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文章詳情
高度重視電子產品電磁兼容性設計及管理工作
日期：2022-01-11 15:24
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摘要： 電磁兼容性是電子產品的一項重要指標，它包含系統內（自兼容性）和系統間的電磁兼容兩個方面。做為電子所，每年我所承擔了大量電子產品的研制和生產，承擔任務的體量越來越大，產品復雜度及產品的裝備性也急劇提高。特別是承擔了許多項目的系統總體工作，對整個系統產品的質量負有重要的責任。筆者認為，產品的質量是由各種因素在設計階段形成的，探討一下電磁兼容性的基本內容和要求，對于促進產品設計和提高產品的質量是很有必要的。
1、 電磁兼容性是什么？
定義：electromagnetic compatibility（EMC）
設備（分系...
電磁兼容性是電子產品的一項重要指標，它包含系統內（自兼容性）和系統間的電磁兼容兩個方面。做為電子所，每年我所承擔了大量電子產品的研制和生產，承擔任務的體量越來越大，產品復雜度及產品的裝備性也急劇提高。特別是承擔了許多項目的系統總體工作，對整個系統產品的質量負有重要的責任。筆者認為，產品的質量是由各種因素在設計階段形成的，探討一下電磁兼容性的基本內容和要求，對于促進產品設計和提高產品的質量是很有必要的。
1、 電磁兼容性是什么？
定義：electromagnetic compatibility（EMC）
設備（分系統、系統）在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態。
即：該設備不會由于受到處于同一電磁環境中其它設備的電磁發射干擾導致或遭受不允許的降級；它也不會使同一電磁環境中其它設備（分系統、系統），因受其電磁發射干擾而導致或遭受不允許的降級。
2、形成電磁干擾的要素
形成電磁干擾，下列三個因素必須同時存在。
（1）釋放電磁能量的源（干擾源）；
（2）對源的電磁能量產生不正常響應的敏感器（受擾器）；
（3）能夠把電磁能量從源耦合到敏感器的通路。（傳播途徑）。
這三者之間的關系如圖1所示：
?
圖1 產生電磁干擾的三要素
3、電磁兼容性對產品（系統）的影響
（1）對效能的影響：
? 性能降低或失效，發射功率不足，方向圖畸變，造成產品不能完成預定的任務；
? 引起失效模式，降低產品的可靠性；
? 影響元器件或設備的工作壽命。
EMC對產品效能的影響范圍見圖2。
?
圖2 EMC影響產品效能的范圍
（2）對精度的影響
由于對電磁環境預計不當或EMC設計不當，系統內設備產生附加的電磁干擾和外部電磁干擾源產生的電磁發射，使系統內的關鍵設備關鍵電路對電磁發射敏感，致使系統精度降低。例如，通訊信噪比下降、靈敏度降低、制導控制失靈等。
（3）對安全性的影響
系統上使用了大量的大規模集成電路和低電平數字電子設備，當電磁干擾超過敏感閾值和安全系數時，會損壞敏感電路，引起錯誤顯示和響應、火工品誤爆，影響人員的安全。
（4）對可靠性的影響
電磁干擾可能使電子元器件長久性失效，敏感設備功能下降或產生故障模式。電磁干擾使設備的失效率增加，系統完成規定功能的概率降低，縮短平均故障間隔時間（MTBF），增加維修時間和費用。在做可靠性預計分析時應考慮電磁干擾引起的故障模式。
（5）電磁兼容性效/費權衡
在工程的早期階段，解決電磁干擾的途徑多，技術措施易行，花費的成本較少；到工程后期才發現干擾，再去采取措施，要受到各種制約，有的是木已成舟，無計可施。后期與前期相比，即使采取同樣的措施，費用將大大增加。
電磁干擾的解決措施及成本與研制進度的關系如圖3：
?
圖3 電磁干擾的解決措施及成本與研制進度的關系
4、電磁兼容性設計與分析
復雜系統必須考慮各種電和機械的接口、界面、各類信息傳輸、結構、布局、技術狀態控制、系統配置等的電磁兼容性。在電路設計或功能設計中，不僅要追求高靈敏度、高速率、大功率，同時應考慮在保證基本功能的情況下的網絡鈍化、功能鈍化、回避處理、降額設計等，以降低電磁干擾的危害，保證系統穩定可靠的工作。
（1）用于EMC設計與分析的主要內容有：
? 分析系統所處的電磁環境，正確分析后選擇設計的主攻方向；
? 精心選擇產品所用的頻率；
? 制定電磁兼容性要求與控制計劃；
? 對設備及模塊、電路采取合理的電磁干擾抑制和防護技術；
? 電磁兼容設計的主要參數有：限額值、安全裕度和費效比。
（2）實施電磁兼容性預測分析，實現系統EMC的方法：
? 解決問題法：先建立系統，然后再設法解決安裝、調測、使用中出現的電磁干擾問題。
? 規范法：在產品的功能和線路設計階段就按照預先建立的標準，滿足規定的極限值；
? 系統法：從合同招標、設計．制造、總裝到試驗，隨著系統的研制進程，不斷地進行EMC預測分析和控制分配，及時、有效地解決干擾問題。
5、 電磁兼容性設計的主要方法
關于電磁兼容性的設計是一門專業，也有很多的國家、行業標準可以參照，在此僅舉出我所產品中常用到的一些方法供參考。
（1）頻譜保障
根據性能和電磁兼容性要求，對各個分系統工作頻段或頻率進行統一選取和分配，避免各頻率間的相互干擾，并盡量少占用頻譜。
（2）結構設計
系統產品在結構設計時應重點（但不限于）考慮如下內容：
? 設計選用的金屬、鑄件、表面涂層和附件的型別；
? 結構形式，如隔艙化結構，濾波器和與其他部件的隔離，開口（通風口、檢查口、窗口、艙口、儀表面板、控制軸等）所用的濾波型式和特性，所有內外接合表面上所用射頻密封墊的典型衰減特性；
? 屏蔽設計方法：注意屏蔽體接縫處的連接方式，要有足夠的重疊；屏蔽體的材料在機械加工之后應進行退火處理，去掉應力；視磁場強度可采用雙層屏蔽；
? 要根據電磁場方向來確定元器件的位置和隔離措施；
? 腐蝕控制措施。
（3）電子、電氣布線、接地設計
? 信號中大量的干擾是信號之間通過電線、電源線產生的共模干擾。為解決這個問題，通常電源輸入端采用了EMC濾波器；
? 各種走線盡可能短、直、均勻、拐圓角或斜角；信號線與回流線盡量靠近；
? 機殼采用雙層屏蔽結構，高頻模塊和低頻模塊、高頻各模塊之間均隔離屏蔽；
? 電纜束的布置應避免形成回路狀走向；
? 為減少發射和降低敏感度而對電子、電氣線路的布線設計，電纜分隔屏蔽和敷設、接地原則等需要提出詳細說明，并規定統一的方法。
（4） 電路電磁兼容設計
? 印制電路板采用雙面介質板，高頻信號用微帶線；
? 數字信號和模擬信號分開，減少耦合；
? 高頻信號多點就近接地到機殼上，電源地在信號**級放大器處和信號地相接，數字信號地直接接到數字芯片*近處；
? 在二次電源模塊前加入EMI電源濾波器以吸收外部對內和內部對外的電磁干擾。屏蔽盒內采用帶EMI吸收的濾波器穿心電容饋電；
? 地線要求：高頻信號屏蔽機殼雖然是信號地和二次電源輸出地但不作為電源載流回線，二次電源輸出端設計專用的電源回線；
? 接插件的連接方法采用雙點、雙線的連接方式。消除接插件接觸不佳引起的打火干擾。
（5） 工作頻點及工作模式設計
對電子設備工作頻點較多，頻率范圍較寬時，設計上要避免干擾頻率落在信號通帶內；對多個設備或系統工作時會互相產生干擾，而在設計上又無法避免的情況，可考慮利用分時工作模式設計。
6、 保證產品電磁兼容性應開展的工作
根據項目研制的不同階段，電磁兼容性工作有不同的內容，大致包括：
（1） 論證階段
? 確定和分析預期的電磁環境；
? 提出電磁兼容性的一般要求；
? 分析方案的費用、風險、對既定任務的影響；
? 研究系統頻譜、頻率分配與利用的合理性；
（2） 方案階段
? 制訂電磁兼容性大綱、控制計劃；
? 成立電磁兼容性相關組織管理機構或技術組，落實責任；
? 制定、選用、剪裁適用的標準及規范；
? 確定系統．分系統、設備的電磁兼容性要求；
? 確定頻譜和頻率分配，編制頻率使用管理文件；
? 確定驗證要求、試驗計劃；
? 電磁兼容性階段評審。
（3） 工程研制階段
? 實施電磁兼容性控制計劃，功能設計中進行電磁兼容性設計；
? 進行電磁兼容性模擬、考核試驗，驗證符合性，改進電磁兼容性設計，提交試驗報告；
? 評審電磁兼容性設計更改及對工程的影響；
? 確定工藝和安裝中的電磁兼容性；
? 確定使用和維修中的電磁兼容性要求；
? 電磁兼容性階段評審。
（4）定型階段
? 進行電磁兼容性定型鑒定試驗；
? 審查電磁兼容性文件的完整性、符合性；
? 提交電磁兼容性綜合評價報告。
高度重視產品的電磁兼容性工作，在產品研制的各階段將電磁兼容性工作做到位，更好地提高產品的六性水平，保證產品的有效應用及裝備。
1、 電磁兼容性是什么？
定義：electromagnetic compatibility（EMC）
設備（分系統、系統）在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態。
即：該設備不會由于受到處于同一電磁環境中其它設備的電磁發射干擾導致或遭受不允許的降級；它也不會使同一電磁環境中其它設備（分系統、系統），因受其電磁發射干擾而導致或遭受不允許的降級。
2、形成電磁干擾的要素
形成電磁干擾，下列三個因素必須同時存在。
（1）釋放電磁能量的源（干擾源）；
（2）對源的電磁能量產生不正常響應的敏感器（受擾器）；
（3）能夠把電磁能量從源耦合到敏感器的通路。（傳播途徑）。
這三者之間的關系如圖1所示：
?
圖1 產生電磁干擾的三要素
3、電磁兼容性對產品（系統）的影響
（1）對效能的影響：
? 性能降低或失效，發射功率不足，方向圖畸變，造成產品不能完成預定的任務；
? 引起失效模式，降低產品的可靠性；
? 影響元器件或設備的工作壽命。
EMC對產品效能的影響范圍見圖2。
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圖2 EMC影響產品效能的范圍
（2）對精度的影響
由于對電磁環境預計不當或EMC設計不當，系統內設備產生附加的電磁干擾和外部電磁干擾源產生的電磁發射，使系統內的關鍵設備關鍵電路對電磁發射敏感，致使系統精度降低。例如，通訊信噪比下降、靈敏度降低、制導控制失靈等。
（3）對安全性的影響
系統上使用了大量的大規模集成電路和低電平數字電子設備，當電磁干擾超過敏感閾值和安全系數時，會損壞敏感電路，引起錯誤顯示和響應、火工品誤爆，影響人員的安全。
（4）對可靠性的影響
電磁干擾可能使電子元器件長久性失效，敏感設備功能下降或產生故障模式。電磁干擾使設備的失效率增加，系統完成規定功能的概率降低，縮短平均故障間隔時間（MTBF），增加維修時間和費用。在做可靠性預計分析時應考慮電磁干擾引起的故障模式。
（5）電磁兼容性效/費權衡
在工程的早期階段，解決電磁干擾的途徑多，技術措施易行，花費的成本較少；到工程后期才發現干擾，再去采取措施，要受到各種制約，有的是木已成舟，無計可施。后期與前期相比，即使采取同樣的措施，費用將大大增加。
電磁干擾的解決措施及成本與研制進度的關系如圖3：
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圖3 電磁干擾的解決措施及成本與研制進度的關系
4、電磁兼容性設計與分析
復雜系統必須考慮各種電和機械的接口、界面、各類信息傳輸、結構、布局、技術狀態控制、系統配置等的電磁兼容性。在電路設計或功能設計中，不僅要追求高靈敏度、高速率、大功率，同時應考慮在保證基本功能的情況下的網絡鈍化、功能鈍化、回避處理、降額設計等，以降低電磁干擾的危害，保證系統穩定可靠的工作。
（1）用于EMC設計與分析的主要內容有：
? 分析系統所處的電磁環境，正確分析后選擇設計的主攻方向；
? 精心選擇產品所用的頻率；
? 制定電磁兼容性要求與控制計劃；
? 對設備及模塊、電路采取合理的電磁干擾抑制和防護技術；
? 電磁兼容設計的主要參數有：限額值、安全裕度和費效比。
（2）實施電磁兼容性預測分析，實現系統EMC的方法：
? 解決問題法：先建立系統，然后再設法解決安裝、調測、使用中出現的電磁干擾問題。
? 規范法：在產品的功能和線路設計階段就按照預先建立的標準，滿足規定的極限值；
? 系統法：從合同招標、設計．制造、總裝到試驗，隨著系統的研制進程，不斷地進行EMC預測分析和控制分配，及時、有效地解決干擾問題。
5、 電磁兼容性設計的主要方法
關于電磁兼容性的設計是一門專業，也有很多的國家、行業標準可以參照，在此僅舉出我所產品中常用到的一些方法供參考。
（1）頻譜保障
根據性能和電磁兼容性要求，對各個分系統工作頻段或頻率進行統一選取和分配，避免各頻率間的相互干擾，并盡量少占用頻譜。
（2）結構設計
系統產品在結構設計時應重點（但不限于）考慮如下內容：
? 設計選用的金屬、鑄件、表面涂層和附件的型別；
? 結構形式，如隔艙化結構，濾波器和與其他部件的隔離，開口（通風口、檢查口、窗口、艙口、儀表面板、控制軸等）所用的濾波型式和特性，所有內外接合表面上所用射頻密封墊的典型衰減特性；
? 屏蔽設計方法：注意屏蔽體接縫處的連接方式，要有足夠的重疊；屏蔽體的材料在機械加工之后應進行退火處理，去掉應力；視磁場強度可采用雙層屏蔽；
? 要根據電磁場方向來確定元器件的位置和隔離措施；
? 腐蝕控制措施。
（3）電子、電氣布線、接地設計
? 信號中大量的干擾是信號之間通過電線、電源線產生的共模干擾。為解決這個問題，通常電源輸入端采用了EMC濾波器；
? 各種走線盡可能短、直、均勻、拐圓角或斜角；信號線與回流線盡量靠近；
? 機殼采用雙層屏蔽結構，高頻模塊和低頻模塊、高頻各模塊之間均隔離屏蔽；
? 電纜束的布置應避免形成回路狀走向；
? 為減少發射和降低敏感度而對電子、電氣線路的布線設計，電纜分隔屏蔽和敷設、接地原則等需要提出詳細說明，并規定統一的方法。
（4） 電路電磁兼容設計
? 印制電路板采用雙面介質板，高頻信號用微帶線；
? 數字信號和模擬信號分開，減少耦合；
? 高頻信號多點就近接地到機殼上，電源地在信號**級放大器處和信號地相接，數字信號地直接接到數字芯片*近處；
? 在二次電源模塊前加入EMI電源濾波器以吸收外部對內和內部對外的電磁干擾。屏蔽盒內采用帶EMI吸收的濾波器穿心電容饋電；
? 地線要求：高頻信號屏蔽機殼雖然是信號地和二次電源輸出地但不作為電源載流回線，二次電源輸出端設計專用的電源回線；
? 接插件的連接方法采用雙點、雙線的連接方式。消除接插件接觸不佳引起的打火干擾。
（5） 工作頻點及工作模式設計
對電子設備工作頻點較多，頻率范圍較寬時，設計上要避免干擾頻率落在信號通帶內；對多個設備或系統工作時會互相產生干擾，而在設計上又無法避免的情況，可考慮利用分時工作模式設計。
6、 保證產品電磁兼容性應開展的工作
根據項目研制的不同階段，電磁兼容性工作有不同的內容，大致包括：
（1） 論證階段
? 確定和分析預期的電磁環境；
? 提出電磁兼容性的一般要求；
? 分析方案的費用、風險、對既定任務的影響；
? 研究系統頻譜、頻率分配與利用的合理性；
（2） 方案階段
? 制訂電磁兼容性大綱、控制計劃；
? 成立電磁兼容性相關組織管理機構或技術組，落實責任；
? 制定、選用、剪裁適用的標準及規范；
? 確定系統．分系統、設備的電磁兼容性要求；
? 確定頻譜和頻率分配，編制頻率使用管理文件；
? 確定驗證要求、試驗計劃；
? 電磁兼容性階段評審。
（3） 工程研制階段
? 實施電磁兼容性控制計劃，功能設計中進行電磁兼容性設計；
? 進行電磁兼容性模擬、考核試驗，驗證符合性，改進電磁兼容性設計，提交試驗報告；
? 評審電磁兼容性設計更改及對工程的影響；
? 確定工藝和安裝中的電磁兼容性；
? 確定使用和維修中的電磁兼容性要求；
? 電磁兼容性階段評審。
（4）定型階段
? 進行電磁兼容性定型鑒定試驗；
? 審查電磁兼容性文件的完整性、符合性；
? 提交電磁兼容性綜合評價報告。
高度重視產品的電磁兼容性工作，在產品研制的各階段將電磁兼容性工作做到位，更好地提高產品的六性水平，保證產品的有效應用及裝備。
