電子產品結構設計中的電磁兼容性（EMC）設計

1 引 言

隨著科學技術的迅速發展，現代各種電子、電氣、信息設備及家用電器的數

量和種類越來越多，性能越來越先進，其使用場合和數量密度也越來越高。這就使得電氣電子系統內、設備內的相互干擾愈加嚴重。在這種情況下，要保證設備在各種復雜的電磁環境中正常地工作，則在結構設計階段就必須認真考慮電磁兼容性設計。

2 電磁干擾方式

電子設備結構設計中常見的電磁干擾方式主要有：

傳導干擾

傳導干擾一般是指通過電源，電纜，布線系統，接地系統引起的串擾。

輻射干擾

在高頻情況下，電磁能量比較容易產生輻射。通常，在 MHz 以上，輻射就較明顯，當導線長度超過四分之一波長時，輻射功率將很大。

感應及耦合引起的干擾

3 電磁兼容(EMC)設計的主要內容及方法

電磁兼容設計的主要方法有屏蔽、濾波、接地等。

3.1 屏蔽

電磁屏蔽是利用金屬板、網、蓋、罩、盒等屏蔽體阻止或減小電磁能量傳播所采取的一種結構措施。常用的方法有靜電屏蔽，磁屏蔽和電磁屏蔽。電子設備結構設計人員在著手電磁兼容性設計時，必須根據產品所提出的抗干擾要求進行有針對性的電磁屏蔽設計。

(1)靜電屏蔽

靜電屏蔽主要是為了抑制寄生電容的耦合，使電路由于分布電容泄漏出來的電磁能量經屏蔽接地而不致于串入其它電路，從而使干擾得到抑制。

靜電屏蔽的基本方法是采用低電阻率材料作屏蔽體，在感應源與受感器之間加一塊與機殼接觸良好的金屬隔板網、罩或盒�？捎勉~、鋁材做屏蔽外殼，要求不高的也可用鋼材。機殼必須是導電良好、穩定可靠的導電體。靜電屏蔽必須保證良好的接地，否則屏蔽效果將大大降。

(2)磁屏蔽

磁屏蔽主要是針對一些低阻抗源。例如變壓器、線圈及一些示波器、顯示器就可考慮用磁屏蔽。良好的低頻屏蔽必須具有合適的電導率和高磁導率。磁屏蔽的基本方法是用高磁導率材料，如鐵鎳合金、鎳鉛合金、純鐵、銅作屏蔽材料，做成屏蔽罩。磁屏蔽罩在結構上按加工工藝不同一般可分為兩類：一類為用平板坯料深沖成形的，另一類為焊接成形的。

(3)電磁屏蔽

電磁屏蔽就是對高頻電磁輻射的屏蔽。

電磁屏蔽的主要方法是用金屬材料做成屏蔽殼體。金屬材料可以是鐵磁性材料，也可以是非鐵磁性材料，通過對電磁場的反射和吸收損耗起到屏蔽作用，具體選用哪種材料，則應根據工作頻率(f)來確定。其臨界頻率為

式中，t——材料厚度(mm);

當 f>f0 時，鐵磁性材料比非鐵磁性材料屏蔽效果好;

當 f

一般來講，頻率大于 1MHz 時，其屏蔽效能主要取決于吸收損耗。

就反射損耗而言，非鐵磁材料比鐵磁材料優越，反射損耗與材料厚度無關。

電磁屏蔽理論指出：電磁干擾在通過屏蔽體時，一部分被反射，未被反射的部分進入屏蔽層而被吸收轉化為熱能，剩余的部分則穿透屏蔽層，繼續向外傳播。屏蔽體所具有的這種反射和吸收電磁波能量的能力被定義為屏蔽體的屏蔽效能。假定屏蔽體是均質無縫的，則屏蔽體的屏蔽效能與干擾場的場型有關，其屏蔽效果可按下面的公式計算。

遠場屏蔽效果：

近磁場屏蔽效果：

近電場屏蔽效果：

其中：SE(dB)——屏蔽效果;

r(m)——屏蔽體到干擾源的距離;

f(Hz)——干擾頻率;σr——相對導電率;

μr——相對導磁率;t——材料厚度。

均勻無縫屏蔽體的屏蔽效能是很高的。但是由于加工、裝配及結構上的加工需要等原因，實際上屏蔽體都是不連續的，存有各種孔縫，屏蔽效能遠遠低于理想的計算值。在高頻段，由于波長變短，結構上的不連續性會造成射頻泄漏，構件縫隙及孔、洞在電氣上就變得舉足輕重了。一般所有 1MHz 以上的電磁干擾都是通過屏蔽體的孔縫處泄漏造成的。所以，在設計屏蔽結構件時必須注意電磁的連續性，避免孔縫的泄漏。電磁學上的小孔是指其最大尺寸遠小于信號波長的孔。一個孔徑的尺寸接近或超過波長時，則必須用銅絲屏蔽覆蓋，或者用一組不加屏蔽的小孔代替單個大孔，或者用波導衰減器屏蔽大孔�？紤]到干擾場強的透入深度是隨著頻率的升高而減小的，因此所需材料的厚度也可隨之減小。

當干擾頻率 f>1MHz 時，用 0.5 毫米的任何一種金屬材料制成的屏蔽罩就能將場強減弱 100 倍以上。這時選擇材料及確定料厚時，應著重考慮材料的機械強度、剛度、工藝性及防腐、防潮等因素。

當 f>10MHz 時，用 0.1 毫米厚的銅板制成屏蔽罩就能將場強減弱 100 倍以上，因此這時屏蔽罩可用敷銅箔材料制作。

當 f>100MHz 時，可用絕緣材料經熱壓成型后，在表面鍍以銅層、銀層等制作屏蔽體。

非磁性金屬材料不宜作低頻的磁屏蔽體，因為在低頻情況下，屏蔽效果主要靠屏蔽體的吸收損耗實現的。為了達到一定的屏蔽效果，往往需要很厚的材料。從透入深度

可知，當 f 為 100MHz 時，若用鋁板做屏蔽體，要使干擾場強衰減為表面數值的 1/100 時，則需用不小于 40.1 毫米厚的鋁板，這是不現實的。而選用高初磁導率軟磁合金材料，只用 1.7 毫米就可以滿足要求，且鐵磁材料的磁導率愈高，屏蔽效果愈好。

鐵磁材料不宜作高頻電磁屏蔽材料。雖然鐵磁材料在高頻情況下，屏蔽效果比非磁性金屬材料好，但由于鐵磁材料的電阻率大，并有磁滯現象，會使屏蔽電路能量消耗顯著。所以，在高頻情況下，一般采用非鐵磁性導電良好的金屬材料做屏蔽體，如銅、鋁或銅鍍銀等。

f 在 103～108Hz 范圍內才可采用鋼板作屏蔽材料，對屏蔽屋而言(r>1m)，當 f>3MHz 時，鋼的屏蔽效能高于銅;對屏蔽盒而言(r<1m)，當 f 在幾十千赫至幾兆赫時，薄鋼板(0.1 毫米)的效能低于薄銅板，隨著厚度的增加，銅的屏蔽效能高于鋼材的頻段向低頻區移動;鍍層材料隨用途而異，屏蔽效能以銀、銅、鋅為好，錫、鋁較差。

3.2 濾波

電路中的干擾信號常常通過電源線、信號線、控制線等進入電路造成干擾，所以對公用電源線及通過干擾環境的導線一般均要設置濾波電路。濾波方式可以分為有源濾波和無源濾波，濾波特性可根據需要設計成帶通、高通、低通濾波器。

3.3 接地

接地問題在電磁兼容性設計中也是一個極其重要的問題，正確的接地方法可以減少或避免電路間的互相干擾。根據不同的電路可用不同的接地方法。

3.3.1 組合單元電路接地

(1)串聯一點接地由圖 1 可以看出各點電位

設 Z1=Z2=Z3,則 UA

這種情況下，一般把接地點放在低電平處，這種接地方法最簡單，抑制干擾能力差，僅適用于低頻電路。

(2)并聯一點接地

這種接地法各電路地電流自成回路，彼此獨立。避免了各單元電路的相互串擾，但接地電阻較大。如圖 2 所示，當工作頻率較高時，地線產生輻射干擾。所以，并聯一點接地也僅適用于低頻 1MHz 以下電路。

(3)多點接地

由圖 3 可以看出，多點接地其接地電阻較小，在高于 10MHz 時可用多點接地，但此時總地線應適當寬些，長度也不宜過長，最好不超過 0.15 波長，同時，地線與機殼應絕緣。

3.3.2 整機的接地

整機接地方式也是保障產品電磁兼容性的主要措施之一。由于其功能不同，故電路差別甚大，接地狀況也不大相同。一般常用的方法是：將模擬電路、數字電路、機殼分開，各自獨立接地，避免相互間的干擾，最后三地合一接入大地，這種方式較好地抑制了電磁噪聲，減少了數字信號和模擬信號之間的干擾。

4 結束語

為了實現令人滿意的屏蔽，設備殼體應有足夠的屏蔽效果，以便將不希望有的信號強度衰減到足以獲得系統/分系統/設備的最大的電磁兼容的電平。所謂電磁兼容就是設備在預期的電磁環境中能正常工作的能力。也就是說，設備和系統在規定的電磁環境中不受電磁干擾而降低工作性能;同時它所產生的干擾也不大于規定的極限電平，以免影響其它設備正常工作，從而達到所有設備之間互不干擾、共同運行的目的。由此可見，電磁兼容是一個整機性能指標，它與結構設計的好壞有著密切的關系。當然，結構設計得好，未必就能解決整機的電磁兼容指標;但是結構設計得不好，則極有可能導致整機電磁兼容設計的失敗，這也是引起人們對電磁兼容結構設計重視的原因。

在設計一個新產品時,一開始就必須考慮到電磁兼容問題。如果忽視了這一問題,到新產品度制時，干擾問題會暴露出來。因此及早地解決電磁干擾問題不僅是行之有效的,而且會大大降低產品成本。