EMC教程系列之EMC简介

一架客机在半空中爆炸，机上230人全部遇难。医院的注射泵会在不触发任何警报的情况下自动停止输送保命****物。当汽轮机控制阀自动关闭时，核电站进入警戒状态。这些实际事件中的每一个都是电磁兼容性问题的征兆。

电磁兼容性（EMC）被广泛地定义为一个系统中的所有设备都能够在其预期的电磁环境中正常工作的状态。1996年， 环球航空800航班从纽约飞往巴黎的飞机起飞后不久在海上爆炸。经过长时间的调查，包括打捞和重建飞机的主要部分，得出的结论是，爆炸最可能的原因是中央翼油箱中的火花点燃了空气/燃料混合物。这种火花很可能是大电压瞬变的直接结果，可能是电源线瞬变或静电放电。

2007年，阿姆斯特丹大学研究人员进行的一项研究结果记录了近50起医院使用手机产生的电磁干扰事件，并将其中75%归为重大或危险事件。另一项研究来自阿姆斯特丹的研究人员于2008年发表的报告显示，来自RFID设备的电磁干扰也有可能导致重症监护医疗设备发生故障。

尼亚加拉莫霍克九里角2号核电站的阀门自发关闭是由于工人的无线手机产生的干扰造成的。尽管所有核电站的设计和建造都非常重视安全和安保，但普通无线手机的相对微弱排放导致了一次重大故障。

不幸的是，这些并非罕见的孤立事件。电磁兼容性问题每年都会导致许多人死亡和数十亿美元的收入损失。在过去的十年里，电磁兼容问题的数量和严重程度都呈爆炸性增长，这主要是由于微处理器控制的设备、高频电路和低功率****机的激增。

电磁兼容问题有三个基本要素，如图1所示。必须有一个电磁能量源，一个因电磁能量而不能正常工作的接收器（或受害者），以及它们之间的一条将能量从源耦合到接收器的路径。这三个要素中的每一个都必须存在，尽管它们可能不是在每一种情况下都很容易确定。电磁兼容问题通常通过识别其中至少两个元素并消除（或衰减）其中一个来解决。

图1.EMC问题的三个基本要素。

例如，在核电站的案例中，受体很容易被识别出来。汽轮机控制阀出现故障。源和耦合路径最初是未知的；然而，一项调查显示，工厂员工使用的无线手机是源头。虽然此时耦合路径未知，但通过消除源（例如限制在某些区域使用低功率无线电****机）解决了该问题。一个更彻底、也许更安全的方法是识别耦合路径并采取措施消除它。例如，假设确定无线手机的辐射****在连接到印刷电路卡（包含控制涡轮阀的电路）的电缆上感应电流。如果发现电路的运行受到这些感应电流的不利影响，则可以确定可能的耦合路径。屏蔽、过滤或重新布线电缆，以及过滤或重新设计电路，将是将耦合路径衰减到不存在问题的点的可能方法。

当罗斯福岛的一辆电车在线路尽头突然加速，撞上了一个混凝土护栏，这个问题被认为是电车动力的瞬变。耦合路径可能是通过供电到速度控制电路的，尽管研究人员无法重现故障，因此源和耦合路径从未被最终确定。另一方面，接收器被清楚地显示为速度控制电路，并且对该电路进行了修改，以防止其被无意的随机输入所混淆。换言之，解决方案是通过使速度控制电路不受电源产生的电磁现象的影响来消除接收器。

电磁兼容性问题的潜在来源包括无线电****机、电源线、电子电路、闪电、调光器、电动机、电弧焊机、太阳耀斑以及任何利用或产生电磁能量的东西。潜在的接收器包括无线电接收器、电子电路、电器、人，以及几乎任何利用或能探测到电磁能量的东西。

将电磁能量从源耦合到接收器的方法分为四类。

1. 传导（电流）

2. 感应耦合（磁场）

3. 电容耦合（电场）

4. 辐射（电磁场）

耦合路径通常使用这些方法的复杂组合，使得即使在已知源和受体的情况下也难以识别路径。可能存在多个耦合路径，并且为衰减一个路径而采取的步骤可以增强另一个路径。

19世纪80年代末，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）进行了实验，证实了20年前詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）发表的理论。赫兹在另一端与金属板相连的两个金属棒之间的一个小间隙中产生了火花，如图2所示。火花激励在金属棒上产生振荡电流，导致电磁辐射接近天线的谐振频率。接收天线是一个有很细间隙的线圈。间隙中的火花表明存在时变磁场，最大火花间隙长度提供了接收磁场强度的测量值。

古列尔莫·马可尼了解到赫兹的实验并加以改进。1895年，他发明了无线电报，这是第一个用无线电波传送信息的通讯设备。虽然他的发明最初没有被意识到其重要性，但由于这种装置有可能加强与海上船只的通信，美国海军对此产生了兴趣。

1899年，海军首次在船上测试无线电报。虽然测试在许多方面都取得了成功，但海军无法同时操作两个****机。造成这个问题的原因是早期无线电报的工作频率和带宽主要取决于天线的尺寸、形状和结构。接收天线总是“调谐”（实验）到与****天线相同的工作频率，但是带宽很难控制。因此，当两个****机同时工作时，接收机在一定程度上检测到来自两个****机的场，并且接收到的信号通常是无法理解的。这个早期的电磁兼容性问题被称为射频干扰（RFI）。随着无线电报的普及，人们对RFI的关注也随之增加。

1904年，西奥多·罗斯福签署了一项行政命令，授权商务部监管所有私人电台，海军监管所有政府电台（以及战时所有电台）。不同类型的无线电****机被分配了不同的频率分配，通常只允许在特定时间运行，以降低射频干扰的可能性。

到1906年，各种火花熄灭方案和调谐电路被用来显著减少无线****机和接收机的带宽。然而，正是1912年真空管振荡器和1918年超外差接收器的发明使真正的窄带传输和接收成为可能。这些发展也使人们能够传输相当清晰的人类语言，这为商业无线电广播铺平了道路。

从1925年到1950年这段时间被称为广播的黄金时代。在这期间，收音机的普及率猛增。随着无线电数量的激增，电磁兼容性问题也随之增加。RFI是一个普遍的问题，因为关于有意或无意干扰商业无线电广播的规定不严格，而且更多的人可以使用无线电设备。为了缓解这一问题，联邦通信委员会（FCC）成立于1934年，是美国政府的一个独立机构。它被授权通过无线电、电线和电缆来管理美国州际和国外的通讯。FCC法规和许可证要求大大减少了射频干扰问题的数量。

然而，由于越来越多的新的无线电接收器出现在公众家中，EMC的问题也随之出现。无意的电磁辐射源，如雷暴、汽油机和电器，通常比有意的无线电****产生更大的干扰问题。

系统内干扰也日益引起关注。超外差接收机包含自己的本振，必须与无线电自身电路的其他部分隔离。收音机和留声机被集中在家庭娱乐系统中。收音机安装在汽车、电梯、拖拉机和飞机上。这些系统的开发者和制造商发现有必要开发更好的接地、屏蔽和滤波技术，以使他们的产品发挥作用。

在20世纪40年代，许多新型的无线电****机和接收机被开发用于第二次世界大战期间。无线电信号不仅用于通信，还用于定位舰船和飞机（雷达）和干扰敌方无线电通信。由于迫在眉睫的需要，这种设备被匆忙地安装在船上和飞机上，导致了严重的电磁兼容问题。

战争期间电磁兼容性问题的经验促使制定了第一个陆军-海军RFI联合标准，即1945年1月1日发布的“无线电干扰测量”。更多的注意力集中在RFI问题上，特别是接地、屏蔽和滤波技术。电磁兼容性以类似于天线设计或通信理论的方式成为一门工程专业。

1954年，第一届射频干扰装甲研究基金会召开。这次年会由政府和工业界共同赞助。三年后，无线电频率干扰专业组成立，成为无线电工程师学会几个专业组中最新成立的一个。今天，这个组织被称为电气和电子工程师协会（IEEE）的电磁兼容性协会。

60年代，电子设备越来越成为国防和社会的重要组成部分。例如，一艘典型的航空母舰使用了35个无线电****、56个无线电接收器、5个雷达、7个导航辅助系统和100多个天线[1]。在越战期间，海军舰艇经常被迫关闭关键系统，以便让其他系统发挥作用。这种令人震惊的情况使人们更加关注电磁兼容性问题。在军队之外，对计算机、卫星、电话、无线电和电视的依赖性日益增加，这使得对电磁现象的潜在敏感性成为一个非常严重的问题。

20世纪70年代见证了微处理器的发展和小型、低成本、低功耗半导体器件的发展。使用这些器件的电路比旧的真空管电路对弱电磁场更敏感。因此，更多的注意力集中在解决与这些电路相关的越来越多的电磁敏感性问题上。

除了传统的辐射电磁敏感性（RES）问题由于有意和无意的射频****机，三类电磁敏感性问题在70年代得到了突出。其中最常见的可能是静电放电（ESD）。当两个电位相差很大的物体聚在一起时，就会产生静电放电。在干燥的日子里，当一个人走过地毯后伸手去拿门把手时，这种“震惊”就是一个常见的例子。然而，即使是太弱而感觉不到的放电，也能破坏半导体器件。

另一个在70年代声名狼藉的电磁敏感问题被称为电磁脉冲或电磁脉冲。军方意识到，在高空引爆核弹头会在非常广阔的区域内产生极强的电磁脉冲。这种脉冲很容易损坏或使关键的电子系统失效。为了解决这一问题，政府开始大力发展屏蔽和电涌保护技术，在这种非常恶劣的环境中保护关键系统。

第三个电磁敏感性问题，电力线瞬态磁化率（PLT）的出现，也是半导体器件使用量增加的直接后果。真空管电路通常需要巨大的电源，以便将电子设备与电源线上的噪声隔离开来。另一方面，高速、低功率半导体器件对瞬态更为敏感，其功率要求一般，因此通常需要使用相对较小的低成本电源，而这些电源与电源线之间没有太大的隔离。此外，这些设备的低成本意味着更多的设备安装在家庭和办公室，那里的配电通常没有很好的调节，而且噪音也相对较大。

20世纪70年代对电磁敏感性的强调体现在这十年中出现的有关磁化率的任务组、测试程序和产品标准的数量。70年代后期成立的一个组织叫做EOS/ESD协会（EOS是电过应力的缩写）专门处理上述敏感问题。

另一个发生在60年代和70年代的变化是一个术语RFI逐渐被更一般的术语EMI或电磁干扰所取代。由于并非所有的干扰问题都发生在无线电频率上，这被认为是一个更具描述性的术语。根据耦合路径，EMI通常分为辐射EMI或传导EMI。

20世纪80年代的两次事件对电磁兼容领域产生了广泛的重大影响。

• 低价个人电脑和工作站的引进和扩散。

• 对FCC规则和法规第15部分的修订，对计算设备.

低价电脑的泛滥有两个原因。首先，向大量消费者和制造商介绍了一种产品，该产品既是电磁兼容问题的重要来源，又是电磁兼容问题的接受者。第二，低成本、高速度计算的出现促进了各种数值分析技术的发展，这些技术对工程师分析和解决电磁兼容问题的能力产生了巨大的影响。

1980年至1982年期间，联邦通信委员会（FCC）对计算机设备产生的电磁干扰（EMI）进行了分阶段修订。这些法规要求所有工作频率为9 kHz或更高的电子设备，并采用“数字技术”来满足严格的限值，以调节设备辐射或连接到电源线的电磁辐射。实际上，在美国销售或广告销售的所有计算机和计算机外围设备都必须满足这些要求。许多其他国家也制定了类似的要求。

在20世纪90年代，欧盟采用了远远超出FCC要求的EMC法规。欧洲法规限制了不受FCC要求限制的家用电器、医疗设备和各种电子设备的无意排放。此外，欧盟还制定了这些设备的电磁抗扰度要求，并规定了测试电子系统对辐射电磁场、传导功率和信号线噪声以及静电放电敏感性的程序。

这些法规的影响是巨大的。在计算机市场呈指数级增长的时候，许多最新、最先进的设计因为无法满足政府对EMC的要求而受到阻碍。公司组建了EMC部门，并为EMC工程师做广告。整个行业开始向计算机公司提供屏蔽材料、铁氧体和过滤器。EMC短期课程、测试实验室、杂志和顾问开始出现在世界各地。国际社会对EMC的关注鼓励了更多的研究，在开发更全面的测试程序和有意义的标准方面取得了重大进展。

在过去的20年中，有几个技术趋势对EMC的相关性和可用的工具产生了深远的影响。出现了物联网已经导致需要在日益复杂的电磁环境中可靠工作的电子系统数量呈指数级增长。自动驾驶汽车的引入和社会对计算机的依赖程度越来越高，以确保公共安全，这使得人们更加重视电子系统的可靠性。在指定有意义的EMC要求和设计能保证满足这些要求的产品时，出错的余地就更小了。

幸运的是，过去20年也取得了重大突破，帮助工程师预测和纠正潜在的EMC问题。在日益复杂的电磁建模工具的帮助下，研究人员对电磁兼容问题的耦合机制有了更深入的了解。已经开发出能够预测最坏情况的模型，并帮助开发保证满足其EMC要求的产品。在减少或消除不必要的电磁耦合的组件和材料方面，也取得了显著的技术进步。实例包括采用纳米结构的新型轻质低成本屏蔽材料、更薄更有效的吸收材料、更小的无源滤波器组件、更有效的瞬态抑制组件以及能够减少****和提高电磁抗扰度的更复杂的数字设备。

今天，过去20年的趋势仍在继续。计算设备变得越来越密集、更快、更复杂、更普及，这给EMC工程师带来了新的挑战。与此同时，电磁分析技术的进步和现有的设计方案正在彻底改变用于确保符合EMC要求的方法。

与电磁兼容性有关的政府和行业法规和测试程序继续被引入和定期更新。然而，技术革新的快速发展基本上保证了仅靠规章制度永远不足以保证电子系统的安全性和兼容性。这使得在设计的早期就解决电磁兼容性问题比以往任何时候都重要，而不是在产品无法满足给定要求后“修复”。