王宇翔

（湖南涉外经济学院，湖南 长沙 410205）

1 引言

电磁干扰与电子产品的抗干扰能力，既是一对难解难分的冤家对头，又是相互关连的矛盾统一体。一方面，电子产品的日益普及使电磁干扰日益严重；另一方面，电磁干扰又对电子产品的设计提出了更高的要求。其核心问题是如何确保电子产品(含电子仪器设备、家用电器)在复杂的电磁环境中能够正常工作并达到设计指标的要求。

国际电工委员会 （IEC） 为电磁兼容性（EMC）所下的定义为： “电磁兼容性是电子设备的一种功能，电子设备在电磁环境中能完成其功能，而不产生不能容忍的干扰”。这里讲的电磁环境是指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。这表明电磁兼容性具有两层含义：第一，电子产品应具有抑制外部电磁干扰的能力；笫二，该电子产品所产生的电磁干扰应低于限度，不得影响同一电磁环境中其它电子设备的正常工作。显然，电磁兼容性要比单纯地讲抗干扰能力的意义更深远。

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，英国的谢菲尔徳导弹驱逐舰就因未解决好电磁兼容性问题，为保证远程通信不受干扰而暂时关闭了雷达系统，结果被阿根廷飞机发射的飞鱼式导弹击中，舰毁人亡。在海湾战争中，多国部队亦抓住伊拉克雷达通信网抗干扰能力差的致命弱点，首先使之瘫痪，然后占据了制空权。

电磁干扰的危害性极大。表1列出能够损坏电子元器件的脉沖能量。此外，电磁辐射能引爆电起爆装置、弹药厍，并会对人体造成危害。我国制定的微波辐射人体的安全限度为0.025～0.05 mW/cm2。另外，飞机上应严禁使用手机，以免干扰导航系统，危及飞行安全。欧共体于1996年规定电子设备 （包括电器、电子仪器设备）必须进行电磁兼容性试验。1997年又规定只有权威机构严格试验并取得CE认证的电子产品，才有资格进入欧洲市场销售。

表1 能损坏电子元器件的脉冲能量mJ

2 电磁兼容性的研究领域

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 （含制定标准）、电磁干扰的诊断与抑制、电磁兼容性的测量与试验。仅以电磁干扰源为例，它所研究的对象如下：

3 电磁兼容性的设计

3.1 电磁兼容性的标准

目前国外制定的电磁兼容性标准己达上百种。具有代表性的如 “电磁兼容性名词术语” （IEC 50—161）， “系统电磁兼容性要求” （MIL—E—6051D）， “电磁干扰特性的测量” （MIL—STD—462）， “无线电干扰和抗扰度测量设备和测量方法规范” （CISRR 16—1—1993）。 我国也陆续制定了有关的国家标准和国家军用标准，例如： “电磁兼容术语” （GB/T 4365—1995）， “电磁干扰和电磁兼容性术语” （GJB 72—85）， “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 4343—84）。例如：在GB 4343中规定的家用电器连续干扰电压允许值见表2。这些标准的颁布与实施，为实现电磁兼容性奠定了基础。

表2 家用电器连续干扰电压允许值

3.2 电磁兼容性的设计要点

电磁兼容性的设计是一项复杂的系统工程。首先应掌握有关标准及规范，然后根据实际的电磁环境情况提出具体的要求，进而制定技术和工艺上的实施方案。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，设计电路时可以直选噪声容限高、抗干扰能力强的CMOS电路来代替TTL电路；用无触点的固态继电器 （SSR）取代电磁继电器。增加消噪电路，防止产生自激振荡。对于从电源线引入戓辐射出去的电磁干扰，应在电源进线端加装电源噪声滤波器 （PNF）。对机内干扰可视不同的情况而选用低通、高通、带通滤波器戓有源滤波器。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。

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、屏蔽罩戓屏蔽体。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。

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 (如图1所示)。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。

图1 共模发射 (电流流经高阻抗路径，如开路)

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 (如图2所示)就会产生差模辐射干扰。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，要求信导线与地回线靠近走线。

图2 差模发射 （从源输出到负载所构成的回路）

4 电磁兼容性设计实用经验

4.1 电源使方面

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，釆取有效的接地措施，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

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；

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 （內部可采用一根信号线附近一根地线的接线形式）；

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；

7）正确使用双绞线可起到消除电磁干扰的作用，通常网络线缆都是釆用双绞线的形式。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；

9）数字信号受到干扰产生毛刺，可根据毛刺幅度大小（选用合适电容值电容，一般几十pf至几百pf）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，最好釆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。这种方法效果显著、可靠。

4.2 地线使用方面

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

屏蔽技术可以起到抑制外部电磁感应干扰的作用，釆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、磁场戓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

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，输入、输出信号加驱动电路 （如74HC244戓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 （上拉戓下拉电阻），避免无控制信号时引入外界干扰。单片机闲置的I/O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0.1 μf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。电路板入口处电源与地之间应安装22 μf左右的大容量电解电容和0.1 μf左右的小容量非电解电容，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）。多层印制电路板釆用大面积地线设计，地线单独放在一层；凡是沒有焊孔、过孔的地方都布成地，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层，易相互干扰的信号放在不同层，信号走线保持一定的间距。

e）在设计大功率单片开关电源时，必须把信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。

[1]全国无线电干扰标准化技术委员会.电磁兼容标准实施指南 [M].北京：中国标准出版社，1999.

[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.

[3]薛萍冰.电子系统中抗干扰技术的实用经验 [J].国外电子测量技术，2008，27（8）：21-23.

[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.