电子电气设备的电磁兼容设计

摘 要

随着电子电气技术的迅猛发展，电子电气设备的数量和种类越来越多，性能越来越先进，用电功率越来越大，设备安装越来越密集，这就使得电气电子系统和设备的相互干扰愈加严重。在这种情况下，要保证电子电气系统和设备在各种复杂的电磁环境中能够正常地工作， 则在系统和设备设计阶段就必须认真考虑电磁兼容设计。

【关键词】电磁兼容 电子电气设备 设计

1 电磁兼容内容

电力电子设备在其使用环境下工作时即承受来自外部的电磁干扰，同时也向周围环境释放电磁干扰。电磁兼容是指电子电气设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是电磁干扰，指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是电磁敏感性指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度。

电磁干扰能量传输的途径包含空间辐射发射或导体传导发射两种方式。空间辐射发射主要研究在远场条件下干扰以电磁波形式的发射以及在近场条件下的电磁耦合。

要保证各种电子电气设备在复杂的电磁环境下正常工作，是电磁兼容设计的根本任务。本文将分别从接地、屏蔽、滤波等方面对电磁兼容设计进行说明。

2 接地

接地是指在设备或系统与某个电位基准面之间建立低阻抗的导电通路。接地的作用包含建立模拟量信号和数字量信号的零电位，提供电源电流返回通路，实现防电击、静电防护、闪电防护以及保证天线性能鞥。除此之外，接地也是也是防止电磁干扰的主要措施。常见的接地方式主要包括单电接地，多点接地，混合接地等。

2.1 单电接地

单点接地是指线路中只有一个物理点被选定为接地参考地，可以串联单点接地，也可以并联单点接地。

串联单点接地走线简单，但具有公共阻抗耦合，容易引起串联干扰。串联接地连接不能使用在功率级别相差较大的电路上，因为高功率级的系统/设备会干扰低功率级的系统/设备。

并联单点接地各电路电流自成回路，彼此独立。所以它们之间不容易产生干扰，但缺点是线路较长。当工作频率较高时，地线产生辐射干扰。所以，并联一点接地也仅适用于低频电路。

2.2 多点接地

为了减小地线电感，在高频电路和数字电路中经常使用多点接地。在多点接地系统中，每个电路就近接到低阻抗的参考地。电路的接地线要尽量短，以减小电感。多点接地时容易产生公共阻抗耦合问题。在低频的场合，通过单点接地可以解决这个问题。但在高频时只能通过减小地线阻抗来解决。由于趋肤效应，电流仅在导体表面流动，因此增加导体的厚度并不能减小导体的电阻。在导体表面镀银能够降低导体的电阻。

2.3 混合接地

混合接地方法是单点接地的扩展，将电容加在各电路和地平面间。该方法在低频时可当作单点接地，在高频时可当作多点接地。电容的选择应该避免与负载或线路电感产生谐振。

3 屏蔽

屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射，是抑制电磁干扰的重要手段之一。根据条件的不同，电磁场的屏蔽可分为静电屏蔽、静磁屏蔽和电磁屏蔽三种情况。

（1）静电屏蔽：通常是指对静电场和准稳态电场的屏蔽。在静电平衡状态下屏蔽体若为导体，接地后其内部场强为零。可以将电场感应看成分布电容间的耦合，静电屏蔽的作用是消除容性耦合。

（2）静磁屏蔽，通常是指对直流或低频磁场的屏蔽。屏蔽体对磁通起着分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大为减弱。可以将磁场感应看成分布电感间的耦合，静磁屏蔽的作用是消弱感性耦合。

（3）电磁屏蔽，通常是指对交变电磁场的屏蔽。金属屏蔽体对外部的干扰电磁波和内部电磁波具有反射损耗和吸收损耗，从而减少减弱电磁场的干扰。电磁屏蔽的作用是抑制辐射电磁场的电磁耦合。

3.1 设备壳体屏蔽

电子电气设备大多具有金属外壳，并都通过搭接接地方式与机体结构相连。电磁场经过设备的金属外壳隔离后，电磁干扰的强度将明显降低。但设备外壳上面不可避免地存在各种缝隙、开孔以及进出电缆等各种缺陷，这些缺陷将对设备的屏蔽效能有急剧的劣化作用。

3.2 电缆屏蔽

电子电气设备通过各种电缆相互连接，从而实现复杂的功能。电缆的主要功能就是传输电能、信号和实现电磁能的转换，是接受、发送和传输电磁干扰能量的主要途径。电缆屏蔽设计的内容主要包含端接方式、屏蔽层接地方式和多层屏蔽。

4 滤波

滤波是将电源或者信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波的工作原理是在电磁波的传输路径上形成很大的特性阻抗不连续，允许特定频率的有用能量通过，将其他频率的无用能量消耗掉或者反射回干扰源。根据使用条件的不同，EMI滤波器又分为电源滤波器和信号滤波器。

4.1 信号滤波器

信号滤波器可以使电信号中的特定频率通过，而极大的衰减其他频率的成分。通常采用低通滤波器将信号的高频干扰成分去除。一般来说，高频条件下导线是接受和辐射电磁干扰的最有效的天线。在导线上使用滤波器是解决高频干扰和辐射的很有效的方法。

4.2 电源滤波器

电源滤波器实际上是由电容和电感等器件组成低通滤波电路，可以毫无衰减的将直流或者低频电源能量传输给负载，同时将电源差模和共模的高频能量反射回电源。根据使用情况，电源滤波器可分为直流滤波器、单相交流滤波器和三相交流滤波器。

5 小结

系统设计过程中，电磁兼容的设计是直接关系到系统工作性能的重要工作。它涉及的环节多，影响的因素多，需要具体问题具体分析，不存在万能的解决方法。面对日趋复杂的电磁环境，我们需要大力学习和重视电磁兼容设计技术，并且在实践中不断地进行探索、总结和完善。

参考文献

[1]区健昌.电子设备的电磁兼容性设计[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]王守三.电磁兼容的实用技术、技巧和工艺[M].北京：机械工业出版社，2007.

作者单位

上海飞机设计研究院 上海市 200000