在我們的日常生活中,電磁現象隨處可見:利用電磁能量轉化為熱能來實現加熱食品的微波爐,利用電磁場和電磁波傳遞信息的手機,還有通過匯聚宇宙中的電磁波,進行天文觀測活動的“中國天眼FAST”,這些都與電磁有著密切的關系。
伴隨著電磁出現的還有電磁干擾,它分為自然電磁干擾和人為電磁干擾。
自然電磁干擾是自然界所固有的,與人的活動無關的電磁干擾現象,比如天空打雷放電等現象。此外,太陽系也常常發生強烈的電磁現象,太陽以及太陽系的行星都會發出輻射和電磁干擾,引發復雜的電磁環境。例如,太陽黑子爆發可能會造成電力系統全面停電,使地球上的無線電通信中斷。
人為電磁干擾主要存在于工業、交通和商業環境中。電子設備在工作時,設備中的電路會有交變的電流流動,該電流會通過輻射或傳導的方式,向空間和周圍設備輻射或傳導電磁能量,從而有一定概率對其他的設備產生電磁干擾,影響設備正常工作。
能夠想象得出,如果電磁干擾過度,不僅會對人們生產生活帶來巨大影響,還會對國防安全造成威脅。為了有效避免電磁干擾,電磁兼容應運而生。
什么是電磁兼容
EMC(Electro Magnetic Compatibility)——電磁兼容,是指電子、電氣設備或系統在預期的電磁環境中,按設計要求正常工作的能力。任何產生電磁兼容問題都必須具備以下三個條件:騷擾源(干擾源)、耦合途徑和敏感設備,該三要素缺少任何一個都構不成電磁兼容問題。騷擾源即產生騷擾的電子、電氣設備或系統,說明騷擾從哪里來;耦合途徑是將騷擾源產生的騷擾傳輸到敏感設備的途徑,說明騷擾如何傳輸;敏感設備是受到騷擾影響的電子、電氣設備或系統,說明了騷擾到何處去。
一般電子產品設計時不考慮EMC問題,就會導致EMC測試失敗,以致不能通過相關法規的認證,而不能出廠銷售。目前,衡量一個產品的EMC的性能主要從以下兩個方面來考慮:
(1)EMI(Electro Magnetic Interference)——電磁干擾性能。 即處在一定環境中的設備或系統正常運行時,不應產生超過相應標準所要求的電磁能量干擾。這樣的電磁干擾有:從電源線傳導出來的電磁騷擾;從信號線、控制線傳導出來的騷擾;從產品殼體(包括產品中的所有電纜)輻射出來的騷擾;從電源端口傳導出來的諧波電流;電源端口產生的電壓波動和閃爍。
(2)EMS(Electro Magnetic Susceptibility)—電磁抗擾度性能。 即處在一定環境中的設備或系統正常運行時,設備或系統能承受各種類型的電磁能量干擾。這種電磁能量干擾主要有:靜電放電(ESD);電源端口的電快速瞬變脈沖群;信號線、控制線端口的電快速瞬變脈沖群;電源端口的浪涌和雷擊;信號線、控制線端口的浪涌和雷擊;從空間傳遞給產品殼體的電磁輻射;電源端口傳入的傳導干擾;電源端口的電壓跌落與中斷。
因此,相應的EMC測試就包括EMI電磁干擾測試和EMS電磁抗擾度測試。
EMI主要測試項目:
1、傳導騷擾(CE)測試(電源線、信號、控制線);
2、輻射騷擾(RE)測試;
3、諧波(Harmonic)測量;
4、電壓波動和閃爍(Fluctuation and Flicker)測量。
EMI測試場地有半電波暗室、全電波暗室、開闊場等。
EMS主要測試項目:
1、靜電放電抗擾度(ESD);
2、電快速瞬變脈沖群抗擾度(EFT);
3、浪涌(SURGE);
4、輻射抗擾度(RS);
5、傳導抗擾度(CS)。
同時,為了能夠讓測試工作更加高效便捷,產品質量和服務水平能夠有效提升,各類產品的電磁兼容性(EMC)國際標準均在逐步完善。具有代表性的電磁兼容性(EMC)國際標準如下:
這些國際標準還會定期進行修訂。這是因為當發生由電磁兼容性(EMC)問題導致的嚴重事件時,與其他法律法規一樣,為了防止此類事件再次發生,就需要由國際電工委員會(IEC)和國際標準化組織(ISO)等相應的組織進行討論并修改頻率范圍和測量極限值,修訂和發布相應的國際標準。
EMC設計基本要素
EMC設計基本要素主要包含三點:
1、接地
接地對電子設備的正常工作非常關鍵。接地的目的有三個:(1)接地使整個電路系統中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位,保證電路系統能穩定地工作;
(2)防止外界電磁場的干擾。機殼接地可以使得由于靜電感應而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放,否則這些電荷形成的高壓可能引起設備內部的火花放電而造成干擾。另外,對于電路的屏蔽體,若選擇合適的接地,也可獲得良好的屏蔽效果;
(3)保證安全工作。當發生直接雷電的電磁感應時,可避免電子設備的毀壞;當工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其他原因直接與機殼相通時,可避免操作人員的觸電事故發生。
2、屏蔽
屏蔽就是對兩個空間區域之間進行金屬的隔離,以控制電場、磁場和電磁波由一個區域對另一個區域的感應和輻射。具體講,就是用屏蔽體將元器件、電路、組合件、電纜或整個系統的干擾源包圍起來,防止干擾電磁場向外擴散;用屏蔽體將接收電路、設備或系統包圍起來,防止它們受到外界電磁場的影響。
3、其他抑制干擾方法
(1)濾波
濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。
濾波器可以顯著地減小傳導干擾的電平,因為干擾頻譜成份不等于有用信號的頻率,濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成分有良好的抑制能力,從而起到其他干擾抑制難以起到的作用。
(2)正確選用無源元件
使用的無源元件可能并不“理想”。使用的元件本身可能就是一個干擾源,因此正確選用無源元件非常重要。有時也可以利用元件具有的特性進行抑制和防止干擾。
(3)電路技術
有時候采用屏蔽后仍不能滿足抑制和防止干擾的要求,可以結合屏蔽,采取平衡措施等電路技術。
我國發展
在全世界范圍內,電磁兼容性問題已經形成一門新的學科,也是一門以電磁場理論為基礎,包括信息、電工、電子、通信、材料、結構等學科的邊緣科學,同時也是一門實踐性比較強的學科,需要產品工程師具有豐富的實踐知識。
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