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安全技术防范系统电子设备的EMC设计

在现代信息化社会,电子设备的数量越来越多,为使它及其周边设备安全可靠地工作,必须使它们达到EMC(电磁兼容性)。本文从介绍EMC的重要性、含义与发展以及安防电子设备的EMC现状入手,重点介绍安全技术防范系统电子设备的EMC设计的内容与要点、方法与步骤、分析与预测等,以使安防设备能充分地满足现代社会的需要。\r\n
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随着微电子技术的发展,计算机已朝着高速度、高灵敏度、高集成和多功能方向发展,而高速和高集成会使系统的辐射加重,低压和高灵敏度会使系统的抗干扰程度降低。因此,电磁环境的干扰和系统内部的相互窜扰,严重地威胁着计算机和电子设备的工作的稳定性和可靠性。如计算机出现的死机与电子设备(如通讯设备)及自控仪表的工作失灵与误动作就是例证。

上述简单的实例,都是常见的、在同一电磁环境中的电子设备相互造成干扰而不能正常工作的现象,也是我们安防系统造成电子设备有时出现的设备失灵与死机的故障现象的原因。要解决这些问题,即如何在同一电磁环境下,使各种电子设备与系统都能互不干扰地正常稳定地工作,即达到一种互相兼容的状态,这就是我们所要研究的安全技术防范系统电子设备的电磁兼容性。

电磁兼容性的含义及其发展
电磁兼容性的含义
电磁兼容性的英文名称为Electro-Magnetic Compatibility,简称EMC。对于EMC这一概念,作为一门学科可译为“电磁兼容”,如作为一个设备或系统的电磁兼容能力,可称为“电磁兼容性”。由于现今社会的电磁干扰源的大量存在,因而电磁干扰现象会经常发生。如果在一个系统中,各种用电设备均能和谐正常地工作,而不相互发生电磁干扰造成性能降低和损坏的话,就可称这个系统中的用电设备是相互兼容的。因此,为使系统达到电磁兼容,必须以系统的电磁环境为依据,要求每个用电设备不产生超过一定限度的电磁发射,并具有一定的抗干扰能力。只有对每一个电子设备作这两方面的约束,才能保证系统达到完全兼容。

所以,国家军用标准GJB72-85“电磁兼容干扰和电磁兼容性名词术语”第5.10条对电磁兼容性含义作出了科学而完整的定义:“设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中,能一起执行各自功能的共存状态,即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射导致或遭受不允许的性能降级;它也不会使同一电磁环境中其它设备(分系统、系统)因受其电磁发射而导致或遭受不允许的性能降级,这种共存状态就被称为是电磁兼容性(EMC)”。

在中国,对EMC的理论和技术的研究起步较晚,到80年代之后才组织系统地研究,并陆续颁布了一些EMC设计要求、测试方法等国家级和行业级的EMC标准,但具体的设计规范仍很缺乏。

自90年代以后,随着国民经济和高科技产业的迅速发展,在航空、航天、通讯、电子等部门,EMC受到格外的重视。但由于我们在长期的工作中的组织管理没有投入足够的人力物力做深入的研究,使得有些经验不能很好地积累、提高和推广,形成不了设计规范,EMC设计多是在低水平上的重复。

近几年来,我国在EMC方面已有了长足的进展,中国电子学会也成立了电磁兼容分会,到2005年已召开了第15次全国电磁兼容学术交流会,并开展了国际间的EMC交流与展览,开设了中国电磁兼容网(WWW.EMCchina.org),并开办了EMC测试工程师培训班,大大地推进了国内的EMC工作。[nextpage]

安防系统电子设备的电磁兼容性现状
安全技术防范系统通常由前端设备、传输信号设备、控制设备与终端设备组成。而组成系统的各个部分几乎都离不开电子器件或电子设备,因此不能忽视电磁兼容性问题。安防系统的电子设备与其它常规的电子设备相比,又常常被认为具有较高的重要地位,所以安防电子设备的生产与研发设计,常常忽视自身对外界产生的电磁骚扰性,仅注意自身的电磁抗扰性。就是在电磁抗扰性方面,虽然采用GB/T17626-1998电磁兼容性抗扰性试验方法的系列标准,而电子设备的制造商为了使产品能够顺利通过抗扰性试验,往往将实验的严酷等级确定为较低的级别。虽然产品的抗扰性试验能顺利通过,但却给安防系统留下了安全隐患。

在电磁骚扰性方面,安防系统的电子器件或电子设备很少进行电磁骚扰性方面的测试试验,尤其是电磁辐射骚扰性方面的测试试验。当前我国已将电磁兼容与环境保护融为一体,正在努力营造一个清净的电磁环境,要求电子器件与电子设备必须满足电磁兼容性,并己列入国家强制执行的范畴。因此,安防系统的电子设备的这种状况必须尽快改变。

2004年,国家建设部与国家质量监督检验检疫总局联合发布了GB 50348“安全防范工程技术规范”,并自2004年12月1日开始实施。在这部规范中,在安防工程的设计方面首次提出了安全性与电磁兼容性的设计要求。但遗憾的是,整部规范中仍然只注重了电磁抗扰性方面的技术要求,而没有涉及到电磁骚扰性方面的技术要求。

安全技术防范系统的电磁兼容性,一方面是安全技术防范系统工程的电磁兼容性,另一方面是工程中所使用的电子器件或电子设备的电磁兼容性。而电子器件或电子设备的电磁兼容性,是保障整个安全技术防范系统工程的电磁兼容性的必要条件。目前,安全技术防范系统的电子器件或电子设备,在电磁抗扰性方面基本上能满足EMC的要求,但在电磁骚扰性方面未达到EMC的要求。在参考文献53中,作者将视频监控主机和可视对讲主机分别作了电磁辐射传导骚扰和电磁辐射发射骚扰的测试试验,结果证实其电磁骚扰性指标非常糟糕,显然这是一种潜在的安全隐患。

电子系统或设备的电磁兼容性是衡量系统或设备自身电磁抗扰性和电磁骚扰性的一种综合性指标。要想提高安防系统的这种EMC技术指标,必须在系统或设备的功能设计阶段就同时进行EMC的设计,只有这样才能收到事半功倍的效果。因此,安防系统内电子设备的研发生产商在注重设备自身电磁抗扰性的同时,还必须要注重电磁骚扰性指标。如果电磁骚扰出现,不仅会产生系统内的干扰,而且还会造成系统之间的互相干扰,从而导致系统之间在同一电磁环境中不能相互兼容,显然这是现代信息社会不能容许的。

电磁兼容性的设计内容与要点
EMC设计的目的
当前,EMC是电子设备或系统本身所具有的主要性能之一,所以EMC设计是实现产品规定的功能,使产品效能得以充分发挥的重要保证。说得确切一点,EMC设计的目的是使产品在预期的电磁环境中能正常工作,即产品无性能降低或故障,并具有对电磁环境中的任何事物不构成电磁骚扰的能力。因此,EMC设计已成为任何电子设备和系统综合设计的一部分。即在进行产品功能设计的同时,必须进行EMC设计,这远比试图使自己的产品达到EMC的其它方法更节约成本。

无数的实例证明,假定在产品的开发阶段解决EMC问题所需费用为1的话,等到定型再想办法解决EMC则费用将增加到10;如果到批量生产再解决EMC,费用将增加到100;如果到用户发现问题后才解决,费用就可能达到1000。这说明,如果在产品开发阶段同时进行EMC设计,就可以把90%的EMC问题解决在定型之前。那种不顾EMC,只按常规进行产品设计,最后发现问题再进行补救的作法,不仅在技术上会造成问题,而且还会造成人力与财力的极大浪费。所以,任何一种产品,尽早进行EMC设计是非常必要的。 [nextpage]

EMC设计的内容与要点
EMC设计涉及的内容很多,但从原理上讲,主要是从电磁干扰的三要素(电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备)着手采取抑制干扰的措施;从技术的角度讲,就是综合运用好接地、屏蔽、滤波等技术。

1、抑制电磁骚扰源的设计要点
•尽量去掉对产品工作用处不大的潜在骚扰源,以减少骚扰源的个数;
•限制骚扰源的电流与电压的幅度及其变化率;
•适当选择元器件与线路的工作模式,使产品工作在特性曲线的线性段,以使谐波成分降低;
•限制骚扰源的频率,即使对有用的电磁发射或信号输出也需进行功率限制和频带控制;
•合理选择发射天线的类型和高度,不盲目追求覆盖面积和信号强度;
•合理选择数字信号的脉冲形状,不盲目追求脉冲的上升速度和幅度;
•尽量控制电弧放电,要选用工作电平低的有触点保护的开关或继电器,以及加工精密的电机;
•选用完善的良好的接地来抑制接地与地环路干扰和高频噪声。

2、抑制干扰耦合(即切断干扰的耦合通道)的设计要点
•采用完整的电磁屏蔽以切断空间干扰的耦合通道;
•采用合适的频谱滤波以切断线路传导干扰的耦合通道;
•采用良好的接地以降低地线干扰的耦合通道;
•把携带电磁噪声的元件和导线与连接敏感元件的连接线隔离;
•使携带高频信号或噪声的导线尽量短,必要时信号线用屏蔽线或加屏蔽套,以缩短干扰耦合;
•注意布线和结构件的天线效应,对通过电场耦合的辐射骚扰要尽量减小电路的阻抗;对磁场耦合的辐射骚扰宜尽量增加电路的阻抗;
•采用电磁、光电、机械等隔离技术以切断干扰的耦合通道。

3、提高敏感设备的抗干扰能力的设计要点
•选用具有高抗干扰能力的元器件,尽量少用低电平器件,也不盲目选择高速器件;
•去掉那些不十分需要的敏感部件,并适当控制敏感部件的输入灵敏度;
•限制电路的带宽;
•采用完整的电磁屏幕、良好的接地、合适的去耦与滤波技术;
总之,对于电磁骚扰源的各种防护措施,一般也适用于敏感设备。

EMC设计的方法与步骤
EMC设计的方法
目前,可行的EMC设计的方法主要有两种:

1、规范法。这种方法是在产品开发阶段根据EMC的有关标准和规范的要求指标进行设计。即将产品的EMC指标要求分解成元器件级、电路级、模块级和产品级的指标要求,再按照各级要实现的功能要求,逐级分层次地进行设计,使产品可能出现的问题得到早期地解决。看起来规范法是按标准规范进行设计,比较合理,但它的不足之处是可能引入过储备的设计。

2、系统法。这是近几年兴起的一种设计方法,它是在产品的初始设计阶段就对产品的每一个可能影响产品EMC的元器件、模块及线路建立数字模型,然后利用计算机的辅助设计工具对其EMC进行分析预测和控制指标的分配,从而为整个产品的满足要求打下良好的基础。[nextpage]

这种方法集中了EMC方面的成就,能根据EMC的要求给出最优的设计。因为它在试验过程中对EMC进行分析预测,合理分配EMC指标,从而保证了系统的EMC设计要求。总之,无论是用何种方法进行EMC设计,其有效性都应该是以最后产品或系统的实际运行情况或检验结果为准。

EMC设计的步骤
一般,一个产品的EMC设计有一个最佳的设计步骤:

第一步:优秀的EMC设计的基础必须是良好的电气和机械设计原则的应用。这其中包含有系统可靠性、可维修性等考虑,可接受的容限内设计标准与规范的满足,好的机械设计原则、组装方法以及新的测试技术等;

第二步:在进行产品的电路功能设计时,应对欲选择的各有源器件和电路进行仔细分析与选择。

如高速逻辑、时钟、视频电路和一些含有电接点的电器等都是潜在的电磁骚扰源,它们和微处理器、低电平模拟电路等也容易被骚扰而产生误动作;组合逻辑电路、线性电源及功率放大器等则不易受骚扰的影响。

此外,较低的脉冲重复频率和较慢的上升/下降沿,将降低数字电路产生的电磁骚扰。一般骚扰脉冲的强度超过一定的容限将使电路误触发,而CMOS与HTL电路具有较高的噪声容限,因而要优先选用。

在对有源器件进行筛选和对电子电路进行改进后,应对骚扰源电路与易受骚扰影响的电路进行分类和集中,以减小相互影响和便于采取防护措施。

第三步:PCB板的EMC设计。由于有源器件和电路均要安装在PCB板上,所以PCB板的EMC设计也是非常重要的。一般,有源元件的位置、印制线的走线与粗细、阻抗的匹配、接地的设计以及电路的滤波与去耦等均应在PCB的设计时加以考虑。此外,有些元件还需进行屏蔽等。

一般,印制板按单点接地原则送电,模拟、数字、功率驱动三区的电源线、地线由该点分三路引出,应尽量减小印制板地线和电源线的引线电感,多层板比单面板好;
为减小印制板导线的辐射,要满足20H(H为双面板厚度)准则,即元件面应比接地面缩小20H宽度;
高频高速电路要满足2W(W为印制板导线宽度)准则,即导线间距不小于2W,以减小串扰;
导线应短、宽(电源线、地线尽量粗,信号线过孔尽量少)、均匀、直、需转弯则采用45度角,以减小高频信号的发射;
晶振与噪声敏感器件下面要加大地的面积而不应走其它信号线,时钟与特殊高速逻辑电路用地线圈起来,让周围电场趋近于零,时钟要尽量靠近用到该时钟的器件,时钟引线要尽量短,且要远离I/O线等。

第四步: 地线与内部电缆的EMC设计。地线设计是重要的,也是难度最大的一项设计,而内部电缆又是用来连接PCB或其它内部组件的,它们的走线方法和屏蔽的内部电缆EMC设计,对于系统整体的EMC来说,也是十分重要的。[nextpage]

理想的零阻抗、零电位的地线是不存在的,因此必须减小接地阻抗和电源馈线阻抗(一般要求接地电阻小于4欧姆),并要正确选择接地方式和阻隔地环线。当工作频率小于1MHZ时采用单点接地;工作频率高于30MHZ时,采用多点接地;当频率介于1~30MHZ须用混合接地方式,接地线长度小于信号波长的1/20时用单点接地式,否则采用多点接地式。

当系统内机柜、设备过多时,可铺设两条互相并行并和系统外壳绝缘的半环形接地母线:一条为信号地母线,系统内部各信号地就近接到信号地母线上;一条为屏蔽地及机柜外壳地母线,系统内各屏蔽地及机柜外壳地就近接到这条母线上。两条半环形接地母线的中部靠近安全接地螺栓,屏蔽地及机柜外壳地母线以及动力电源零线都接到安全接地螺栓上;信号地母线接到信号地螺栓上。安全接地螺栓通过接地线将接地极埋入注入盐水的土壤中。信号地螺栓与安全地螺栓的连接有三种方法(取决于接地效果):一是不连接而成为浮地式;二是连接而成为单点接地式;三是通过一个3μF电容器连接而成为交流接地与直流浮地式。

系统内部的电线电缆的走线连接也是重要的,因为线间耦合也是造成干扰的重要原因。将线缆按功率分类,不同分类的导线应分别捆扎,分开敷设的线束间距应为50~75mm。

减小干扰和敏感电路的环路面积的最好办法是使用双绞线和屏蔽线,非屏蔽双绞线能防止磁感应,其屏蔽效果与单位长度的导线扭绞次数成正比;带屏蔽双绞线能消除公共阻抗的耦合,并使干扰的噪声相消。无屏蔽的带状电缆的接线最好是安排信号线与地线相间,或一根地与二根信号线相间。从而起到线间隔离作用。弱信号引出线、高频、大功率引出线要用屏蔽线,视频信号最好使用同轴电缆。噪声敏感线不要与高速线、大电流线平行,尽可能使干扰源线路与受感应线路呈直角布线等。

第五步: 机壳的屏蔽和所有缝隙、穿孔和电缆通孔的EMC设计。屏蔽是提高产品EMC性能的重要措施之一,它能有效地抑制通过空间传播的各种电磁干扰(即防止辐射干扰)。机壳应采用金属材料或在塑料外壳内喷涂一层金属膜作屏蔽层,它的屏蔽是通过屏蔽体的接地使电磁骚扰短路至地而起的屏蔽作用。

屏蔽体上的开孔(缝隙、穿孔和电缆通孔)主要注意开孔的方向,要尽可能使开孔缝隙的长边平行于磁通流向,使磁路长度增加最少,进出线孔、连接缝隙要足够小(d<λ/20),机箱的接缝处使用导电衬垫,通风窗使用波导管等。

第六步: I/O接口导线或电缆以及电源线输入口的EMC设计。实际上,外界电磁骚扰可通过连接到I/O接口的导线或电缆及电源输入线传导进入屏蔽体内;而屏蔽内部的电磁骚扰也可以耦合到连接I/O接口的导线或电缆以及电源线上,并产生骚扰电流造成对外面的传导和辐射骚扰。

为了抑制这种骚扰电流的流入和流出,必须采用滤波技术(能防止传导干扰),即在I/O接口和电源输入口分别采用滤波器连接器或馈通滤波器。一般,屏蔽体上安装的蜂窝状通风板是由截止波导管组成的高通滤波器,在面板上需要穿过可调器件的非金属轴杆时,也可将轴杆穿过截止波导管。用导电玻璃制成的屏蔽窗,也是一个高通滤波器。

各类滤波器都必需接地,这样,它的共模旁路电容才能起作用。在安装滤波器时,还要利用屏蔽将输入和输出端完全隔离,才能发挥滤波器的抑制作用。产品的EMC设计表面看起来复杂,不知从何下手,但如果按照这六个步骤的顺序去考虑,则产品的EMC便不会有什么大问题。[nextpage]

EMC预测
EMC设计的好坏是要通过EMC测试来衡量的,因此只有在产品的EMC设计和研制的全过程中进行EMC的预测和评估,才能及早发现可能存在的EMI,并采取必要的防护或抑制措施来确保系统的EMC。前面所述的设计方法中的系统法就包含有对EMC的分析预测,因而它是EMC设计中的最好的方法。 

目前,EMC预测一般在三个级别上进行:
1、第一个级别是芯片的EMC预测。传统的芯片设计未考虑EMC,当芯片工作在低频或低速时一般不会出现明显的EMC问题,但当芯片工作在高频时,EMC问题就突出了。现在美国和其他一些西方国家的半导体芯片生产商都把EMC的设计、预测作为生产的第一个主要过程。
2、第二级别是部件的EMC预测。如印刷电路板、多芯线与驱动器等电气部件本身的以及部件与部件之间的EMC预测。美国IBM公司及其他一些西方公司均在作此EMC预测。以使他们的产品更具竞争力。
3、第三个级别是系统的EMC预测。如飞机、舰船与导弹等这样的整个系统或设备的EMC预测。这种分析预测的实用软件,目前正是各国EMC专家们主攻的方向。

PCB的EMC/EMI模拟仿真的预测软件包
从所周知,一块PCB板上可能包括上百种来自于不同厂家、功能各异的电子元器件,设计者们要进行EMC/EMI的分析预测就必须了解这些元器件的电气特性之后才能具体模拟仿真。

IBIS(I/O Buffer Interface Specification),即ANSI/EIA-656,是一种通过测量或电路仿真得到的基于V/I曲线的I/O缓冲器的快速而精确描述电气性能的模型。IBIS数据库文件是一种文本文件,它是通过标准软件格式生成的“行为”信息的描述,以说明IC的模拟电气特性,它也是用实际测量得到V/I曲线的描述模型。大多数半导体厂商在自已的网络上或产品的CD-ROM中发布有IC的IBIS数据,因此设计者们可以将它们用于电路的模拟仿真中进行EMC/EMI的分析预测。

德国INCASES公司,为设计者提供了EMC/EMI的模拟仿真分析预测的软件包EMC-WORKBENCH,它能满面足电路设计者们在EMC方面的迫切需求。利用这种软件包,改进了PCB设计的流程,简化了后期硬件调式中的许多繁杂的工作。由于有了EMC/EMI的模拟仿真的软件包,使PCB的设计进入了一个新的时代。

系统或设备的EMC预测的基本方程
设电磁骚扰源广生的干扰信号为G(t,f,θ),其中t为时间;f为频率;θ为方位角。则这个信号传播到距离d的信号函数为G(t,f,θ)•H(t,f,θ,d),其中H(t,f, θ,d)为传输函数。若系统或设备的敏感度阈值为S(t,f,θ),则系统或设备受骚扰的程度E为:
E=G(t,f,θ)•H(t,f, θ,d)- S(t,f,θ)
这就是系统或设备的EMC预测的基本方程。这个方程说明:
如果E>0,说明系统或设备存在电磁骚扰,E越大,受到骚扰越大;
如果E=0,说明系统或设备处于临界状态,有受到电磁骚扰的可能性;
当E<0时,说明电磁骚扰小于设备的敏感度阈值而不受干扰,因而系统或设备处于一种电磁兼容状态,即EMC性能好。

在这个方程基础上,建立数字模型、编制软件,即可进行EMC分析预测。目前国内已有单位根据此方程,利用EMC专家的知识和经验建立一知识库,正在着手编制推理软件进行EMC的分析预测,相信不久,系统的EMC的预测是能得到很好地解决的。

虽然目前还没有实用的EMC的分析预测软件,但我们只要在一个产品的设计阶段,注意选择合理的元器件,优化PCB板的线路布局,尤其使高频连接线尽量短,接地电阻尽量小等。再加上注意采取适当的屏蔽、滤波和完善接地等技术措施,则所设计的产品的EMC,一般便不会存在大的问题。

结语
由上述可知,EMC在现代信息化社会的重要性。并且随着科学技术与社会的越来越发展,EMC的地位也就越来越重要,因为只要有电压与电流存在,就会有电场与磁场的存在,从而就要产生电磁干扰,并影响着人们的正常工作、生活与生存。因此,安全技术防范各部门都要对EMC予以充分地重视。

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