嵌入式硬件系统电磁兼容设计

电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）指的是设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰能力。电磁兼容技术是以解决实践中的电磁干扰技术而出现并发展起来的一门新兴学科。从广义角度来讲，电磁兼容技术要研究和解决的问题是电气、电子设备及系统以及人类或动植物在一个共同的电磁环境中的安全共存问题。它既包括电气、电子设备间的相互干扰，也包括自然界电磁干扰（宇宙干扰、天电干扰、雷电干扰等）对电气、电子设备、人或动植物的电磁影响或电磁效应。

现代电子技术中，来自辐射场的干扰、线路内部的公共阻抗、导线中的瞬态冲击、高频时的反射作用、电路结构等都对其他电路有影响，因而存在电磁兼容问题。实践证明，由各个单元组成的系统中，即使各个单元满足性能指标要求，但作为一个系统，由于相互间的电磁干扰，性能就要降低，系统不合格的修理费用或对全局影响远比单元设备不合格大得多，所以系统中设备相互干扰是关系到系统本身成败的大问题。为了避免这类事情的发生，在设计各个单元时，就要从系统着眼，切实考虑电磁兼容问题。

解决电磁兼容问题，较为实用的技术为：接地技术、滤波和吸收技术、屏蔽和隔离技术、合理布局等技术，这些技术在实践中已取得良好的使用效果。

1、接地技术

接地属于线路设计的范畴，对产品电磁兼容性有着至关重要的意义。可以说，合理的接地是最经济有效的电磁兼容设计技术。在设计的一开始就考虑布局与地线是解决电磁干扰问题最廉价和有效的方法。良好设计的地线系统并不会增加一分钱的成本。90%的电磁兼容问题是由于布线和接地不当造成的，良好的布线和接地既能提高抗扰度，又能够减小干扰发射。

电子设备接地的实用方式为：单点接地、多点接地、混合接地。导体材料应选导电性能良好的铜、铝材料，并表面镀银。若为射频电阻，应采用宽/厚比值大的扁铜带制作地线，这样可减小导体的射频电阻。

①单点接地。单点接地把整个电路系统中某一结构点作为接地基准点，其他各单元的信号地连接到这一点上。工作频率低于100kHz时应采用单点接地，以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。多个电路的单点接地方式又分为串联和并联两种。由于串联接地产生共地阻抗干扰，所以低频电路最好采用并联单点接地，如图1所示。并连接地的缺点是接地的导线过多。因此在实际电路中，没有必要将所有电路都并联单点接地，对于相互干扰较少的电路，可以采用串联单点接地，例如，如果将电路按照强信号、弱信号、模拟信号、数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地，如图2所示。并联单点接地在低频时可有效避免各单元间的阻抗干扰，但在高频时，相邻地线间的耦合增强，则易造成各单元间的干扰，因此，高频时应采取多点就近接地。

图1 并联单点接地图2 串、并联单点接地

②多点接地。多点接地的设备或分系统中各个接地点都直接接到距离它最近的接地面上，使引线长度最短，工作频率高于1MHz时，应采用多点接地，如图3所示。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。

图3 多点接地

③混合接地。由于多点接地系统中存在着各种地线回路，它们对于设备内较低电平的信号单元可能产生不良影响，为此需要采取混合接地，如图4所示。根据不同的工作频率采用相应的接地方式，频率高于1MHz或接地线的长度大于工作信号波长的1/20时应采用多点接地；频率低于100kHz或接地线的长度小于工作信号波长的1/20时应采用单点接地。

图4 混合接地

2、滤波和吸收技术

滤波是抑制传导干扰最直接有效的方法。另外，由于良好的滤波抑制了干扰源的泄露，所以对辐射干扰的抑制也会起到良好的效果。对于瞬态脉冲干扰，最有效的办法则是使用脉冲吸收技术。

实际使用中，应根据滤波器的特性，如插入损耗、频率特性、阻抗、额定电压、额定电流、绝缘电阻及体积、重量、温升及可靠性等来选择滤波器。LC滤波器、吸收式滤波器是通常采用的滤波器。穿心电容是常用的LC滤波器，具有连接、安装方便等优点，但是属于反射式滤波器，当它和信号源不匹配时，一部分有用能量会被反射回信号源，导致干扰电平增加。为拓宽抑制带宽，可采用铁氧体等损耗材料制成的吸收式滤波器，使有用信号能有效通过，而将干扰能量转化成热能。市场上有理想高频特性的电缆滤波器、滤波连接器等，可满足各种需要。

滤波器的安装质量对实际衰减特性影响很大，只有正确的安装才能获得预期的衰减特性。滤波器的安装应遵循以下原则。

①电源供电线的滤波器应安装在设备或屏蔽壳体的电源入口处，并予以屏蔽。

②滤波器中电容器引线应尽可能短，以免其感抗与荣抗在较低频率上谐振。电容器和其他元件应正交安装，减小相互耦合。

③滤波器要进行良好的接地。

④焊接在同一插座上的每根导线都必须进行滤波，否则会破坏滤波器的有效性。

⑤滤波器的输入和输出引线之间应予以屏蔽，更不得往返交叉，否则输入和输出引线之间的耦合将导致滤波器抑制特性下降。

3、屏蔽和隔离技术

屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。屏蔽是抑制辐射干扰的有效办法。应用时应注意，屏蔽措施经常要与接地共同作用才能发挥作用。屏蔽可理解为是隔离的一种方法，但屏蔽所包含的内容不止于此，它还包括位置的远离和传导干扰路径的切断等。

屏蔽的方法有电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽。要获得良好屏蔽效果，首先要确定干扰源的类型、场强的方向、干扰源与感受器的距离，有针对性地采取屏蔽方法和选择合适的材料；通过分析波阻抗和能量密度可知：电偶极子在近场的波阻抗为高阻抗（＞377Ω），近场的能量主要为电场分量，可忽略磁场分量；磁偶极子在近场的波阻抗为低阻抗（＜377Ω），近场的能量主要为磁场分量，可忽略电场分量。电偶极子和磁偶极子在远场的波阻抗相等（均为377Ω），此时电场和磁场分量相等。这就是说，两类源在近场的差别较大，因此可根据其波阻抗和能量性质，将上述两种源称为高阻抗电场源和低阻抗磁场源。注意，上述近场和远场的条件即r的大小，是与频率f有关的。所以有可以说，在较低的频率范围内，干扰一般发生在近场。高阻抗电场源的近场主要为电场分量，低阻抗磁场源的近场主要为磁场分量。当频率增高时，干扰趋于远场，此时电场和磁场分量均不可忽略。对应于三种情况的屏蔽分别称为：电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。静电屏蔽和恒定磁场屏蔽分别是电屏蔽和磁屏蔽的特例。

（1）电屏蔽设计要点：首先，选择铜、铝合金材料作屏蔽体材料，高频时表面镀上银层，同时屏蔽体必须良好的接地，并要正确选择接地点，合理设计屏蔽体形状。用螺钉接地时应增加内齿垫圈；用导线接地时应尽量缩短导线长度，而导线两端最好用焊接。屏蔽体接地点应靠近被屏蔽的低电平元件的入地点。要获得高的屏蔽效能，可采用盒型结构，尽量减小开孔面积和减小开孔数量，合理设计屏蔽盒双层盖、共盖、分盖结构，妥善选用合适的弹性件，减小接触电阻。

（2）磁屏蔽设计要点：低频磁场干扰是一个棘手的问题。对于低频磁场屏蔽，涡流的屏蔽作用很小，主要依赖于高磁导率材料所具有的高磁导率起磁路分路作用。屏蔽体的磁导率越高、屏蔽层越厚，则磁分路作用越明显，磁屏蔽效能越好。通常情况下，磁屏蔽体采用钢板作屏蔽体，必要时可采用双层屏蔽，使用铁镍合金等高磁导率材料。磁屏蔽结构设计时应仔细考虑屏蔽体的接缝与孔洞的处理；必须使屏蔽体的接缝与壁内磁通的流经方向尽可能平行、正确布置通风孔，以尽可能减小屏蔽体磁阻的上升。高磁导率材料在机械冲击的条件下会极大地损失磁性，导致屏蔽效能下降。因此，屏蔽体在经过机械加工后，如敲击、焊接、折弯、钻孔等，必须经过热处理，以恢复磁性。

（3）电磁屏蔽设计要点：对于电磁屏蔽，因为金属的导电、导磁能力越好，吸收电磁场的能力越强，所以电磁场的频率越高，越易于被金属吸收，因此采用铜、铝合金材料作屏蔽体，表面镀上银层，可取得良好的屏蔽效果。电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，根据实际情况，选择合适的导电衬垫、梳形簧片、屏蔽显示窗、截止波导、导电涂料等实现电磁密封。

4、布局合理

合理布局包括合理安排系统设备内各单元之间的相对位置和电缆走线等，其基本原则是使感受器和干扰源尽可能远离，输出与输入端口妥善分隔，高电平电缆及脉冲引线与低电平电缆分别敷设。通过合理布局，使相互干扰减小到最低程度而又费用不多。一个产品若在设计阶段注意选择合理的元器件，并优化线路布局，尤其高频连接线尽量短，接地电阻尽量小，必要时再加上适当的屏蔽和滤波等措施，那么其电磁兼容性能便不会存在大的问题。

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