1 電磁干擾基本概念
在復(fù)雜的電磁環(huán)境中,任何電子及電氣產(chǎn)品除了本身能夠承受一定的外來電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)而保持正常工作外,還不會對其他電子及電氣設(shè)備產(chǎn)生不可承受的電磁干擾,該產(chǎn)品即具有電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)[1]。
21世紀(jì)將是信息爆炸的時代,信息的產(chǎn)生、傳遞、接收、處理和儲存等都需要依賴電磁波作為載體。廣義地說,聲波、無線電波、光波均可作為信息載體,因此,廣義的電磁兼容性概念也應(yīng)拓展到聲、光、電的廣闊領(lǐng)域。
電子及電氣產(chǎn)品的電磁干擾發(fā)射或受到電磁干擾的侵害都是通過產(chǎn)品的外殼、交/直流電源端口、信號線、控制線及地線而形成的。按照EMI的傳播方式,可將其分為電磁輻射干擾和電磁傳導(dǎo)干擾兩大類。通常,輻射干擾出現(xiàn)在產(chǎn)品周圍的媒體中,傳導(dǎo)干擾則出現(xiàn)在各種導(dǎo)體中。一般來說,通過外殼發(fā)射的電磁干擾,或通過外殼侵入的干擾都是輻射干擾,而通過其它導(dǎo)體發(fā)射和入侵的干擾屬于傳導(dǎo)干擾。
2 人類必須關(guān)注電磁兼容問題
2.1 電磁環(huán)境不斷惡化
20世紀(jì)中葉以來,電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,使人類社會的進(jìn)步和文明上了一個新的臺階,但是也給人們帶來了一系列社會問題和環(huán)境問題。家用電器、通信、計(jì)算機(jī)及信息設(shè)備、電動工具、航空、航天等工業(yè)、科技、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域的自動控制、測量儀器以及電力電子系統(tǒng)等的廣泛普及、應(yīng)用,深入千家萬戶之中,使得電磁污染問題日益突出,而電子設(shè)備的高頻化、數(shù)字化,干擾信號的能量密度增大,使有限空間內(nèi)的電磁環(huán)境更為惡化。
1996年3月,日本SAPIO雜志公布了日本家用電器電磁輻射的檢測結(jié)果(表1)。瑞典等北歐三國于1993年所作的聯(lián)合調(diào)查指出:人類長期受到2mG(毫高斯)以上的電磁輻射影響,患白血病的機(jī)會是正常人的2.1倍,患腦腫瘤的機(jī)會是正常人的1.5倍,其他疾病的發(fā)病概率也明顯增加。
表1 家用電器電磁輻射檢測結(jié)果(單位:mG)[2]
2.2 電磁污染危害不淺
電磁干擾和污染看不見、摸不著、聽不到,因其無色、無味也無形,但它確實(shí)無處不在、危害不淺,威脅人體健康。德國專家指出,電磁污染能影響對人體生物鐘起作用的激素和傳達(dá)神經(jīng)信息的激素,還能破壞細(xì)胞膜;美國科學(xué)家的研究表明,電磁污染可直接殺傷人體細(xì)胞DNA,促使基因突變而致癌;英國曼徹斯特大學(xué)的研究表明,女性每天操作電腦6小時,其內(nèi)分泌會發(fā)生紊亂,連續(xù)操作電腦4小時,會使視力下降、近視;加拿大渥太華總醫(yī)院8名從事電視屏終端操作的婦女竟有7人次懷上畸形胎兒。前蘇聯(lián)國際象棋特級大師尼古拉與一臺超級電腦下棋時,連勝三局后突然死亡,其殺手就是電腦發(fā)射的電磁波。1989年,日本一家工廠發(fā)生了機(jī)器人將一名維修工強(qiáng)行塞入機(jī)器中絞死的事故,調(diào)查證實(shí)是電磁干擾信號更改了機(jī)器人的程序所致。今年我國山西一名旅客在飛機(jī)即將在北京機(jī)場降落時使用“大哥大”,導(dǎo)致飛機(jī)偏航而被判刑并處罰款,可見電磁污染就在你我身邊。
2.3 EMC問題正在規(guī)范化
EMC問題,實(shí)際上是電子、電氣設(shè)備和系統(tǒng)的干擾和抗干擾問題。一方面,電子設(shè)備和系統(tǒng)本身抗EMI能力要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn),另一方面,它對周邊的EMI必須限制在一定程度。早在50年代,美國軍方首先研究、制定了一些EMC標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)
過二十多年的大量研究,到80年代已形成軍用MIL-F-15773無線電干擾總規(guī)范和民用FCC標(biāo)準(zhǔn)兩大系列;德國制定了VDE標(biāo)準(zhǔn),并被作為歐洲共同體EMC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ),1993年已開始強(qiáng)制執(zhí)行;日本和前蘇聯(lián)也相繼制訂了各自的EMC標(biāo)準(zhǔn);韓國從1993年開始執(zhí)行EMC國際標(biāo)準(zhǔn)。我國于1998年起推行EMC標(biāo)準(zhǔn)(已發(fā)布47個),并從2000年1月1日起強(qiáng)制執(zhí)行。屆時達(dá)不到EMC標(biāo)準(zhǔn)的電子產(chǎn)品包括家用電器將不準(zhǔn)生產(chǎn)和銷售,當(dāng)然更無法進(jìn)入歐美等國際市場。
2.4 信息安全不可忽視
信息電子戰(zhàn)將成為21世紀(jì)高技術(shù)戰(zhàn)爭的主要內(nèi)容之一。一方面,軍事電子裝備和作戰(zhàn)武器平臺必須具有強(qiáng)有力的抗干擾性能和隱身性能;另一方面,自身的信號輻射、泄漏應(yīng)盡可能降低,以保證軍事信息的安全性。
此外,隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加速,大至一個國家,小至一個企業(yè),經(jīng)濟(jì)信息的安全性也已經(jīng)提高到十分重要的地位。尤其是財(cái)政、金融、計(jì)劃等要害部門更是如此。
為了改善人類的生活環(huán)境、提高人們的生存質(zhì)量、發(fā)展經(jīng)濟(jì)、擴(kuò)大出口、增強(qiáng)綜合國力、實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)軍,我們都應(yīng)當(dāng)十分關(guān)注EMC問題。
3 EMI抑制技術(shù)的主要內(nèi)容[3]
3.1 抗EMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)
抗EMI系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)是提高電子整機(jī)EMC性能的關(guān)鍵所在。因此該技術(shù)又稱為EMC設(shè)計(jì)技術(shù)。
EMC設(shè)計(jì)的目的是使電子、電氣產(chǎn)品在一定的電磁環(huán)境中能正常工作,既滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗干擾極限值要求,在受到一定的電磁干擾時,無性能降級或故障;又滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁輻射極限值要求,對電磁環(huán)境不構(gòu)成污染源。因此,EMC是產(chǎn)品的重要性能之一,也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品效能的重要保證。
EMC設(shè)計(jì)要從分析產(chǎn)品預(yù)期的電磁環(huán)境、干擾源、耦合途徑和敏感部件入手,采用相應(yīng)的技術(shù)措施,抑制干擾源、切斷或削弱耦合途徑,增強(qiáng)敏感部件的抗干擾能力等。并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真和測試驗(yàn)證。
EMC設(shè)計(jì)技術(shù)包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和元器件的選取以及抗EMI元器件的使用等。其中有源器件的選用十分關(guān)鍵。
EMC設(shè)計(jì)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初級階段就應(yīng)十分重視,盡可能把80%~90%以上的問題解決在初級階段。一旦產(chǎn)品批量生產(chǎn)了,發(fā)現(xiàn)EMC問題再去解決,就會事倍功半。
3.2 EMI抑制材料技術(shù)
3.2.1 屏蔽材料
屏蔽就是利用材料的反射和/或吸收作用,以減少EMI輻射。屏蔽材料的有效填置可減少或清除不必要的縫隙,抑制電磁耦合輻射,降低電磁泄漏和干擾。具有較高導(dǎo)電、導(dǎo)磁性能的材料可作為電磁屏蔽材料,一般要求屏蔽性能達(dá)40~60dB。目前常用的屏蔽材料有金屬材料和高分子材料兩大類。
金屬材料按用途又可分為襯墊屏蔽材料和透氣性屏蔽材料兩種。任何實(shí)用的機(jī)箱都會有縫隙,由于縫隙的導(dǎo)電不連續(xù)性,在該處即產(chǎn)生電磁泄漏。解決的辦法是在非永久性搭接處加電磁密封襯墊。如金屬絲網(wǎng)襯墊、導(dǎo)電橡膠襯墊、鈹銅指形簧片、螺旋管襯墊及橡膠芯襯墊+金屬絲網(wǎng)等。任何機(jī)箱為了散熱透氣往往開有小孔,因此引發(fā)電磁泄漏,用金屬絲網(wǎng)難以達(dá)到完全屏蔽效果,需采用波導(dǎo)窗、多層截止波導(dǎo)通風(fēng)板和泡沫金屬等以改善屏蔽效果。由銅或鎳及連通的空洞組成、空心金屬骨架互連的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)金屬泡沫作屏蔽材料,在10~100MHz范圍內(nèi),屏蔽性能達(dá)90dB,且重量輕、體積小,是很有前途的屏蔽材料。
高分子材料主要包括導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電涂料和表面導(dǎo)電材料,此外還有導(dǎo)電玻璃和導(dǎo)電膜片;與金屬材料相比,它們具有重量輕、易成型、電阻率可調(diào)等特點(diǎn)。導(dǎo)電塑料是將導(dǎo)電物質(zhì)如碳黑、金屬粉或金屬纖維摻雜于樹脂中制成,屏蔽性能可達(dá)30~80dB;導(dǎo)電涂料通常由Ag、Ni、Cu或C導(dǎo)電物質(zhì)作填料,與合成樹脂、溶劑和添加劑一起,涂覆于塑料表面形成固化膜,產(chǎn)生導(dǎo)電屏蔽效果,性能為20~60dB不等;表面導(dǎo)電屏蔽材料一般采用金屬熔射、塑料電鍍、真空蒸發(fā)、貼金屬箔等手段,使絕緣材料表面形成導(dǎo)電層,鍍層最薄為2~5μm,屏蔽性能可達(dá)45~120dB,甚至更高。
3.2.2 吸波材料
吸波材料的主要功能是將干擾源所產(chǎn)生的電磁輻射能量轉(zhuǎn)化為其它能量(主要是熱能)而耗散掉。根據(jù)損耗機(jī)理不同,可分為電阻型、電介質(zhì)型和磁介質(zhì)型三大類[4]。
電阻型吸波材料主要有碳精粉、石墨和SiC等,吸波能力主要取決于材料電阻率,由于這種材料吸收層厚度t與電磁波長λ成正比,通常t=0.6λ,故適合于高頻段,若在100MHz時應(yīng)用,材料厚度需達(dá)1.8m。
電介質(zhì)型吸波材料有BaTiO2、鐵電陶瓷等高介電材料,能量衰減主要來自介電損耗,而介電損耗與頻率依賴關(guān)系較強(qiáng),故吸收頻帶窄,且成本高,應(yīng)用受到一定限制。
磁介質(zhì)型吸波材料主要為鐵氧體,利用鐵氧體獨(dú)特的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率產(chǎn)生的磁損耗機(jī)理,吸收電磁波,成本低廉,所以目前應(yīng)用最為廣泛。其中MnZn鐵氧體EMI抑制材料主要用于低頻,NiZn鐵氧體EMI抑制材料主要用于高頻,而羰基鐵、鐵基、鎳基磁介質(zhì)則可在大電流情況下應(yīng)用,以解決鐵氧體磁芯的磁飽和問題。
3.3 EMI抑制元器件技術(shù)
3.3.1 有源器件的開發(fā)與應(yīng)用
開發(fā)和應(yīng)用有源器件,要重點(diǎn)關(guān)注其電磁干擾發(fā)射和電磁敏感度這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。有源模擬器件的敏感度取決于靈敏度和帶寬,而靈敏度以器件的固有噪聲為基礎(chǔ);邏輯器件的靈敏度取決于直流噪聲容限和噪聲抗擾度。有源器件有兩種電磁發(fā)射源:傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾通過電源線、接地線和互連線進(jìn)行傳輸,并隨頻率增高而增大;輻射干擾通過器件本身或連線向外發(fā)射,并隨頻率的平方而增大。瞬態(tài)地電流是上述兩種干擾的初始源,良好接地和各種去耦方式是減小地電流的主要手段。
邏輯器件的翻轉(zhuǎn)速度快,所占頻譜越寬,因此,在保證功能的前提下,不可過分追求響應(yīng)速度。數(shù)字電路的干擾頻譜很寬,是電子和電氣設(shè)備中的重要干擾源,其電磁輻射可分為共模和差模兩種形式。工作頻率越高,輻射能量就越大;信號電平越高,輻射干擾就越強(qiáng)。為了控制差模輻射,必須將印制電路板上信號線、電源線和它們的回線緊靠在一起,以減少回路面積;為了控制共模輻射,可使用柵網(wǎng)地線或平面接地等良好接地方式,也可采用共模扼流圈。
3.3.2 抗EMI器件的開發(fā)與應(yīng)用
具有良好屏蔽和接地措施的電子、電氣產(chǎn)品,也仍然會有電磁干擾,此時應(yīng)當(dāng)合理選用抗EMI元器件。抗EMI器件的種類很多,濾波是壓縮干擾頻譜的基本手段,抗EMI濾波器是EMC技術(shù)的基礎(chǔ)元器件之一,功能獨(dú)特、門類繁多,在此僅舉幾例。
(1) 信號線濾波器
這是一類用于信號線的低通濾波器,用來濾除高頻干擾成分。主要有線路板濾波器、屏蔽殼體饋通濾波器和連接器濾波器、濾波器陣列板等,通常由EMI磁芯和電容器組成π型或L型濾波網(wǎng)絡(luò)。
(2) EMI抑制器
抗EMI鐵氧體的重要參數(shù)為磁導(dǎo)率μ和飽和磁通密度Bs。μ可表示為復(fù)數(shù),實(shí)數(shù)部分表征電感,虛數(shù)部分構(gòu)成磁損耗。其等效電路由電感L和電阻R組成,L、R均為頻率的函數(shù)。低頻時R很小,L起主要作用,電磁干擾被反射而受到抑制;高頻時R增大,電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能。這類EMI抑制器實(shí)際上也是一種低通濾波器,目前已被廣泛用于印制板、電源線和信號線上,不但抑制高頻干擾和尖峰干擾,也具有吸收靜電放電脈沖的能力。
(3) 電源線濾波器
電源線是電磁干擾出入電子、電氣設(shè)備的主要通道,電源線濾波器只允許電源頻率通過,高于電源頻率的干擾信號將受到衰減和抑制。由于火線、零線回路中的干擾為差模干擾,而火線、零線與地線回路中的干擾為共模干擾,電源線濾波器對這兩種干擾信號的濾波器效果是不同的,所以往往需要區(qū)別對待。
3.4 EMI測試技術(shù)
嚴(yán)格按照國際、國內(nèi)相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn),對系統(tǒng)整機(jī)、部件、元器件和材料進(jìn)行EMI測試、驗(yàn)證是EMC技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。前不久,上海建成了華東地區(qū)第一個按90年代新工藝、新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的EMC實(shí)驗(yàn)室,采用高性能鐵氧體吸波材料組裝成微波暗室及一系列屏蔽實(shí)驗(yàn)室,可對電子產(chǎn)品的靜電、群脈沖、浪涌、磁場、諧波、傳導(dǎo)發(fā)射等EMC技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測量、評估[5]。只有解決了EMC測試問題,才能更好地開展電子、電氣產(chǎn)品的科研、生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用、服務(wù),同時可對IT產(chǎn)品的進(jìn)出口業(yè)務(wù)實(shí)施有效監(jiān)督。
4 強(qiáng)化管理,大力推廣EMI抑制技術(shù)
4.1 必要性
EMI抑制技術(shù)是軍民兼用的高新技術(shù),又與人類的健康和生活質(zhì)量密切相關(guān),國外經(jīng)過三四十年的發(fā)展,已形成了EMC產(chǎn)業(yè)。美、日等國僅EMI/RFI鐵氧體抑制元器件專業(yè)生產(chǎn)廠商就有20家以上,TDK公司現(xiàn)有抗EMI鐵氧體元、器件23個系列,71種產(chǎn)品;美國Filter Concepts有19個系列90個品種,并進(jìn)一步向微型化、片式化發(fā)展,其中EMI電源濾波器和EMI電磁濾波器工作頻帶極寬(30kHz~10GHz),阻帶抑制達(dá)100dB以上。
隨著技術(shù)上的不斷突破,國內(nèi)EMC產(chǎn)業(yè)正在形成中。此外,港臺廠商積極進(jìn)軍大陸市場,也推動了國內(nèi)EMI抑制技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了符合EMC國際標(biāo)準(zhǔn)的電子產(chǎn)品的出口。因此,強(qiáng)化管理,大力發(fā)展我國EMI抑制技術(shù),并使之產(chǎn)業(yè)化,實(shí)屬大勢所趨,勢在必行。
4.2 建立科學(xué)的管理體系
4.2.1 政府宏觀管理
EMI抑制技術(shù)的不斷創(chuàng)新是發(fā)展我國EMC高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心。政府一方面要加快EMC國家標(biāo)準(zhǔn)(包括強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn))和法規(guī)的制訂、貫徹,盡快與國際接軌;另一方面要加強(qiáng)宏觀指導(dǎo),積極扶持EMC產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,引導(dǎo)更多的企事業(yè)單位從事EMI抑制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用,制訂相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策,重點(diǎn)建設(shè)若干個EMC產(chǎn)業(yè)示范基地,對共性技術(shù)給予足夠的重視和關(guān)注,并建立必要的技術(shù)創(chuàng)新激勵機(jī)制。
4.2.2 行業(yè)協(xié)調(diào)管理
積極利用中國電子學(xué)會EMC分會和中國電子元件行業(yè)協(xié)會等社團(tuán)組織,發(fā)揮行業(yè)協(xié)調(diào)管理作用,是推廣EMI抑制技術(shù)的重要渠道。各級各類行業(yè)協(xié)會可以在EMI技術(shù)與市場信息、國內(nèi)外動態(tài)分析、標(biāo)準(zhǔn)的制訂與實(shí)施、各種人才的培訓(xùn)、招商引資和學(xué)術(shù)與技術(shù)交流等方面開展豐富多彩的活動,以便推動EMI抑制技術(shù)的推廣與應(yīng)用。
來源;互聯(lián)網(wǎng)