMI)主要有两种类型:传导干扰和辐射干扰。    传导干扰是指干扰源通过导电介质(例如电线)把自身电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。最常见的例子是我们电脑中的电源会对家里的用电网络产生影响,在电脑开机的同时家里的电灯可能会变暗,这在使用杂牌劣质电源的电脑上表现得更为明显。而在当今电源的内部结构中,一二级EMI滤波电路是必不可少的,这里的“EMI”针对的就是电磁传导干扰,以防止电源工作时对外界产生太大的影响。    辐射干扰是电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。如下图,通过电源线相互产生的干扰是传导干扰,通过电磁波产生的干扰是辐射干扰。
5.电磁干扰EMI是一种在另一个电子设备中引起干扰的电磁发射。EMI涵盖了整个电磁频谱,但最适用于10 kHz至10 GHz频率范围内的现代电子设备。电磁干扰可以来自有意或无意的来源,连续或间歇,在单个频率或宽范围的频率上。
无意的EMI源包括开关模式电源(SMPS)、数字设备、有刷直流电机、高压点火系统和荧光灯。开关电源是最常见的无意电磁干扰源;因为它们现在几乎只用于LED灯泡、数字设备以及手机和笔记本电脑的电池充电器。
有意EMI源最常见的是射频发射机,其发射通常被称为射频干扰(RFI)。这包括AM收音机、FM收音机、电视、手机、Wi-Fi、蓝牙以及航空、应急服务使用的许多其他固定和移动无线电通信系统。
间歇性EMI包括可能对电子设备造成灾难性损坏的瞬态,包括静电放电、闪电、电感反冲和电磁脉冲事件(EMP)。
二、电磁兼容三要素
产生电磁兼容或者说电磁干扰问题,必须同时具备三个条件:
1)干扰源:产生干扰的电路或者是设备
2)敏感源:产品中受这种干扰影响的关键电路或者是设备
3)耦合路径:能够将干扰源产生的干扰能量传递到敏感源的回路路径。
以上三个条件是电磁兼容问题的三要素,只要将这三个要素中的一个消除掉,那么电磁干扰问题就不会存在了。电磁兼容设计就是通过研究每个要素的关键特点,找出消除每个要素的技术方法,再在工程实践中进行具体的实践实施。
三、产生电磁干扰的条件:
1)变化的电压或者电流即电路中存在du/dt,di/dt。
2)电路中的传导导体,辐射天线
当电压或电流发生快速变化时,就会产生电磁辐射现象,导致电磁干扰。因此,电磁干扰的问题主要原因之一就是脉冲电路的应用问题,比如数字电路,变频器电路,开关电源电路等等。只要在这种电压或电流突然变化的环境中,都要考虑电磁干扰问题。
数字脉冲电路:随着产品的物联及智能化发展,这种电路将无所不在。
工作在开关状态的开关电源,比如AC/DC变换器、DC/DC变换器、电机及马达控制系统。
感性负载的接通和关断等等。
辐射干扰主要通过壳体和连接线以电磁波形式污染空间电磁环境;
传导干扰是通过电源线骚扰公共电网或通过其他端子(如:射频端子,输入端子)影响相连接的设备。
四、针对三要素的解决方案与案例
1. 抑制干扰源干扰源是EMC问题的起点,常见干扰源包括高速数字电路、开关电源、电机等。抑制方法包括:滤波与去耦:在电源入口或高速器件(如IC)的电源引脚处添加高频去耦电容(如0.1μF陶瓷电容),吸收高频噪声。
例如,某医疗设备的推杆电机因频繁正反转产生高频脉冲,通过在电机电源线端口加入共模滤波器(如BDL滤波板),显著抑制了传导噪声。降低信号跳变速率:通过串联电阻或选择低速芯片,减少信号边沿的陡峭度(如将微控制器时钟频率降至系统最低需求),从而减少高频谐波辐射。优化电路设计:对高频噪声源(如继电器)进行物理隔离或阻尼处理,例如汽车点火系统采用带阻尼的屏蔽线缆抑制高频辐射。
案例:某胃镜设备因推杆电机切换时产生电磁脉冲干扰视频信号,导致成像花屏。通过定位干扰源为电机高频切换噪声,在电机出线口增加共模滤波器,并将电机电源线替换为屏蔽线束,最终解决干扰问题。
2. 阻断耦合路径干扰传播路径可分为传导耦合(通过导线)和辐射耦合(通过空间)。阻断路径的关键措施包括:屏蔽与接地:对敏感区域(如时钟电路)使用金属屏蔽罩并多点接地,减少空间辐射干扰。
例如,汽车电子中采用金属化处理的塑料外壳,结合单点接地法,有效隔离内部电机噪声。优化PCB布局:分区设计:将高速数字电路、模拟电路、大功率器件分区域布局,减少串扰。关键信号线保护:对时钟线、高速总线采用“包地”设计(两侧布设地线),并避免长距离平行走线。屏蔽电缆与磁环:在信号线或电源线上绕制高磁导率(高μ值)的铁氧体磁芯,抑制高频噪声传导。例如,某车载系统中,通过MIPI信号线使用双绞屏蔽线缆,阻断电机噪声耦合至视频链路。
案例:某工业控制器因电源线与信号线并行布线导致传导干扰,通过重新设计PCB分区,并在电源入口处增加1μF高频电容,传导干扰降低15dB以上。
3. 保护敏感设备敏感设备(如高精度ADC、传感器)需通过硬件与软件结合的方式提升抗扰性:硬件防护:隔离技术:采用光耦或变压器隔离敏感信号,阻断共模干扰路径。
例如,某医疗设备在模拟信号输入端增加光电隔离模块,显著提升抗EFT(电快速瞬变脉冲群)能力。冗余设计:在关键信号通道(如复位线)增加TVS二极管或RC滤波电路,抑制瞬态脉冲10。软件抗干扰:数字滤波:对采集数据采用滑动平均或中值滤波算法,消除偶发噪声。看门狗与冗余校验:通过定时器监控程序运行状态,防止因干扰导致死机。
案例:某新能源汽车的电池管理系统因CAN总线受电机辐射干扰导致数据异常,通过软件端增加CRC校验和硬件端增加共模扼流圈,实现双重防护。

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