EMC和EMI概述：理解电磁兼容和干扰

1.EMC与EMI基本概念

1822年安培提出了一切磁现象的根源是电流的假说。1831年法拉第发现变化的磁场在导线中产生感应电动势的规律。1864年麦克斯韦全面论述了电和磁的相互作用，提出了位移电流的理论，总结出麦克斯韦方程并预言电磁波的存在。麦克斯韦的电磁场理论是研究电磁兼容的理论基础。1881年英国科学家希维赛德发表了“论干扰”的文章，标志着电磁兼容性技术研究的开端。

1888年德国科学家赫兹首创了天线，第一次把电磁波辐射到自由空间，同时又成功地接收到电磁波，从此开始了电磁兼容性的实验研究。1889年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使电磁兼容性研究开始走向工程化。1944年德国电气工程师协会制订了世界上第一个电磁兼容性规范VDE0878，1945年美国颁布了第一个电磁兼容性军用规范JAN-I-225。

根据我国国家军用标准GJB72-85《电磁干扰和电磁兼容性名词术语》第5.10条的定义，电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）是设备（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他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使同一电磁环境中其他设备（分系统、系统）因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。

因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰（Electromagnetic interference，EMI）不能超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗干扰度，即电磁敏感性（Electromagnetic susceptibility，EMS）。

现代社会中电子与电工产品数量猛增，并且产品呈现高频化、高速数字化、高密度组装、低电压化、高功率化、频点密度提高、频带加宽、移动化趋势，这些特点使得产品的电磁干扰日益加剧。

电磁干扰由三个要素组成：干扰源、传播途径和敏感设备，也就是由意外的源通过意外的传播途径，使敏感设备产生了意外的响应。其中常见的人为干扰源如图10-15所示。

图10-15 人为干扰源类别

传播途径是电磁干扰三要素中的关键一环，按传播途径可以把电磁干扰划分为如图10_-16所示的几类。

图10-16 按照干扰传播路径分类

传导耦合是指电磁噪声的能量在电路中以电压或电流的形式，通过金属导线或其他元件（如电容器、电感器、变压器等）耦合至被干扰设备（电路），包括直接传导耦合和公共阻抗耦合。辐射耦合是指电磁噪声的能量，以电磁场能量的形式，通过空间或介质传播，耦合到被干扰设备（电路），可分为远场耦合和近场耦合两种情况。在实际的应用中，两个设备之间发生干扰时通常存在多种耦合途径，如图10-17所示。

图10-17 电磁噪声传播示意图

直接传导耦合是指电磁干扰能量以电压或电流的形式，直接通过导线、金属体、电阻器、电容器、电感器或变压器等耦合到被干扰设备或电路上。根据耦合元件的不同，直接传导耦合分为电导性耦合、电感性耦合及电容性耦合。

公共阻抗传导耦合包括公共地阻抗传导耦合和公共电源阻抗传导耦合。公共地阻抗传导耦合，是指噪声通过印制电路和机壳接地线、设备的公共安全接地线以及接地网络中的公共地阻抗产生公共地阻抗耦合。图10-18a所示为公共地线的连线内阻产生的耦合，电路1的地电流流过公共地的连线，然后在公共地的连线上产生电压降。这些干扰信号电压降通过公共地阻抗传递给电路2。公共连线的内阻与电压频率有关，当干扰信号频率较低时，它基本上等于连接线的电阻；当干扰频率较高时，它基本上等于连接导线的等效感抗。因此，干扰信号的耦合效率会随着干扰频率的不同而变化。公共电源阻抗传导耦合，是指噪声通过交/直流供电电源的公共电源时产生公共电源阻抗耦合如图10-18b。一个公共电源同时向多个负载供电是比较常见的，这种供电方式会造成传导耦合干扰。实质上，公共电源传递干扰能量是通过这些负载的公共电源内阻来完成的。

图10-18 公共阻抗耦合示意图

a）公共地阻抗耦合示意图 b）公共电源阻抗耦合示意图

电路中的干扰信号可以划分为差模干扰（Differential Mode，DM）与共模干扰（Common Mode，CM），如图10-19所示的EMI干扰源示意图及其干扰等效路径。针对具体的干扰需要经过仔细分析，认清它是哪一类干扰后再采取对应的有效措施。A与B是待测设备（E-quipment Under Test，EUT）的供电端子（相线、中线等）；差模电流在相线之间（包括中线）流动，如图10-19a中的I_d；共模电流在相线或中线与地线之间流动，见图中的I_c。图中，EUT工作时的供电电压是在A、B间提供的。但由于差模干扰电压U_d的存在，在A、B间会流过差模干扰电流，Z_d是差模电压源等效内阻。由于共模干扰电压U_c的存在，会有共模干扰电流流过，Z_c是共模电压源等效内阻，C_s是干扰源电路与地线之间的杂散电容。考虑到上述干扰信号后，EUT的两个供电端子A、B的对地电压U₁、U₂就包含了共模与差模干扰，并且两个端子的电流I₁、I₂也都包含了共模与差模电流信号（暂不考虑EUT的正常工作电流）。如下所示：

如果采用合适的设备测量到两个干扰电流信号后，可以利用式10-17分离出共模干扰电流与差模干扰电流。

测量相线之间的电压可以获得差模电压，但是共模电压不易测量。因为共模干扰电流是通过电路与地平面之间的杂散参数形成闭合回路，这些杂散参数主要是一些寄生电容，共模干扰的大小不仅由共模电压源的大小决定，还取决于电网阻抗和系统各种寄生参数。

图10-19 差模与共模干扰示意图

根据电磁噪声的频率、电磁干扰源与被干扰设备（电路）之间的距离，辐射耦合可分为远场（辐射场）耦合和近场（感应场）耦合两种情况，如图10-20所示。

近场辐射耦合也称为感应场耦合，是指干扰源与敏感设备之间的距离小于干扰信号1/6波长（λ/2π）时的情况。近场耦合主要包括线与线、机壳与机壳、场与导线等之间的耦合问题。一般来说，机架上设备之间以及设备机箱内电路之间的耦合是近场耦合。根据干扰机理的不同，具体包括由分布电感引起的磁场耦合与由分布电容引起的电场耦合。

远场辐射耦合是指干扰源与敏感设备之间的距离大于干扰信号1/6波长（λ/2π）下的空间电磁场耦合。其能量是以电磁波的形式从干扰源传输到敏感设备的，干扰源中的能量借助寄生天线将能量辐射到空间形成电磁波。当某些敏感设备中的一些寄生天线接收到干扰信号并传到敏感电路后就形成电磁干扰。由于辐射或接收辐射能量的器件实际上都起着天线的作用，因此这类问题可以用天线理论进行分析。

图10-20 辐射耦合划分示意图

电磁干扰问题很早就得到业界的重视，并且制定了国际标准、国家标准、行业标准等一系列标准进行EMI约束与EMC设计指导。

制定电磁兼容国际标准的组织主要是国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）下属的国际无线电干扰特别委员会（International Special Committee on Ra_- dio Interference，CISPR）和第77技术委员会（TC77）、国际标准化组织（International Standard Organization，ISO）。以汽车为例，CISPR下设的D分会（SCD）是关于车辆和内燃机驱动装置的无线电骚扰分委员会，主要负责制定汽车整车和零部件的无线电骚扰特性标准；ISO/TC22主要是制定汽车整车和零部件的电磁抗扰度标准，具体的标准见表10-4。

表10-4 电磁兼容国际标准

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目前，在汽车及车载电子设备EMC测试领域，电磁兼容标准主要有以下几类：汽车电磁兼容国际标准（如ISO、CISPR等）、汽车电磁兼容地区标准（如欧洲的EEC指令和ECE法规）、国家电磁兼容标准（如美国汽车工程学会（SAE）、德国电气工程师协会（VDE）等。另外，一些大的汽车厂商还制定了自己的EMC测试标准和规范，如福特等。

目前，我国的电动汽车（整车及零部件）电磁兼容测试标准大部分参照国际标准进行制定，具体的对照关系见表10-5。其中，关于电动汽车零部件EMI发射方面的标准为GB18655—2002，因此该标准中关于测试条件及测试方法的内容成为实验实施方案的主要参考。

表10-5 国内电动汽车部分电磁兼容标准

国家推荐标准GB/T 18655—2010对应于CISPR 25—2008，规定了车辆和零部件/模块EMI发射测量的一般要求（包括供电电源、测量仪器、屏蔽室等）、车载天线接收到的EMI发射测量和采用电压法、电流探头法、ALSE法、TEM小室法、带状线法对零部件和模块的测量等内容。例如，针对零部件（如车载逆变器等）的安装情况不同可以采用合适的测量布置，图10-21是对电源回线远端接地的EUT的EMI传导发射进行测量的试验布置图。

图10-21 传导发射测量方法（电源回线远端接地的EUT）

图10-21中1是供电电源（可以布置在接地平面上），2是线路阻抗匹配网络（Line Im-pedance Stabilization Network，LISN），3是EUT（如果试验计划要求则应将壳体接地），4是模拟负载（如果试验计划要求则应将金属外壳接地），5是接地平面，6是电源线，7是具有低介电常数的支撑物，8是同轴电缆（50Ω），9是测量设备，10是屏蔽室，11是50Ω负载，12是壁板连接器。

图10-21中采用了两个LISN用来稳定电路的阻抗，从而可以在同一个标准电路阻抗下测量传导骚扰的电压值。表10-6给出了采用电压法测量的准峰值或峰值限值要求的一部分内容（较低频段的骚扰电压），里面规定了5个不同等级的骚扰限值。

表10-6 传导骚扰准峰值或峰值限值（电压法）

电磁干扰包括了干扰源、传播途径和敏感设备三个要素。因此，消除或削弱电磁干扰的影响需要针对这三个要素的一个或多个采取相应的对抗措施。目前，电磁兼容性设计的主要思路是：①通过优化电路和结构的设计，将干扰源本身产生的电磁噪声强度降低到能接受的水平；②通过各种干扰抑制技术，将干扰源与被干扰电路之间的耦合减弱到可接受的程度。常见的技术如下：

（1）缓冲电路与软开关技术

采用该技术，降低IGBT等电力电子开关器件在高频开关过程中产生的较高du/dt和di/dt，从而抑制过多电磁干扰产生。同时，缓冲电路还能减少器件的开关损耗、避免器件损坏、提高电路的可靠性。

（2）屏蔽技术

屏蔽技术是通过切断辐射耦合路径来提高设备的EMC性能，它是实现电磁干扰防护的重要手段之一。其基本原理是用导电或导磁材料将内外两侧的空间进行电磁隔离（可以是薄膜、隔板、金属喷涂、金属盒等形式），从而抑制电磁辐射能量从一侧空间向另一侧空间的传输。屏蔽技术通常可分为三大类：电场屏蔽（静电场屏蔽和低频交变电场屏蔽）、磁场屏蔽（直流磁场屏蔽和低频交流磁场屏蔽）、电磁场屏蔽（高频电磁场的屏蔽）。

（3）接地技术

地线干扰包括地环路干扰和公共地阻抗干扰。以印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）为例，可以使用下述方案消除地环路中的干扰电流：

1）减小地线长度或增加地线宽度。在电路板空间允许的情况下尽量加粗地线和使用地线网格。

2）使用光电隔离。

3）使用共模扼流圈。在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗，这样在一定的地线电压作用下，地环路电流会减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容，否则对高频干扰的隔离效果会很差。

消除公共地阻抗干扰主要有以下两种解决方案：

1）减小公共地线部分的阻抗。

2）通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电电路和弱电电路共用地线、数字电路和模拟电路共用地线。实际中通常将电路按照强电信号、弱电信号、模拟信号、数字信号等进行分类，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10-22所示。

（4）滤波技术

滤波技术是在信号的传输线路或处理过程中采取合适的滤波器，以削弱（反射或吸收）无用或有害成分。滤波技术对直接削弱传导干扰是非常有效的。与信号处理中的信号滤波器相比，EMI滤波器有一些不同的特点：

图10-22 串并联混合单点接地

1）滤波器中的L、C元件，通常需要处理和承受相当大的无功电流和无功电压，所以它们必须具有足够大的无功功率容量。

2）信号处理中用的滤波器，通常是按阻抗完全匹配状态设计的，所以可以得到预想的滤波特性。但在EMI滤波器设计中很难做到这点，因此必须认真考虑滤波器的失配特性，以保证它们在0.15～30MHz范围内都能获得足够好的滤波特性。

3）EMC滤波器主要用来抑制因瞬态噪声或高频噪声造成的EMI。所以EMI滤波器中的L、C元件寄生参数的要求非常苛刻。EMI滤波器的制作与安装都需要经过精心的设计。

4）EMI滤波器是对抗电磁干扰的重要元件，但必须正确的使用，否则，可能会产生新的噪声。若滤波器与端阻抗严重失配则可能产生“振铃”；如使用不当，还可能使滤波器对某一频率产生谐振；若滤波器本身缺乏良好的屏蔽或接地不当，还可能给电路引入新的EMI噪声。

（5）电源线干扰及其对策

电源是控制系统可靠工作的重要保证，因此电源系统的设计应充分考虑到它的电磁兼容性。电源模块选型时要考虑其性能指标是否满足需求，在电路板布线时也应充分考虑其电磁兼容性。在电路板上设置电源线网格可以减小电源线的电感，但会占用宝贵的布线空间，因此通常会更多采用并联储能电容、旁路电容、去耦电容的方法。