电磁兼容原理和抑制技术（三）
2009-07-09 10:40:24
来源：《国际电子变压器》2009年7月刊
（接上期）
1.4 电磁兼容设计目的和方法
1.4.1 电磁兼容设计的目的
电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，电磁兼容设计是实现设备或系统规定功能、使系统效能得以充分发挥的重要保证。必须在设备或系统功能设计的同时，进行电磁兼容设计。
电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容。其要求是使电子设备或系统满足EMC标准的规定并具有两方面的能力：(1)能在预期的电磁环境中正常工作，无性能降低或故障；(2)对该电磁环境不是一个污染源。
1.4.2 电磁兼容设计的基本内容
在电子系统的开发中，要考虑到系统、分系统与周围环境之间的相互骚扰。每个设计都应意识到电磁骚扰（EMI）问题，在电子系统的开发与设计过程中采取正确的防护措施减小电子系统本身的EMI发射。有80%的骚扰问题可以在设计与开发过程中解决。否则，当整个系统完成后，工程师们将花双倍的力气去解决系统的骚扰问题。抗扰度问题也是这样。
电磁兼容性设计又可分为系统内和系统间两部分。主要是对系统之间及系统内部的电磁兼容性进行分析、预测、控制和评估，实现电磁兼容和最佳效费比。
(1)系统间电磁骚扰的预测和控制
①系统间电磁骚扰的预测
系统间电磁骚扰的预测往往涉及处在同一电磁环境中的一个或多个潜在的电磁骚扰源（如发射机）与一个或多个敏感设备（如接收机）之间的干扰预测。通过归纳出包含许多参数的全面方案，可推导出电磁干扰预测的基本方程。它概述了适用于发射机、接收机、天线、传播及信号可接收性准则的各自数学模型。例如一部发射机在10倍频程内能辐射10次谐波（含基波）而超外差接收机在±10倍频程内能呈现40个乱真响应，因此仅一收发对在±10倍频程内存在着400种可能的收发组合。为了提高预测效率，从一开始就要剔除不可能出现的电磁干扰，一种适用的技术是多级剔除程序（含振幅和频率剔除程序等）。
②对有用信号的控制
对有用信号的控制包括：频谱管理和规定发射功率、信号类型（调制和带宽）、线的空间覆盖范围、方向性和极化、使用时间和地点等。在设计阶段还应尽量减小镜像频率响应、谐波频谱电平，以及乱真发射和乱真响应。
③对人为骚扰的控制
系统间人为骚扰源主要是其它系统的发射机谐波和乱真发射、高压输电线、工科医设备等的骚扰发射，这需要按照有关的EMC标准来控制。
④自然骚扰源
自然骚扰源通常无法控制，只有在系统性能设计时加以考虑。例如接收机灵敏度指标按内部噪声和天电噪声来确定，以及采取适当的电磁脉冲和静电放电的防护措施等。
(2)系统内电磁兼容的预测和设计
①系统内电磁兼容的预测
系统内电磁兼容性分析分类法的定性图可用通用流程图图1.2来综述。
分类法第一步一旦输入数据、电磁干扰调整的约束条件、电磁环境和对环境允许的影响就被确定（框1），下一步涉及处理一条或多条适用的耦合通路（框5、7、9、10、11），在算出各耦合通路的合成有害输入电压之后紧接着处理受害者（框14），在算出有用信号S与干扰电平I及查明受害者的固有噪声之后可算出干扰噪声比I/N（框15）和信号对噪声加干扰之比S/(N+1)，干扰噪声比I/N是可能需要的电磁干扰加固量的度量标准。为了确定需要多少电磁干扰加固量必需确定目标XdB=I/N（d/B）比（框16），确定合适I/N（d/B）比的关键是避免欠周密的设计，以避免干扰概率高得不可接受或避免昂贵的过度设计。一般建议采用下列准则来确定目标：10dB< I/N（d/B）<30dB为推荐范围，建议取20dB（I/N<10dB通常导致欠周密的设计；I/N>30dB通常导致过度设计）。
最后将计算出的I/N（d/B）比与设计目标XdB进行比较（菱框17）以确定是出现电磁干扰还是电磁兼容性。若I/N（d/B）≤XdB则认为存在电磁兼容性程序，目标已经完成；若I/N（d/B）不小于等于XdB则需要额外电磁干扰加固，每增加一种电磁干扰加固器件或技术即每一次电磁干扰调整（框19），就需要重复全过程确定一个新的I/N比，直至I/N（d/B）<XdB为止。不过可用的调整选择是根据最重要的耦合通路由电磁兼容性排序的程序推进的（框20）。
②通常将系统内电磁兼容设计分为五个部分：印制电路板设计和元器件的选用、滤波、屏蔽、布线以及接地。如图1.2所示。
1.4.3 电磁兼容设计的效费比
经验证明：速度是制胜的法宝，在设备或系统设计的初始阶段，同时进行电磁兼容设计，把电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前，可得到最高的效费比。如果等到生产阶段再去解决，非但在技术上带来很大的难度，而且会造成人力、财力和时间的极大浪费。其效费比如图1.3所示。
1.4.4 电磁兼容设计的目标
电磁兼容设计的目标上实现EMC指标要求并通过EMC试验和认证，EMC试验的项目如图1.4所示。
1.4 EMC试验的项目
1.4.5 电磁兼容设计的方法
电磁兼容设计的基本方法是指标分配和功能分块设计。也就是首先要根据有关的标准（国际、国家、企业、特殊标准等等）把整体电磁兼容指标逐级分配到各功能块上，细化成系统级的、设备级的、电路级的和元件级的指标。然后，按照要实现的功能和电磁兼容指标进行电磁兼容设计。如：按电路或设备要实现的功能，按骚扰源的类型，按骚扰传播的渠道等。具体有时钟电路设计、防静电设计、防雷设计、防地电位升设计等。
在电磁兼容设计中有许多应用课题要解决，如电磁波的散射、透射、传输、孔缝耦合、绕射理论等在实际问题中的求解问题，各种骚扰源的机理和特性，各种骚扰参数的计算和测试，各种结构的屏蔽效果，各种防护方法、测试方法、选用标准等等。
在进行电磁兼容设计时，可根据防护措施在实现电磁兼容时的重要性，分层依次进行设计，例如，第一层为有源器件的选择和印制版设计、第二层为接地设计、第三层为屏蔽设计、第四层为滤波设计、然后进行综合设计。这称为分层与综合设计法。
许多企业未能把电磁兼容设计放在产品设计的同时进行，只是在市场抽检或申请生产许可证检测时才发现电磁兼容问题，此时再解决，必然带来许多困难与浪费，这是一种冒险的方法。
此外，电子信息产业的行业竞争日益激烈，使得少数企业为降低成本而不惜牺牲产品的电磁兼容性。但是，随着电子产品性能的不断提高，电磁兼容性问题会愈来愈突出，不可回避IT设备CPU的主频每个月都在增加、总线速度不断提高、板卡速度也在频繁升级、开关电源的广泛使用、开关电源小型化使得开关频率不断增加、显示器的数字化程度越来越高、支持的视频带宽也越来越宽，使这类产品的电磁兼容设计越来越复杂。这个事实，更要求我们认真地做好电磁兼容设计。经验证明，只要我们尽早进行电磁兼容设计，成本不会增加太多，根据分层与综合设计法，任何复杂的电磁兼容设计都可以迎刃而解的。
1.4 电磁兼容设计目的和方法
1.4.1 电磁兼容设计的目的
电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，电磁兼容设计是实现设备或系统规定功能、使系统效能得以充分发挥的重要保证。必须在设备或系统功能设计的同时，进行电磁兼容设计。
电磁兼容设计的目的是使所设计的电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容。其要求是使电子设备或系统满足EMC标准的规定并具有两方面的能力：(1)能在预期的电磁环境中正常工作，无性能降低或故障；(2)对该电磁环境不是一个污染源。
1.4.2 电磁兼容设计的基本内容
在电子系统的开发中，要考虑到系统、分系统与周围环境之间的相互骚扰。每个设计都应意识到电磁骚扰（EMI）问题，在电子系统的开发与设计过程中采取正确的防护措施减小电子系统本身的EMI发射。有80%的骚扰问题可以在设计与开发过程中解决。否则，当整个系统完成后，工程师们将花双倍的力气去解决系统的骚扰问题。抗扰度问题也是这样。
电磁兼容性设计又可分为系统内和系统间两部分。主要是对系统之间及系统内部的电磁兼容性进行分析、预测、控制和评估，实现电磁兼容和最佳效费比。
(1)系统间电磁骚扰的预测和控制
①系统间电磁骚扰的预测
系统间电磁骚扰的预测往往涉及处在同一电磁环境中的一个或多个潜在的电磁骚扰源（如发射机）与一个或多个敏感设备（如接收机）之间的干扰预测。通过归纳出包含许多参数的全面方案，可推导出电磁干扰预测的基本方程。它概述了适用于发射机、接收机、天线、传播及信号可接收性准则的各自数学模型。例如一部发射机在10倍频程内能辐射10次谐波（含基波）而超外差接收机在±10倍频程内能呈现40个乱真响应，因此仅一收发对在±10倍频程内存在着400种可能的收发组合。为了提高预测效率，从一开始就要剔除不可能出现的电磁干扰，一种适用的技术是多级剔除程序（含振幅和频率剔除程序等）。
②对有用信号的控制
对有用信号的控制包括：频谱管理和规定发射功率、信号类型（调制和带宽）、线的空间覆盖范围、方向性和极化、使用时间和地点等。在设计阶段还应尽量减小镜像频率响应、谐波频谱电平，以及乱真发射和乱真响应。
③对人为骚扰的控制
系统间人为骚扰源主要是其它系统的发射机谐波和乱真发射、高压输电线、工科医设备等的骚扰发射，这需要按照有关的EMC标准来控制。
④自然骚扰源
自然骚扰源通常无法控制，只有在系统性能设计时加以考虑。例如接收机灵敏度指标按内部噪声和天电噪声来确定，以及采取适当的电磁脉冲和静电放电的防护措施等。
(2)系统内电磁兼容的预测和设计
①系统内电磁兼容的预测
系统内电磁兼容性分析分类法的定性图可用通用流程图图1.2来综述。
分类法第一步一旦输入数据、电磁干扰调整的约束条件、电磁环境和对环境允许的影响就被确定（框1），下一步涉及处理一条或多条适用的耦合通路（框5、7、9、10、11），在算出各耦合通路的合成有害输入电压之后紧接着处理受害者（框14），在算出有用信号S与干扰电平I及查明受害者的固有噪声之后可算出干扰噪声比I/N（框15）和信号对噪声加干扰之比S/(N+1)，干扰噪声比I/N是可能需要的电磁干扰加固量的度量标准。为了确定需要多少电磁干扰加固量必需确定目标XdB=I/N（d/B）比（框16），确定合适I/N（d/B）比的关键是避免欠周密的设计，以避免干扰概率高得不可接受或避免昂贵的过度设计。一般建议采用下列准则来确定目标：10dB< I/N（d/B）<30dB为推荐范围，建议取20dB（I/N<10dB通常导致欠周密的设计；I/N>30dB通常导致过度设计）。
最后将计算出的I/N（d/B）比与设计目标XdB进行比较（菱框17）以确定是出现电磁干扰还是电磁兼容性。若I/N（d/B）≤XdB则认为存在电磁兼容性程序，目标已经完成；若I/N（d/B）不小于等于XdB则需要额外电磁干扰加固，每增加一种电磁干扰加固器件或技术即每一次电磁干扰调整（框19），就需要重复全过程确定一个新的I/N比，直至I/N（d/B）<XdB为止。不过可用的调整选择是根据最重要的耦合通路由电磁兼容性排序的程序推进的（框20）。
②通常将系统内电磁兼容设计分为五个部分：印制电路板设计和元器件的选用、滤波、屏蔽、布线以及接地。如图1.2所示。
1.4.3 电磁兼容设计的效费比
经验证明：速度是制胜的法宝，在设备或系统设计的初始阶段，同时进行电磁兼容设计，把电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前，可得到最高的效费比。如果等到生产阶段再去解决，非但在技术上带来很大的难度，而且会造成人力、财力和时间的极大浪费。其效费比如图1.3所示。
1.4.4 电磁兼容设计的目标
电磁兼容设计的目标上实现EMC指标要求并通过EMC试验和认证，EMC试验的项目如图1.4所示。
1.4 EMC试验的项目
1.4.5 电磁兼容设计的方法
电磁兼容设计的基本方法是指标分配和功能分块设计。也就是首先要根据有关的标准（国际、国家、企业、特殊标准等等）把整体电磁兼容指标逐级分配到各功能块上，细化成系统级的、设备级的、电路级的和元件级的指标。然后，按照要实现的功能和电磁兼容指标进行电磁兼容设计。如：按电路或设备要实现的功能，按骚扰源的类型，按骚扰传播的渠道等。具体有时钟电路设计、防静电设计、防雷设计、防地电位升设计等。
在电磁兼容设计中有许多应用课题要解决，如电磁波的散射、透射、传输、孔缝耦合、绕射理论等在实际问题中的求解问题，各种骚扰源的机理和特性，各种骚扰参数的计算和测试，各种结构的屏蔽效果，各种防护方法、测试方法、选用标准等等。
在进行电磁兼容设计时，可根据防护措施在实现电磁兼容时的重要性，分层依次进行设计，例如，第一层为有源器件的选择和印制版设计、第二层为接地设计、第三层为屏蔽设计、第四层为滤波设计、然后进行综合设计。这称为分层与综合设计法。
许多企业未能把电磁兼容设计放在产品设计的同时进行，只是在市场抽检或申请生产许可证检测时才发现电磁兼容问题，此时再解决，必然带来许多困难与浪费，这是一种冒险的方法。
此外，电子信息产业的行业竞争日益激烈，使得少数企业为降低成本而不惜牺牲产品的电磁兼容性。但是，随着电子产品性能的不断提高，电磁兼容性问题会愈来愈突出，不可回避IT设备CPU的主频每个月都在增加、总线速度不断提高、板卡速度也在频繁升级、开关电源的广泛使用、开关电源小型化使得开关频率不断增加、显示器的数字化程度越来越高、支持的视频带宽也越来越宽，使这类产品的电磁兼容设计越来越复杂。这个事实，更要求我们认真地做好电磁兼容设计。经验证明，只要我们尽早进行电磁兼容设计，成本不会增加太多，根据分层与综合设计法，任何复杂的电磁兼容设计都可以迎刃而解的。
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