【正文】 ＥＭＣ電磁屏蔽材料設(shè)計者 指南 —— 連載（一） １、ＥＭＣ設(shè)計的緊迫性 本章講解ＥＭＣ設(shè)計的緊迫性，為本書重點介紹實際技術(shù)提供背景。首先簡單介紹ＥＭＣ符合性測試的要求，然后介紹相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。最后復(fù)習(xí)一下電磁屏蔽的理論，以為讀者提供足夠的知識來選擇適當(dāng)?shù)钠帘渭夹g(shù)。 什么是電磁兼容性？ 電磁兼容是一臺設(shè)備在所處的環(huán)境中能滿意地工作的能力，它既不對其它設(shè)備造成干擾，也不受其它干擾源的影響。干擾的定義是能引起誤動作或性能下降的電磁能量，今后我們稱為ＥＭＩ。 任何一個電磁能量會產(chǎn)生擴散的球面波，這種波在所有方向上傳播。 在任何一點，這種波包含相互垂直的電場分量和磁場分量，這兩種分量都垂直于波的傳播方向。這種情況如圖１－１所示。雖然如圖１－２所示的頻譜中的任何頻率的都能引起干擾，但主要問題是由１０ＫＨ z～１ＧＨ z 范圍內(nèi)的射頻能量引起的。射頻干擾（ＲＦＩ）是電磁干擾的一種特殊形式，光、熱和Ｘ射線是電磁能量的其它特殊形式。 圖 11 電磁場 圖 12 電磁譜 電磁干擾需要兩個基本條件：電磁能量源和對這個源產(chǎn)生的特定幅度、頻率的能量敏感的器件，稱為敏感器。表１－１給出了一些常見的源和敏感器。另外，在源和敏感器之間還需要傳播路徑來傳輸能量。電磁干擾屏蔽通常改變電磁能量傳播路徑來達到的。 表 電磁干擾源和敏感器 電磁干擾源 電磁干擾敏感器 電視和廣播 航空導(dǎo)航系統(tǒng) 等幅 波發(fā)射機 微處理器 電氣馬達 高保真設(shè)備 遙控單元 計算機 電焊裝置 等幅波接收機 電氣設(shè)備 心臟起搏器 發(fā)動機點火系統(tǒng) 電子測量設(shè)備 雷達發(fā)射機 廣播和電視接收機 電動工具 電子車庫門 電磁干擾分為兩類：輻射干擾和傳導(dǎo)干擾，這是由傳播路徑的類型來定的。 當(dāng)一個器件發(fā)射的能量，通常是射頻能量，通過空間到達敏感器時，稱為輻射干擾。干擾源既可以是受干擾系統(tǒng)中的一部分，也可以是完全電氣隔離的單元。傳導(dǎo)干擾的產(chǎn)生是因為源與敏感器之間有電磁線或信號電纜連接，干擾沿著電纜從一個單元傳到另一個 單元。傳導(dǎo)干擾經(jīng)常會影響設(shè)備的電源，這可以通過濾波器來控制。輻射干擾能影響設(shè)備中的任何信號路徑，其屏蔽有較大難度。 輻射電磁能量成為電磁干擾的機理可以由法拉第定律來解釋。這個定律表明當(dāng)一個變化的電場作用于一個導(dǎo)體時，在這個導(dǎo)體上會感應(yīng)出電流。這個電流與工作電流無關(guān)，但是電路會象與工作電流一樣來接收這個電流并發(fā)生響應(yīng)。換句話說，隨機的射頻信號能夠向計算機發(fā)出指令，使程序發(fā)生變化。 技術(shù)驅(qū)動力 有許多因素使ＥＭＣ成為電子設(shè)備設(shè)計中重要的內(nèi)容。 首先，日益增多的電子設(shè)備帶來了許多電磁干擾源和敏感器，這 增加了潛在的干擾。 設(shè)備的小型化使源與敏感器靠得很近。這使傳播路徑縮短，增加了干擾的機會。器件的小型化增加了它們對干擾的敏感度。由于設(shè)備越來越小并且便于攜帶，象汽車電話、膝上計算機等設(shè)備隨處可用，而不一定局限于辦公室那樣的受控環(huán)境。這也帶來了兼容性問題。例如，許多汽車裝有包括防抱死控制系統(tǒng)在內(nèi)的大量的電子電路，如果汽車電話與這個控制系統(tǒng)不兼容，則會引起誤動作。 互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展降低了電磁干擾的閾值。例如，大規(guī)模集成電路芯片較低的供電電壓降低了內(nèi)部噪聲門限，而它們精細的幾何尺寸的較低的電平下就受到電弧損 壞。它們更快的同步操作產(chǎn)生更尖的電流脈沖，這會帶來從Ｉ／Ｏ端口產(chǎn)生寬帶發(fā)射的問題。一般來說，高速數(shù)字電路比統(tǒng)的模擬電路產(chǎn)生更多的干擾。 傳統(tǒng)上，電子線路裝在金屬盒內(nèi)，這種金屬盒能夠通過切斷電磁能量的傳插路徑來提供屏蔽作用?，F(xiàn)在，為了減輕重量、降低成本，越來越多地采用塑料機箱。塑料機箱對與電磁干擾是透明的，因此敏感器件處于無保護的狀態(tài)。 法律的變化也是驅(qū)動力支一。控制電磁發(fā)射和敏感度的強制標(biāo)準(zhǔn)的實施，迫使制造商們實施ＥＭＣ計劃。產(chǎn)品可靠性的法規(guī)將使可靠性成為頭等重要的事項，因為一旦設(shè)備由于干擾而產(chǎn)生誤 動作造成傷害，制造商要承擔(dān)法律責(zé)任。這對于醫(yī)療設(shè)備特別重要。 在競爭日益激烈的工業(yè)中，可靠性已經(jīng)成為電子設(shè)備的一個重要市場特征。自動化設(shè)備，特別是醫(yī)療設(shè)備，必須連續(xù)工作，這時設(shè)備內(nèi)的ＥＭＩ屏蔽技術(shù)提高了設(shè)備的可靠性。 對于數(shù)據(jù)保密的要求是屏蔽市場發(fā)展的一個重要動力。已有報道揭露美國駐莫斯科使追究中的信息已被前蘇聯(lián)竊取到，這是通過接收使館內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的電磁能量來實現(xiàn)的。同樣的技術(shù)也被用來截獲密碼，然后攻擊銀行計算機系統(tǒng)。通過屏蔽，設(shè)備的電磁發(fā)射能夠減小，提高系統(tǒng)的安全性。 現(xiàn)在，人們越來越開始注意各 種輻射對健康的影響。過量的Ｘ射線和紫外線照射的危險已經(jīng)被充分證明了。現(xiàn)在討論的焦點是微波和射頻顯示單元產(chǎn)生的輻射對婦女健康的傷害，因為已經(jīng)有充分的證據(jù)說明在高壓線附近生活會患疾病。 法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn) 對于設(shè)備工程師，了解不同市場中對電子設(shè)備的ＥＭＣ法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的知識是十分必要的。 現(xiàn)在有許多關(guān)于產(chǎn)品輻射和傳導(dǎo)發(fā)射限制的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。有些還規(guī)定了對各種干擾的最低敏感度要求。通常，對于不同類型的電子設(shè)備有不同的標(biāo)準(zhǔn)。表１ .２給出了一些電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。雖然一個產(chǎn)品要獲得市場的成功，滿足這些標(biāo)準(zhǔn)是必要的，但符 合這些標(biāo)準(zhǔn)是自愿的。 但是，有些國家給出的是規(guī)范，而不是標(biāo)準(zhǔn)，因此要在這些國家銷售產(chǎn)品，符合標(biāo)準(zhǔn)是強制性的。有些規(guī)范不僅規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)，還賦予當(dāng)局罰沒不符合產(chǎn)品的權(quán)力。下面幾節(jié)簡單概述一下一些主要的管理機構(gòu)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。 表 與電磁干擾和兼容相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)題 國際標(biāo)準(zhǔn) 歐洲標(biāo)準(zhǔn) 英國標(biāo)準(zhǔn) 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療射頻設(shè)備射頻干擾特性的測量方法和極限值 CISPR11 EN55011 BS4809 汽車、機動船和火花塞點火發(fā)動機驅(qū)動設(shè)備的射頻干擾特性測量方法和極限值 CISPR12 EN55012 S833 聲音和電視接收機的射頻干擾特性的測量方法和極限值 CISPR13 EN55013 BS905 第一部分 家用電器和便攜式工具射頻干擾特性測量方法和極限值 CISPR14 EN55014 BS800 熒光燈和照明設(shè)備的射頻干擾性測量方法和極限值 CISPR15 EN55015 BS5394 射頻干擾測量裝置和測量方法的規(guī)范 CISPR16 EN55016 BS727 聲音和電視廣播接收機敏感度的測量 CISPR20 EN55020 BS905 第二部分 信息技術(shù)設(shè)備的射頻干擾特性測量方 CISPR22 EN55022 BS6527 法和 極限值 家用電器和類似電氣設(shè)備引起的電源干擾 IEC555 第 13 部分 EN60555 BS5406 工業(yè)過程測量惡化控制設(shè)備的電磁兼容性 IEC801 第 13 部分 HD481 BS6667 第 13 部分 國際 ＣＩＳＰＲ是國際電工委員會（ＩＥＣ）的一個分委會，它成立于１９３４年，那時射頻干擾問題開始出現(xiàn)。這是編制防止無線電干擾標(biāo)準(zhǔn)的第一個國際化聯(lián)合組織。ＣＩＳＰＲ沒有編制法律或發(fā)布法規(guī)的機構(gòu)。它所推薦的標(biāo)準(zhǔn)，只有當(dāng)個別成員國采取適當(dāng)?shù)男袆訒r，才能成為法律。ＣＩＳＰＲ２２中推薦的針對信息技術(shù)設(shè)備的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射要求構(gòu)成了許多主要國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。不幸的是，有些國家在將這些推薦標(biāo)準(zhǔn)作為國家標(biāo)準(zhǔn)時，進行了調(diào)整，這造成了不同國家的要求之間的差異。 美國 聯(lián)邦通信委員會（ＦＣＣ）是負責(zé)頻率管理和干擾控制的政府機構(gòu)。ＦＣＣ有覆蓋多種設(shè)備發(fā)射限制的規(guī)范。ＦＣＣ綱要第２０７８０號，第１５部分，第Ｊ分部適用于所有的數(shù)字設(shè)備。 這些ＦＣＣ規(guī)范給出了兩個不同的發(fā)射極限值。哪一個極限值適用取決于設(shè)備在什么環(huán)境中使用。Ａ級設(shè)備被設(shè)計成在商業(yè)或工業(yè)環(huán)境中使用。更嚴(yán)格 一引進的Ｂ級適用于在家庭或居民工內(nèi)使用的設(shè)備。ＦＣＣ沒有規(guī)定屏蔽效能值，而規(guī)定了射頻發(fā)射值。表１ .３給出了Ａ級和Ｂ級和輻射發(fā)射極限值，表１ .４給出了傳導(dǎo)發(fā)射極限值。 所有在美國國內(nèi)使用的設(shè)備必須滿足ＦＣＣ規(guī)范。雖然ＦＣＣ的大部分強制性要求在第１５部分，第１８部分也與ＥＭＣ有關(guān)。第１８部分也與ＥＭＣ有關(guān)，第１８部分中有關(guān)于用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療目的的射頻發(fā)生設(shè)備的管理條例。它規(guī)定了在一些頻率點上允許的最大幅射值和１０ＫＨ z 至２４５ＧＨ z 頻段內(nèi)這類設(shè)備可以使用的頻段。 表 FCC 輻射干擾極限值 表 FCC 傳導(dǎo)發(fā)射干擾極限值 頻率范圍， MHz 場強（ μV/m） A 級 30m B 級 3m 3088 30 100 88216 50 150 頻率范圍， MHz 射頻電壓（ μV） A 級 B 級 1000 250 3000 250 2161000 70 200 德國 德國的關(guān)于干擾控制的法規(guī)是基于ＶＤＥ制定的標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)ＶＤＥ０８７１覆蓋了所的產(chǎn)生或處理射頻能量的設(shè)備。這些極限值不僅適用于所有種類的計算和數(shù)字設(shè)備，還適用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 設(shè)備。唯一的限制是設(shè)備產(chǎn)生的基頻高于１０ＫＨ z。 對于數(shù)字設(shè)備的要求與ＦＣＣ規(guī)定的相似，但是頻率范圍更寬，低頻拓寬到１０ＫＨ z。極限值也分為Ａ級和Ｂ級，更嚴(yán)格的Ｂ級適用于通用的用途。Ａ級限于需要特殊安裝的設(shè)備。ＶＤＥ關(guān)于輻射和傳導(dǎo)的極限值在表１ .５和表１ .6 中給出。 符合ＶＤＥ０８７１是強制性的，并由德國郵電部執(zhí)行。 表１ .５ＶＤＥ輻射干擾極限值 表１ .6ＶＤＥ傳導(dǎo)發(fā)射干擾極限值 頻率范圍， MHz 場強（ μV/m ） A級 100m B 級 30m 34 34 30 米 10 米 34 34 30 米 10 米 3041 54 34 4168 34 68174 54 34 174230 34 230470 54 34 470760 45 46 7601000 5957 46 頻率范圍， MHz 射頻電壓（ μV ） A 級 B 級 66 54 60 48 英國 從表１ .2 中可以看出，英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會發(fā)布了好幾個關(guān) 于ＥＭＩ的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用最多的是ＢＳ６５２７關(guān)于數(shù)據(jù)處理和電子辦公設(shè)備產(chǎn)生的亂真信號的極限值和測量方法。這個標(biāo)準(zhǔn)的范圍和內(nèi)容與ＣＩＳＰＲ２２相同，盡管它們的標(biāo)題不同。覆蓋于０ .１５～３０ＭＨ z 頻率范圍的Ａ級要求適用于商業(yè)和工業(yè)場合的應(yīng)用，更嚴(yán)格的Ｂ級極限值適用于住宅區(qū)中使用的設(shè)備。兩級都包含準(zhǔn)峰值和平均測量的要求。兩級的極限值數(shù)值是相同的，嚴(yán)格度是通過將測量距離從３０米減小到１０米來實現(xiàn)的。表１ .7 給出了推薦的輻射場強極限值。表１ .8給出傳導(dǎo)發(fā)射的電壓極限值。 表１ .７ ６２５７輻射干擾極限值 表１ .８ ＢＳ ６２５７傳導(dǎo)發(fā)射干擾極限值 頻率范圍， MHz 場強（ μV/m） A 級 30m B 級 10m 30230 30 30 2301000 37 37 頻率范圍，MHz 射頻電壓（ μV） A 級 B 級 準(zhǔn)峰值 平均值 準(zhǔn)峰值 平均值 79 66 66 減到56 56 減到46 73 60 56 46 530 73 60 60 50 歐洲經(jīng)濟共同體 為了在歐共體內(nèi)實現(xiàn)單一的ＥＭＣ標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)１９９２實行的單一歐洲市場，歐洲委員會推行了歐共指令８ ９／３３６／ＥＥＣ，它要求成員對所有的電子裝置的電磁兼容性法規(guī)化。法規(guī)必須包含干擾和敏感度兩個方面。這個指令中定義的 “ 裝置 ” 包括所有電氣、電子應(yīng)用設(shè)備以及配套的電氣、電子器件。例外情況是出現(xiàn)在其它包含ＥＭＣ要求的指令中的裝置。目前，這種例外包括機動車點火系統(tǒng)和某些電度表。另外，不是用于商業(yè)目的的業(yè)余無線電裝置也屬于例外。這個法規(guī)不僅適用于設(shè)備的新設(shè)計，也適用于指令實施后繼續(xù)生產(chǎn)的已有設(shè)計。 歐洲委員會已經(jīng)責(zé)成ＣＥＮＥＬＥＣ，電工標(biāo)準(zhǔn)化歐洲組織，制定歐洲標(biāo)準(zhǔn)（ＥＮ）。成員國必須將這些標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)等同使用 ，任何矛盾的標(biāo)準(zhǔn)必須撤除。ＣＥＮＥＬＥＣ ＥＮ可以在ＩＥＣ或ＣＩＳＰＲ標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用，但不一定要與它們等同。 制造商有兩種方法來證明符合這個指令，即 “ 自認證 ” 和使用 “ 技術(shù)構(gòu)造文件 ” 。 使用自認證方法時，制造商通過自己測試或按照適當(dāng)?shù)模牛芜M行測試，來認證產(chǎn)品是否符合。在這種方法中