浅谈电磁兼容的定义、现状、发展

电子工程师 2018-06-19 12737

EMC/EMI设计

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描述

在不久的将来，电子系统的电磁兼容(EMC)问题比起今天来说，会令我们面临更大的挑战：即便是我们现在已经掌握了与电磁环境相关的理论，情况也是如此。本文将立足于今天的现状，面向未来探讨几个重要的问题。我们的讨论涉及到四个基本内容：

a.什么是EMC?

b.EMC的现状如何?

c.EMC的发展方向如何?

d.怎样解决将来的EMC问题?

因为本文作者是国际电工委员会(IEC)电磁兼容咨询分会(ACEC)的主席，所以本文论述的重点集中在IEC的工作领域内。在过去的十年里，IEC在发展和改进EMC标准方面做出了许多卓有成效的工作。

1 EMC的定义

电磁兼容描述的是这样一种状态，在这种状态下，由自然现象以及其它电气和电子设备及系统不造成干扰。当然，为了达到这种状态，我们必须减少可控源的辐射，或者提高有可能被影响的设备的抗干扰能力，或者两者兼而有之。

很重要的是，上面定义的EMC并不能完全阻止干扰的发生。由不同源产生的干扰是变化的，例如，电源线上的放电脉冲与放电电流的等级以及它距离房间和办公室的远近有关。另外，某装置上特定部件的抗干扰能力也是多种多样的，例如，电路板上的感应电压与入射电磁场(EM)的入射角度和极化方式密切相关。认识到这一点，对于某种特定类型的干扰不但可以在辐射和抗干扰之间实现一种平衡，而且能够在很大程度上避免EMC问题的发生，但毕竟不是全部。

当我们试图通过进一步减小辐射并且提高抗扰度来消除所有干扰的时候，其结果很可能会导致工业的高投入，或是会阻止新技术的涌现。例如，为了让用户可以将他们的蜂窝电话搁置在任何电子装置上面，人们对蜂窝电话的发射功率做了限制，这样就要兼顾通信系统的性能和经济寿命。另一方面，如果对所有的商用电子设备均要求能够在50V/m的环境等级中无故障地工作，会对产品制造商带来沉重的经济负担。较好的折中办法是提醒用户合理地使用限制(尽管当故障会对人身安全造成威胁时，仍需要较高的抗扰等级)。

2 EMC的现状

当今EMC领域的工作重心是标准化，特别是在各种国际组织的内部。世贸组织的要求以及减少全球贸易壁垒的普遍愿望使得我们注重于颁布与执行国际标准的方面。当然，很明显的是区域性的发展，例如在EMC方面的欧洲指令，已极大地影响了标准化的进程。

在国际性的标准化组织中，IEC承担了大部分的EMC标准化工作。国际标准化组织(ISO)和国际电信联盟(ITU)也正在做着卓有成效的努力。

ISO和ITU正在分别努力研究主要涉及移动交通工具和通信系统的EMC标准。特别是，ISO正在积极地制定汽车、航空和航天方面的EMC标准;而ITU主要涉及新出现的通信设备的EMC标准制定，其中包括无线技术和有线技术。这两家组织都与IEC进行协作，以尽可能地减少制定出的基本EMC标准的数量。这样做的目的在于，不至于因为相互冲突的标准而导致在工业上需要对相同或相似的设备进行重复测试和认证。

已制定的国际标准的一个重要方面就是它们执行的自愿性。不过，商业合同和地区性的标准化组织也许需要强制执行EMC标准。

IEC已经将其EMC标准化工作放在四个主要的方面。其正在全力制定：

a.所有产品的辐射限值;

b.基本EMC标准，包括针对发射和抗扰的测试与测量方法;

c.普通EMC标准，其中规定了针对发射和抗扰的一系列“基本”实验设置、测试方法以及适用于不同环境(如住宅)的测试等级;

d.产品EMC标准，这类标准要么是针对某一些类型的产品制定，要么针对某一特定的产品制定(同样包括发射与抗扰度两个方面)。

前面已经提到，ACEC协调IEC内的EMC工作。由咨询委员会拟定IEC107指南，指导IEC委员会的EMC标准制定工作。为了完成这项工作，ACEC每年举行两到三次会议商讨IEC内外的EMC标准化进展。每次会议之后，ACEC向IEC执行委员会提出建议，以供参考。ACEC的成员由EMC领域的技术专家以及制定基本、产品EMC标准的IEC主要委员会的代表组成。

标准化工作面临的主要困难是如何将辐射限制和基本标准转化成产品标准。尽管CISPR在建立高频辐射限制方面已经做出了可观的努力，但相应的产品标准中的很多情况都被忽略或是被不正确的使用着。不幸的是，在产品标准出版之前，这些错误经常不会被发现，因此改正它们就需要花上几年的时间。ACEC正在制定一个规程，以便解决这个问题。主要是通过追踪处于开发阶段的产品标准，提高其中EMC条款的准确性来达到这个目的。

电子设备产生的工频谐波是我们关心的一个新问题。由于使用开关电源的电子设备大量应用，使得大量谐波通过电源网络向外传播，并对其他的用户设备两者需要的标准制定工作正在进行之中。

开发适用于测试频率高于1GHz的基本测试方法同样也成为我们关心的一个内容。由于比起以前来说有更多的计算机设备工作在更高的频率，所以对这方面的要求是很迫切的。新的测试方法比如混响室，在频率的高端具有很大的优势，即可以用较少的测试时间，覆盖更大的入射角度和更复杂的极化方式。IEC正在制定一项基本标准61000-4-2，准备将混响室定为可供选择的测试方法之一。

3 技术的发展趋势与EMC

技术领域内当前的几种重要的趋势很有可能持续发展到未来。最明显的就是在家庭、商业、工厂和交通工具中微处理器使用程度的不断加大。

3.1 微处理器应用的扩展

多数家用电器中安装的微处理器使它们明显“聪明”多了。现在有可能购买内置了计算机的冰箱。甚至有设想认为冰箱应该发展到这种程度;当里面的食物吃光了的时候，它能够通过因特网发出购物请求。这些智能设备的发展带来的兼容性问题也许最初并不明显，但请不要忘记EMC在某种程度上取决于发射设备与敏感设备间的距离。将来，在多种电子设备房间内会有更多的发射和敏感设备，相应的问题也就随之而来。消费者会知道分开安装的设备可能减少干扰问题吗?

尽管固化微处理器可以解决EMC问题，然而当一个有限空间内聚集了数量众多的便携式发射机时，会发生什么呢?显然，移动蜂窝增加。现在，随着蓝牙技术的出现，在几乎所有的电子设备都可能出现这种新的发射装置。

蓝牙是一种使用2.4 GHz ISM(工业、科学和医药设备)频段，在范围大致为30m内的电子设备间自动进行通信的无线跳频技术规范。世界范围内超过1200家公司已经接受了蓝牙的操作规范。到2004年，将有四亿台设备使用蓝牙。

显然，当暴露在入射无线信号下时，采用蓝牙技术的设备应该可以正常工作。但我们不能够确定的是，临近的其它非蓝牙设计的设备能否不受干扰地工作。另外，蓝牙自身在微波炉附近不能正常工作。虽然在开发蓝牙的过程中就已经考虑了微波炉产生的场强等级，然而不同类型的食物烹制仍然会降低通信的性能。

3.2 更高的工作频率

技术领域内另一个发展趋势是推向市场的产品的工作频率处在不断的提高之中。蜂窝电话的工作频率超过了1GHz，蓝牙将工作在2.4 GHz，与卫星通信有关的设备工作在10 GHz，汽车雷达系统涉及的频率高于40 GHz。频率的增高会带来问题。频率越高，波长越短，比较低的频率更容易穿透设备机箱的缝隙与开孔。100MHz的波长是3m，1GHz是30m，10 GHz是3cm。在金属机箱上缝隙长2cm、宽1mm的情况下，对开孔后3cm处每种场的衰减进行了计算，其分别为79、59、39dB。除了由高频带来的干扰环境的加剧之外，时钟频率为1GHz的新型微处理器的发展在电子系统的运行当中还造成了直接干扰的可能，这里也包括发射和抗扰两方面。

3.3 大型设备与系统

EMC标准化进程已经成功地制定了用于评定设备和小型系统合格率的测试方法。但是，制定用于评定大型设备或初次安装系统抗干扰度的标准方法是比较困难的。尺寸是很大的困难因素;大型的测试装置造价昂贵，开阔场地的抗扰度测试会影响其它的非受试设备。甚至发射测试也会有问题产生。在受试设备已被安装到现场环境的条件下，想要建立某一特定部件的发射等级是很困难的，因为其它的非受试设备会对测量产生相同的发射。

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