电磁干扰(EMI)抑制技术

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1 电磁干扰基本概念

在复杂的电磁环境中,任何电子及电气产品除了本身能够承受一定的外来电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)而保持正常工作外,还不会对其他电子及电气设备产生不可承受的电磁干扰,该产品即具有电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)[1]。

21世纪将是信息爆炸的时代,信息的产生、传递、接收、处理和储存等都需要依赖电磁波作为载体。广义地说,声波、无线电波、光波均可作为信息载体,因此,广义的电磁兼容性概念也应拓展到声、光、电的广阔领域。

电子及电气产品的电磁干扰发射或受到电磁干扰的侵害都是通过产品的外壳、交/直流电源端口、信号线、控制线及地线而形成的。按照EMI的传播方式,可将其分为电磁辐射干扰和电磁传导干扰两大类。通常,辐射干扰出现在产品周围的媒体中,传导干扰则出现在各种导体中。一般来说,通过外壳发射的电磁干扰,或通过外壳侵入的干扰都是辐射干扰,而通过其它导体发射和入侵的干扰属于传导干扰。

2 人类必须关注电磁兼容问题

2.1 电磁环境不断恶化

20世纪中叶以来,电子技术的迅猛发展,使人类社会的进步和文明上了一个新的台阶,但是也给人们带来了一系列社会问题和环境问题。家用电器、通信、计算机及信息设备、电动工具、航空、航天等工业、科技、医学等各个领域的自动控制、测量仪器以及电力电子系统等的广泛普及、应用,深入千家万户之中,使得电磁污染问题日益突出,而电子设备的高频化、数字化,干扰信号的能量密度增大,使有限空间内的电磁环境更为恶化。

1996年3月,日本SAPIO杂志公布了日本家用电器电磁辐射的检测结果(表1)。瑞典等北欧三国于1993年所作的联合调查指出:人类长期受到2mG(毫高斯)以上的电磁辐射影响,患白血病的机会是正常人的2.1倍,患脑肿瘤的机会是正常人的1.5倍,其他疾病的发病概率也明显增加。

表1 家用电器电磁辐射检测结果(单位:mG)[2]


2.2 电磁污染危害不浅

电磁干扰和污染看不见、摸不着、听不到,因其无色、无味也无形,但它确实无处不在、危害不浅,威胁人体健康。德国专家指出,电磁污染能影响对人体生物钟起作用的激素和传达神经信息的激素,还能破坏细胞膜;美国科学家的研究表明,电磁污染可直接杀伤人体细胞DNA,促使基因突变而致癌;英国曼彻斯特大学的研究表明,女性每天操作电脑6小时,其内分泌会发生紊乱,连续操作电脑4小时,会使视力下降、近视;加拿大渥太华总医院8名从事电视屏终端操作的妇女竟有7人次怀上畸形胎儿。前苏联国际象棋特级大师尼古拉与一台超级电脑下棋时,连胜三局后突然死亡,其杀手就是电脑发射的电磁波。1989年,日本一家工厂发生了机器人将一名维修工强行塞入机器中绞死的事故,调查证实是电磁干扰信号更改了机器人的程序所致。今年我国山西一名旅客在飞机即将在北京机场降落时使用“大哥大”,导致飞机偏航而被判刑并处罚款,可见电磁污染就在你我身边。

2.3 EMC问题正在规范化

EMC问题,实际上是电子、电气设备和系统的干扰和抗干扰问题。一方面,电子设备和系统本身抗EMI能力要达到一定的标准,另一方面,它对周边的EMI必须限制在一定程度。早在50年代,美国军方首先研究、制定了一些EMC标准,经

过二十多年的大量研究,到80年代已形成军用MIL-F-15773无线电干扰总规范和民用FCC标准两大系列;德国制定了VDE标准,并被作为欧洲共同体EMC标准的基础,1993年已开始强制执行;日本和前苏联也相继制订了各自的EMC标准;韩国从1993年开始执行EMC国际标准。我国于1998年起推行EMC标准(已发布47个),并从2000年1月1日起强制执行。届时达不到EMC标准的电子产品包括家用电器将不准生产和销售,当然更无法进入欧美等国际市场。

2.4 信息安全不可忽视

信息电子战将成为21世纪高技术战争的主要内容之一。一方面,军事电子装备和作战武器平台必须具有强有力的抗干扰性能和隐身性能;另一方面,自身的信号辐射、泄漏应尽可能降低,以保证军事信息的安全性。

此外,随着经济全球化进程的加速,大至一个国家,小至一个企业,经济信息的安全性也已经提高到十分重要的地位。尤其是财政、金融、计划等要害部门更是如此。

为了改善人类的生活环境、提高人们的生存质量、发展经济、扩大出口、增强综合国力、实现科技强军,我们都应当十分关注EMC问题。

3 EMI抑制技术的主要内容[3]

3.1 抗EMI系统设计技术

抗EMI系统设计技术是提高电子整机EMC性能的关键所在。因此该技术又称为EMC设计技术。

EMC设计的目的是使电子、电气产品在一定的电磁环境中能正常工作,既满足标准规定的抗干扰极限值要求,在受到一定的电磁干扰时,无性能降级或故障;又满足标准规定的电磁辐射极限值要求,对电磁环境不构成污染源。因此,EMC是产品的重要性能之一,也是实现产品效能的重要保证。

EMC设计要从分析产品预期的电磁环境、干扰源、耦合途径和敏感部件入手,采用相应的技术措施,抑制干扰源、切断或削弱耦合途径,增强敏感部件的抗干扰能力等。并进行计算机仿真和测试验证。

EMC设计技术包括系统设计、结构设计、材料和元器件的选取以及抗EMI元器件的使用等。其中有源器件的选用十分关键。

EMC设计技术在产品设计的初级阶段就应十分重视,尽可能把80%~90%以上的问题解决在初级阶段。一旦产品批量生产了,发现EMC问题再去解决,就会事倍功半。

3.2 EMI抑制材料技术

3.2.1 屏蔽材料

屏蔽就是利用材料的反射和/或吸收作用,以减少EMI辐射。屏蔽材料的有效填置可减少或清除不必要的缝隙,抑制电磁耦合辐射,降低电磁泄漏和干扰。具有较高导电、导磁性能的材料可作为电磁屏蔽材料,一般要求屏蔽性能达40~60dB。目前常用的屏蔽材料有金属材料和高分子材料两大类。

金属材料按用途又可分为衬垫屏蔽材料和透气性屏蔽材料两种。任何实用的机箱都会有缝隙,由于缝隙的导电不连续性,在该处即产生电磁泄漏。解决的办法是在非永久性搭接处加电磁密封衬垫。如金属丝网衬垫、导电橡胶衬垫、铍铜指形簧片、螺旋管衬垫及橡胶芯衬垫+金属丝网等。任何机箱为了散热透气往往开有小孔,因此引发电磁泄漏,用金属丝网难以达到完全屏蔽效果,需采用波导窗、多层截止波导通风板和泡沫金属等以改善屏蔽效果。由铜或镍及连通的空洞组成、空心金属骨架互连的三维网状结构金属泡沫作屏蔽材料,在10~100MHz范围内,屏蔽性能达90dB,且重量轻、体积小,是很有前途的屏蔽材料。

高分子材料主要包括导电塑料、导电涂料和表面导电材料,此外还有导电玻璃和导电膜片;与金属材料相比,它们具有重量轻、易成型、电阻率可调等特点。导电塑料是将导电物质如碳黑、金属粉或金属纤维掺杂于树脂中制成,屏蔽性能可达30~80dB;导电涂料通常由Ag、Ni、Cu或C导电物质作填料,与合成树脂、溶剂和添加剂一起,涂覆于塑料表面形成固化膜,产生导电屏蔽效果,性能为20~60dB不等;表面导电屏蔽材料一般采用金属熔射、塑料电镀、真空蒸发、贴金属箔等手段,使绝缘材料表面形成导电层,镀层最薄为2~5μm,屏蔽性能可达45~120dB,甚至更高。

3.2.2 吸波材料

吸波材料的主要功能是将干扰源所产生的电磁辐射能量转化为其它能量(主要是热能)而耗散掉。根据损耗机理不同,可分为电阻型、电介质型和磁介质型三大类[4]。

电阻型吸波材料主要有碳精粉、石墨和SiC等,吸波能力主要取决于材料电阻率,由于这种材料吸收层厚度t与电磁波长λ成正比,通常t=0.6λ,故适合于高频段,若在100MHz时应用,材料厚度需达1.8m。

电介质型吸波材料有BaTiO2、铁电陶瓷等高介电材料,能量衰减主要来自介电损耗,而介电损耗与频率依赖关系较强,故吸收频带窄,且成本高,应用受到一定限制。

磁介质型吸波材料主要为铁氧体,利用铁氧体独特的复数磁导率产生的磁损耗机理,吸收电磁波,成本低廉,所以目前应用最为广泛。其中MnZn铁氧体EMI抑制材料主要用于低频,NiZn铁氧体EMI抑制材料主要用于高频,而羰基铁、铁基、镍基磁介质则可在大电流情况下应用,以解决铁氧体磁芯的磁饱和问题。

3.3 EMI抑制元器件技术

3.3.1 有源器件的开发与应用

开发和应用有源器件,要重点关注其电磁干扰发射和电磁敏感度这两项技术指标。有源模拟器件的敏感度取决于灵敏度和带宽,而灵敏度以器件的固有噪声为基础;逻辑器件的灵敏度取决于直流噪声容限和噪声抗扰度。有源器件有两种电磁发射源:传导干扰和辐射干扰。传导干扰通过电源线、接地线和互连线进行传输,并随频率增高而增大;辐射干扰通过器件本身或连线向外发射,并随频率的平方而增大。瞬态地电流是上述两种干扰的初始源,良好接地和各种去耦方式是减小地电流的主要手段。

逻辑器件的翻转速度快,所占频谱越宽,因此,在保证功能的前提下,不可过分追求响应速度。数字电路的干扰频谱很宽,是电子和电气设备中的重要干扰源,其电磁辐射可分为共模和差模两种形式。工作频率越高,辐射能量就越大;信号电平越高,辐射干扰就越强。为了控制差模辐射,必须将印制电路板上信号线、电源线和它们的回线紧靠在一起,以减少回路面积;为了控制共模辐射,可使用栅网地线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器件的开发与应用

具有良好屏蔽和接地措施的电子、电气产品,也仍然会有电磁干扰,此时应当合理选用抗EMI元器件。抗EMI器件的种类很多,滤波是压缩干扰频谱的基本手段,抗EMI滤波器是EMC技术的基础元器件之一,功能独特、门类繁多,在此仅举几例。

(1) 信号线滤波器

这是一类用于信号线的低通滤波器,用来滤除高频干扰成分。主要有线路板滤波器、屏蔽壳体馈通滤波器和连接器滤波器、滤波器阵列板等,通常由EMI磁芯和电容器组成π型或L型滤波网络。

(2) EMI抑制器

抗EMI铁氧体的重要参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。μ可表示为复数,实数部分表征电感,虚数部分构成磁损耗。其等效电路由电感L和电阻R组成,L、R均为频率的函数。低频时R很小,L起主要作用,电磁干扰被反射而受到抑制;高频时R增大,电磁干扰被吸收并转换成热能。这类EMI抑制器实际上也是一种低通滤波器,目前已被广泛用于印制板、电源线和信号线上,不但抑制高频干扰和尖峰干扰,也具有吸收静电放电脉冲的能力。

(3) 电源线滤波器

电源线是电磁干扰出入电子、电气设备的主要通道,电源线滤波器只允许电源频率通过,高于电源频率的干扰信号将受到衰减和抑制。由于火线、零线回路中的干扰为差模干扰,而火线、零线与地线回路中的干扰为共模干扰,电源线滤波器对这两种干扰信号的滤波器效果是不同的,所以往往需要区别对待。

3.4 EMI测试技术

严格按照国际、国内相关EMC标准,对系统整机、部件、元器件和材料进行EMI测试、验证是EMC技术创新的关键。前不久,上海建成了华东地区第一个按90年代新工艺、新标准设计的EMC实验室,采用高性能铁氧体吸波材料组装成微波暗室及一系列屏蔽实验室,可对电子产品的静电、群脉冲、浪涌、磁场、谐波、传导发射等EMC技术指标进行测量、评估[5]。只有解决了EMC测试问题,才能更好地开展电子、电气产品的科研、生产、销售、应用、服务,同时可对IT产品的进出口业务实施有效监督。

4 强化管理,大力推广EMI抑制技术

4.1 必要性

EMI抑制技术是军民兼用的高新技术,又与人类的健康和生活质量密切相关,国外经过三四十年的发展,已形成了EMC产业。美、日等国仅EMI/RFI铁氧体抑制元器件专业生产厂商就有20家以上,TDK公司现有抗EMI铁氧体元、器件23个系列,71种产品;美国Filter Concepts有19个系列90个品种,并进一步向微型化、片式化发展,其中EMI电源滤波器和EMI电磁滤波器工作频带极宽(30kHz~10GHz),阻带抑制达100dB以上。

随着技术上的不断突破,国内EMC产业正在形成中。此外,港台厂商积极进军大陆市场,也推动了国内EMI抑制技术的发展,促进了符合EMC国际标准的电子产品的出口。因此,强化管理,大力发展我国EMI抑制技术,并使之产业化,实属大势所趋,势在必行。

4.2 建立科学的管理体系

4.2.1 政府宏观管理

EMI抑制技术的不断创新是发展我国EMC高新技术产业的核心。政府一方面要加快EMC国家标准(包括强制性标准)和法规的制订、贯彻,尽快与国际接轨;另一方面要加强宏观指导,积极扶持EMC产业的快速发展,引导更多的企事业单位从事EMI抑制技术的开发与应用,制订相关产业政策,重点建设若干个EMC产业示范基地,对共性技术给予足够的重视和关注,并建立必要的技术创新激励机制。

4.2.2 行业协调管理

积极利用中国电子学会EMC分会和中国电子元件行业协会等社团组织,发挥行业协调管理作用,是推广EMI抑制技术的重要渠道。各级各类行业协会可以在EMI技术与市场信息、国内外动态分析、标准的制订与实施、各种人才的培训、招商引资和学术与技术交流等方面开展丰富多彩的活动,以便推动EMI抑制技术的推广与应用。

参考资料

[1] 中国电子报,1999-09-09(8).

[2] 科技日报,1999-09-10(5).

[3] 何水校.99绵阳市IT产业发展研讨会论文,1999.

[4] 阳开新.磁性材料及器件,1996,27(3):19.

[5] 中国电子报,1999-10-21(1).

作者简介:谭锐(1967-)男,四川泸州人,1989年毕业于电子科技大学电子工程系,获学士学位,分配到信息产业部(原机械电子工业部)机关工作。