3.2 电磁兼容基础

3.2.1 电磁兼容概念与常用术语

GB/T 4365—2003《电工术语 电磁兼容》中给出的电磁兼容的定义为：“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骚扰的能力”。因此在进行电子设备或系统电磁兼容设计时，一方面应使它具有规定的抗电磁干扰能力，另一方面应使它不产生超过限值的电磁干扰。

在GB/T 29259—2012《道路车辆 电磁兼容术语》中，车辆电磁兼容性（Vehicle Electromagnetic Compatibility）定义为：“车辆、电气电子系统/部件在车辆电磁环境中能正常工作且不影响其他车辆、系统/部件正常工作的能力”。也就是说，汽车电磁兼容问题就是研究在汽车及其周围的空间中，在一定的运行时间内，在某特定的电磁环境和许用的频谱资源条件下，汽车本身及其周围的各类用电设备（广义的还包括生物体）可以共存，不致引起其功能发生降级。

与传统燃油汽车相比，电动汽车最大的不同点在于具有集成了大功率的电力电子器件的电气动力系统，因此，研究电动汽车的电磁兼容性，既要考量与传统燃油汽车具有的共性，又要重点分析其动力系统带来的特殊性。

为了更好地理解电磁兼容理论，列出以下常用术语：

1. 电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）

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骚扰的能力。

2. 电磁环境（Electromagnetic Environment）

存在于给定场所的所有电磁现象的总和。

3. 车辆电磁兼容性（Vehicle Electromagnetic Compatibility，EMC）

车辆、电气电子系统/部件在车辆电磁环境中能正常工作且不影响其他车辆、系统/部件正常工作的能力。

4. 车辆电磁环境（Vehicle Electromagnetic Environment）

存在于车辆内外所有电磁现象的总和。

5. 电磁骚扰（Electromagnetic Disturbance）

任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对生物或非生物产生不良影响的电磁现象。

6. 电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）

电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。

7. 电磁发射（Electromagnetic Emission）

从源向外发出电磁能的现象。

8. 电磁辐射（Electromagnetic Radiation）

能量以电磁波形式由源发射到空间的现象或/和能量以电磁波形式在空间传播。

9. 电磁敏感度（Electromagnetic Susceptibility，EMS）

在有电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。

10.（对骚扰的）抗扰度[Immunity（to Disturbance）]

装置、设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力。

11. 传导骚扰（Conducted Disturbance）

通过一个或多个导体传递能量的电磁骚扰。

12. 辐射骚扰（Radiated Disturbance）

以电磁波的形式通过空间传递能量的电磁骚扰。

13.（电磁骚扰的）发射体[Emitter（of Electromagnetic Disturbance）]

产生的电压、电流或电磁场相当于电磁骚扰的那些装置、设备或系统。

14. 敏感装置（Susceptible Device）

受电磁骚扰的影响，性能可能降低的装置、设备或系统。

15. 耦合路径（Coupling Path）

部分或全部电磁能量从规定源传输到另一电路或装置所经由的路径。

16. 共模电流（Common Mode Current）

在一根缆芯上的电缆中（若有，也包括屏蔽电缆），各缆芯中的电流相量和的幅值。

17. 差模电流（Differential Mode Current）

双芯电缆或多芯电缆中的某两根缆芯中的电流相量差的幅值的一半。

18.（性能）降低[Degradation（of Performance）]

装置、设备或系统的工作性能与正常性能的非期望偏离。

19. 静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）

具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引发的电荷转移。

3.2.2 电磁兼容理论

构成一个电磁兼容（或电磁干扰）问题，必须同时具备以下三个条件。

1）电磁干扰源：产生干扰的电路或设备。

2）电磁干扰耦合路径：能够将干扰源产生的干扰能量传递到敏感源的路径。

3）电磁敏感设备：受这种干扰影响的电路或设备。

因此，上述三个条件通常被称为电磁兼容问题的三要素。也就是说，只要将这三个要素中的一个去掉，电磁干扰问题就将不存在。电磁兼容技术就是通过研究每个要素的特点，提出消除每个要素的技术手段，以及这些技术手段在实际工程中的实现方法。在电子电气设备及系统的设计前期，应充分重视电磁兼容性设计，采用相应的技术手段和防护措施，提前规避产品可能面临的电磁兼容问题，节省大量测试验证和问题整改带来的时间和经济成本。电磁兼容设计实施阶段与产品成本的关系见图3-1。

1. 电磁干扰源

凡是对系统的正常工作产生影响的信号或者电磁波都可称为干扰源。事实上，人们一直生活在某种电磁环境中，任何地方均可能存在着电磁干扰问题。应对措施在于人们须清楚地识别并找出那些影响最大、威胁最严重的电磁干扰源，进而对它们进行相应的防范，使之不至于影响身边的电子电气设备及系统的正常运行。

为此，人们常将电磁干扰作如下的分类。按其干扰功能可分为两大类：有意干扰和无意干扰；按其来源可分为两大类：自然干扰源和人为干扰源；按其干扰频域、时域特征可分为：连续干扰和瞬态干扰；按其耦合方式可分为：传导干扰和辐射干扰。

有意干扰是当前电子战的重要手段，为使对方的通信、广播、指挥及控制系统造成错误判断、失效乃至损坏，故意在对方所使用的通信频带内发射相应的电磁干扰信号。而人们常说的电磁干扰主要是指无意电磁干扰，本书主要关注和分析的也是这种无意的电磁干扰源。

2. 电磁干扰耦合路径

干扰源将电磁噪声能量耦合到被干扰对象有两种方式：传导耦合和辐射耦合。

传导耦合是指电磁干扰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。根据其耦合特点，传导耦合可分为直接传导耦合、公共地阻抗耦合和转移阻抗耦合三种。直接传导耦合是指干扰通过导体、导线、电阻、电感、电容等实际元器件或寄生电容等耦合到被干扰电路的方式，具体可进一步细分为电路性、电容性和电感性耦合三种干扰耦合方式。

辐射耦合是指电磁噪声的能量以电磁场（波）能量的形式，通过空间辐射传播，耦合到被干扰设备。根据电磁噪声的频率、电磁干扰源与被干扰设备的距离，辐射耦合可分为近场耦合和远场耦合两种。在讨论电力电子系统的电磁兼容问题时，绝大多数是近场或感应场的耦合问题。

（1）传导耦合

1）电路性耦合。电路性耦合是最常见的传导干扰耦合方式，主要靠连接线路的电压和电流起作用。在图3-2所示的每个回路中流过的电流是该回路本身的电流与另一相耦合的电路在其中产生的电流的总和。

设图3-2中的 U ₁ 为信号源， U ₂ 为干扰源，应用回路电流法可得 U ₂ 在回路1中产生的干扰电流 I _S 为

则流过 Z ₁₂ 的电流 I ₁₂ 为

干扰电流 I _S 在被干扰电路的阻抗 Z ₁₁ 和 Z ₁₂ 产生的干扰电压 U _S11 和 U _S12 为

在给定的工作频率内，如果干扰电压或干扰电流足够大，以至超过了敏感设备的门限值，就会影响设备正常工作，产生不良后果。

2）公共地阻抗耦合。最简单的公共地阻抗耦合的例子如图3-3所示，电路2为干扰源的相关电路，电路1为被干扰的敏感电路。电路2的噪声电流将通过公共地阻抗 Z _G 耦合到电路1的输入端，从而对电路1造成干扰。

3）电容性耦合。当噪声源为高压小电流时，它对周围元器件或系统（设备）的干扰，通常表现为电容性耦合干扰。在两个存在电位差的电路系统或导线上，当系统中导线、线圈或绕组等相对其他系统存在着分布电容时，便构成了干扰传递的耦合路径。图3-4给出典型的由一对平行导线构成的电容性耦合的实际电路及等效模型。

假设图3-4a中导线1所在电路为干扰源电路，导线2为被干扰电路。导线2上有负载 Z ₂₁ 和 Z ₂₂ ， C ₁₂ 为导线1和导线2之间的单位长度的分布电容， C ₁ 和 C ₂ 分别为导线1和导线2的对地分布电容， U ₂ 为导线2上感应产生的干扰电压，电容性耦合模型等效电路如图3-4b所示。

由电容性耦合在导线2上产生的电压 U ₂ 与作为干扰源的导线1的电压 U ₁ 之间的关系为

式中， X _{C 12} 为 C ₁₂ 的容抗，且

Z ₂ 为 C ₂ 、 Z ₁₂ 、 Z ₂₂ 三者并联后的阻抗，且

式中，

当频率较低时， ， Z ₂ ≈Z _e ，同时 ，因此式（3-5）可简化为

由式（3-8）可知，干扰电压 U ₂ 与干扰源工作频率 f （ ω =2π f ）、敏感电路对地阻抗 Z _e 、耦合电容 C ₁₂ 和干扰源电压 U ₁ 成正比。频率越高，电容性耦合越强，相当于敏感电路与地之间连接了幅值为 I ≈j ωC ₁₂ U ₁ 电流源。

当频率较高时， ，于是有

式（3-9）表明，敏感电路与地之间产生的电容性耦合干扰电压与频率无关，但与导线2的对地分布电容 C ₂ 、导线1和导线2之间的分布电容 C ₁₂ 有关。因此，干扰源回路与敏感设备靠得越近，平行布线的距离越长，电容性耦合就会越严重。

4）电感性耦合。电感性耦合是一种近场耦合，也称为磁场耦合。一般来说，电感性耦合是指干扰源产生的噪声磁场与被干扰回路发生磁通交链，以互感的形式产生传导性干扰。设噪声磁场的磁通密度为 B ，穿过一个面积为 S 的闭合回路，如图3-5所示。因电磁感应现象，噪声磁场就会在该回路中产生干扰电压 U _n ，即

如果该闭合回路固定不变，噪声磁场为均匀场且随时间作正弦变化，则式（3-10）可简化为

式中， S 是闭合回路的面积； B 是按正弦变化的磁通密度的有效值； ω 是角频率； U _n 是感应电压的有效值； BS cos θ 表示耦合到被干扰闭合回路的总磁通量。

这一关系也可以用两个电路之间的互感 M 来表示，如图3-6所示，有

I ₁ 为电路1中产生噪声磁场的电流，干扰电压 U _n 在电路2中产生的电流 I ₂ 为

频率较低时， R + R ₂ >>j ωL ₂ ，式（3-13）可简化为

频率较高时， R + R ₂ <<j ωL ₂ ，式（3-13）可简化为

由式（3-14）和式（3-15）可知，磁场耦合量| I ₂ / I ₁ |随频率的升高而增加，当频率达到一定时，其耦合量基本保持不变。

（2）辐射耦合

通过辐射途径造成的骚扰耦合方式称为辐射耦合。辐射耦合是以电磁场（波）的形式将电磁能量从骚扰源经空间传输到骚扰对象的。骚扰传输路径可以是电子电气系统内较短的距离，也可以是系统间相隔较远的距离。许多耦合可看成是近场区耦合模式，而相距较远的系统间的耦合一般是远场区耦合模式。辐射耦合除了从骚扰源有意辐射之外，还有无意辐射。辐射骚扰通常存在四种主要耦合途径：天线耦合、导线感应耦合、闭合回路耦合和孔缝耦合。

1）导体的天线效应。众所周知，任一载有时变电流的导体都能向外辐射电磁能量，反过来，任何处于辐射电磁场中的导体也能感应出电压。因此，金属导体在某种程度上同时可起发射天线和接收天线的作用，比如架空配电线、信号线、控制线均能起到天线的作用，电子电气设备的金属外壳同样如此。理论上，金属导体在辐射电磁场中产生的感应电动势正比于电场强度 E 。针对中波无线电广播所发射的垂直极化波，该比例常数一般称为天线的有效高度 h _e ，则天线上的感应电压 U _r 为

由电基本振子（电流元、短线天线）和磁基本振子（磁流元、小圆环天线）产生的电磁场，在经典电磁场的基本理论中均有相应的公式来表达，但都基于一定的简化假设条件，如需满足基本振子的小尺寸（ l << λ ， a << λ ）和时变电流均匀条件。在实际工程问题中，要求一根长为 l 的导线上的电流均匀分布是不切实际的，毕竟导线的末端电流须为零（边界条件）。在这种情况下，可以将长导线分成若干小段，使每一小段中的电流近似均匀相同，长度Δ l _i << λ 。如图3-7所示，一根长为 l 的导线产生的辐射场在 P 点的场强，等于长度为Δ l _i 的若干个电基本振子在该点产生的场强的叠加（要考虑每一均匀电流段对应的角度变化），球坐标下的各场分量计算式为：

同样地，一个半径远大于波长的载流导线圆环，也可以按其面积分成若干个小圆环，使小圆环的半径 a _i << λ ，构成磁基本振子，如图3-8所示。这样，大载流导线圆环在空间 P 点产生的辐射场强就等于每一个小圆环在 P 点产生的辐射场强的叠加，即

如果场点及源点不是处于自由空间，比如当辐射源靠近金属物体时，就需要考虑金属物体表面的电磁场边界条件，还可以利用镜像原理来计算辐射场。

2）辐射耦合方式。辐射耦合包括天线与天线间的辐射耦合、电磁场对导线的感应耦合和电磁场通过孔缝的耦合。

天线与天线间的辐射耦合是一种强辐射耦合，它是指某一天线产生的电磁场在另一天线上的电磁感应。根据耦合的作用距离，可划分为近场耦合和远场耦合；根据耦合作用的目的，可划分为有意耦合和无意耦合。当电磁波传播到天线导体表面时，电磁波将在天线导体中产生感应电流，经馈线流入接收电路。天线有目的地接收特定频率的电磁辐射，属于有意耦合。在实际工程中，往往存在大量的无意电磁耦合。比如电子电气设备中较长尺寸的信号线、控制线、输入和输出引线等均具有较强的天线效应，能够接收电磁骚扰，形成无意耦合，很容易被设计工程师所忽略。

常见的电子电气设备的电缆线一般由信号回路的连接线、电源回路的供电线以及地线一起构成，其中每一根导线都由输入端阻抗、输出端阻抗和返回导线构成一个回路。因此，设备电缆线是设备内部电路暴露在机箱外面的部分，它们最容易耦合外面的骚扰辐射场而感应出骚扰电压或骚扰电流，沿导线进入设备而形成辐射骚扰。对于短导线、低电磁波频率的情况，可将导线和阻抗构成的回路视为理想的闭合回路，电磁场通过闭合回路引起的骚扰属于闭合回路耦合。对于长电缆、高电磁波频率的情况，导线上的感应电压显然不是均匀的，需将感应电压等效成多个分布电压源，采用传输线理论来处理。

此外，即便有些电子电气设备有作金属壳体屏蔽的设计，但金属箱体不可避免都留有电源线、信号线以及散热等所需的孔缝，外部电磁场还是可以通过这些孔缝耦合进金属屏蔽箱内部，对其内部的元器件和电路形成电磁骚扰。

3. 电磁敏感设备

电磁骚扰通过传导、辐射等途径传输到设备，但是否能对设备产生干扰，影响设备的正常工作，则取决于骚扰的强度和设备的抗干扰能力，即设备的电磁敏感性。只有当骚扰强度足够大、超过设备的敏感度门限时才能构成对设备的干扰。设备的敏感度门限是使设备产生不希望有的响应或造成其性能降级时的骚扰电平，敏感门限越低，说明设备的抗干扰能力越差。设备的敏感度门限通常是根据设备内部所含的最敏感电路或元件的干扰临界值来确定的，各类设备的结构不同、电路不同、元器件不同，敏感度门限也不同。为了充分保证设备安全运行在电磁兼容标准中，还规定了设备电磁干扰安全系数，其线性值定义为敏感度限值与现有最大干扰之比，用分贝表示则为

式中， K 为设备的电磁干扰安全系数； U ₀ 为设备敏感度门限； U 为设备所接收到的最大干扰。一般要求设备的电磁干扰安全系数不小于6dB，某些特殊设备如武器和电爆装置等应不小于20dB。

3.2.3 电磁兼容设计基础

不可预期的电磁辐射从日益复杂的电子产品中泄漏出来会影响其邻近敏感设备、器件的正常工作，甚至造成重大损失。此外，电磁辐射危害人类健康的问题也日益严重。电子技术的小型化、高频化、数字化、高密度化及多功能化的趋势也给电子产品的设计带来更多的不确定性和不可预见性。产品原型被设计出来之后，测试能一次通过的概率很小，甚至小批量生产出来的产品都会存在一定比例不达标的问题，这反映了在产品开发阶段，完全满足EMC设计要求具有一定的难度。

电磁兼容设计目标在于获得一个多种设备共存、互不干扰的环境，即要求其中的系统具备良好的EMI和EMS特性。在系统的开发过程中，要考虑到系统与分系统周围环境之间潜在的相互干扰。每个设计者都应意识到电磁骚扰问题，在系统的开发与设计过程中采取严格的防护措施以减小系统自身的EMI水平。有数据表明，将近80%的骚扰问题可以在设计开发过程中被解决。不符合电磁兼容设计要求的产品定型以后，工程师们将花数倍的力气去解决系统的骚扰问题；抗扰度问题亦如此。

设计者们首先需明确产品/设备相关的电磁兼容标准，标准是进行设计的基础和方向，其重要性不言而喻。根据相关国际、国家或企业标准要求，将整体指标分解到各功能模块上，细化成系统级的、设备级的、电路级的和元件级的对应指标，然后按照产品/设备需要实现的功能和相关的电磁兼容指标来进行电磁兼容设计。

下面主要从接地设计、屏蔽设计和滤波设计三个方面，扼要介绍下电磁兼容设计的基础理论。

1. 接地设计

接地设计是减小噪声的主要方法之一。正确使用接地技术能够解决很多噪声问题。本节主要介绍系统之间的接地技术。系统接地是抑制电磁干扰、保证设备电磁兼容性、提高可靠性的重要技术手段。正确的接地设计既能抑制干扰的影响，又可抑制设备向外发射干扰；反之，错误的接地设计会导致严重的干扰发生，甚至使电子设备无法正常工作。

介绍接地设计之前先讲下地的分类。“地”是一个看似不需要解释的问题，但是实际工程应用中很多工程师对“地”的概念比较模糊。只有对“地”有清晰的理解才能正确应用接地技术。一般来说，“地”有两种不同的理解：一种是真正意义上的大地；另一种是设计过程中常用到的参考地，即公共电位点。设备接大地的目的显而易见，主要是为了设备和人员的安全，而参考地的作用是在设备系统里建立一个稳定可靠的基准电位点。因此，前一种“地”又被称为安全地，后一种“地”被称为信号地。

（1）安全地

安全接地的目的是使设备与大地有一条低阻抗的电流通路，以保障人身安全和设备安全。而接地手段是否有效主要取决于接地阻抗，阻抗越小越好，一般用接地电阻的大小来衡量。接地电阻的大小与接地装置及环境条件等因素有关。

在图3-9a中， Z ₁ 是电位等于 V ₁ 的点与机架之间的分布阻抗， Z ₂ 是机架与地之间的分布阻抗，故机架的电位 V _机架 为

接地壳体可能具有相对高的电位并有产生电击的危险，还有可能产生绝缘击穿，这是因为它的电位是由分布阻抗的相对值决定的，设计人员很难对它进行控制。但如果机架是接地的，则阻抗 Z ₂ 变为0，此时机架的电位就等于0。

图3-9b显示了接地的另一种情形，装有熔丝的交流电源线进入一个机壳，这类情况则更加危险，一旦电源线缆某处的绝缘层因老化或破损而被击穿，使交流电源线与金属机架接触，机架将会具备传输与熔丝熔断电流相同电流的能力。任何与机架和地同时接触的人体或动物都相当于直接与交流电源线连接。但如果金属机架接地，绝缘击穿将使电流直接流入大地并使熔丝瞬间熔断，从而保护周围人体或动物安全。

一般用电设备在使用中会由于绝缘老化、磨损、浸水和潮湿等原因，导致带电导线或部件与机壳之间漏电，或者由于设备超负荷引起严重发热损坏绝缘造成漏电，从而造成伤害。设备的金属外壳除正常接地之外还应与电网零线相连接，即接零保护。接零保护的应用很广，如配电箱、电缆线金属外皮或穿引金属管、机房的配电柜等。采用三相四线制供电的动力设备均须同时可靠接零和接地。

此外，接地还能为雷击电流提供一条泄放路径，当设施或设备中装有浪涌抑制器时，接地是必须的，否则无法泄放浪涌能量。这时，不仅要接地，而且还要“接好地”，接地的阻抗必须很低。在许多静电敏感的场合，接地还是泄放电荷的主要手段。

（2）信号地

与其认为信号地是电路设计中的电位参考点，为系统中的所有电路提供一个电位基准，不如把信号地理解为信号流回源的低阻抗路径。这样就凸显了电流的流动，突出了信号地的功能，更易于后面的理解。设备正常工作时信号电流都需要经过地线形成回路，接地的目的之一就是使流经地线的各电路电流互不影响，或使其影响得到抑制。

首先要认识到的是理想的信号地是不存在的，任何信号地都不可能是零电位、零阻抗的物理实体。事实上，信号地的阻抗往往会产生许多让人意想不到的问题，或给有用信号带来预期不到的干扰。欧姆定律指出，电流流经一个电阻时，即在电阻上产生电压。如果用一根导体做地线，设计不当的地线的阻抗会相当大，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。在设计电路时，往往将地线作为所有电路的公共地线，因此地线上的电流成分很多，电压也很杂乱，即地线噪声电压。

合理的信号接地系统由下面几个主要因素决定：电路类型、工作频率、系统尺寸，以及其他约束条件，比如安全性等。并没有一个万能的接地系统能适用于所有的设计场景，往往需要就具体的设计需求，综合考虑上述几个主要因素来确定合适的接地系统方案。

2. 屏蔽设计

电磁屏蔽和电磁波吸收是解决干扰问题最常用的两个解决方案。屏蔽的作用就是用接地的导电/导磁性材料将干扰源与敏感设备隔离起来；一可阻止内部电磁场向外辐射；二能防止外来电磁场辐射能量的进入。其实质是，将关键电路用一个屏蔽体包围起来，使可能耦合到这个电路的电磁场通过反射和吸收被衰减。用屏蔽设计来解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作，因此不需要对电路做任何额外的修改。

对于不同的场源，其电场分量和磁场分量总是同时存在的，只是在较低的频率范围内，干扰往往发生在近场。高阻抗电场源的近场主要表现为电场分量，低阻抗磁场源的近场主要表现为磁场分量。当频率较高时，干扰趋于远场，此时其电场分量和磁场分量均不可忽略。针对上述三种情况的屏蔽设计分别称为：电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。静电屏蔽和恒定磁场的屏蔽是电场屏蔽和磁场屏蔽的特例。

（1）电场屏蔽

电场主要是通过分布电容进行耦合的。

干扰源A和敏感设备B的对地电位分别为 U _A 和 U _B ，则两者间的关系为

式中， C ₁ 为A、B之间的分布电容； C ₂ 为敏感设备B的对地电容。

从式（3-21）可以明显地看出，要减小 U _B ，就需设法减小 C ₁ 或增大 C ₂ 。增大A、B间的距离，或在A、B间插入屏蔽板都可以有效地降低 C ₁ ，而尽量使敏感设备贴近接地面也可以增大 C ₂ 。

图3-10所示为电场通过电容耦合，假设在A、B间插入屏蔽板（屏蔽板是接地的），如图3-11所示。

由图3-10和图3-11可见，插入屏蔽板后， C ₃ 经屏蔽板直接接地，对 U _B 没有影响。而B点的对地和对屏蔽板的电容 C ₂ 和 C ₄ 实际上是并联的。此时，B点的感应电压 是A点电压被A、B之间的剩余电容 与并联电容 C ₂ 和 C ₄ 的分压，即

因为A、B间电场路径变长，所以 远小于 C ₁ ，而 C ₂ 和 C ₄ 远大于原来的 C ₂ ，因此 相较未屏蔽前小多了。

通过这样简单的分析，可以得出电场屏蔽的几点注意事项：

1）屏蔽板要靠近敏感设备，屏蔽板需良好接地，以便增大 C ₄ 的值。

2）屏蔽板形状影响剩余电容 C ₁ 的值，故对屏蔽性能有很大影响。

3）屏蔽板选择良导体为宜。

（2）磁场屏蔽

对于一根有电流流经的导线，如果仅将其用接地良好的非导磁金属体屏蔽起来，电场的电力线将终止于该金属屏蔽体，而磁力线却几乎丝毫无损地通过，如图3-12所示。由此可见，为了使噪声源的磁场不对周围的物体产生电磁干扰，须采用其他的办法将噪声源产生的磁场削弱到一定程度。

通常，低频磁场屏蔽可以采用高磁导率的材料，如铁磁性材料。用铁磁性材料将敏感器件包围起来后，可有效地屏蔽直流和甚低频磁场。因为铁磁性材料的磁导率很高，磁阻很低，容易使外界磁力线集中在该屏蔽材料中，从而使屏蔽体内的磁场大大减弱。实际上，屏蔽体不可能是完全封闭的，应注意，缝隙和长条通风孔应顺着磁场方向分布，这样有利于屏蔽体在磁场方向的磁阻最小。

因此，为了屏蔽外界磁场，屏蔽材料应选择磁导率越高、磁阻越低的材料。但是磁导率越高，意味着磁性材料越容易饱和，在强磁场应用中可能会因磁性材料饱和而失去屏蔽性能。一个可行的措施是在铁磁性材料中添加高磁导率、高饱和点的铁合金；另一个常用方法是采用两层甚至多层屏蔽方案，如图3-13所示。在外界强磁场的传播方向上，先用相对磁导率较低但不易饱和的材料（如硅钢），将其衰减到一定程度后，再用高磁导率材料来屏蔽敏感设备。

以上的措施都是在敏感设备处屏蔽磁场，保护敏感设备避免外界磁场的影响。下面介绍一种在干扰源处消除磁场噪声的方法，也是高频磁场的屏蔽方法。如图3-14所示，中心载流导线用一个非导磁的金属屏蔽体包围起来，然后让该屏蔽体中流过与中心载流导线电流大小相等、方向相反的电流。如果能做到这样，屏蔽体外部的磁场噪声将为零，就能达到良好的磁场屏蔽效果。这种方法一般用于屏蔽高频磁场。在高频磁场作用下，屏蔽壳体表面会产生电磁感应涡流，根据楞次定律，该涡流将产生一个反磁场来抵消穿过该屏蔽体的磁场，如图3-14所示。显然，涡流越大，屏蔽效果越好。为了提高涡流，在屏蔽体材料的选择上应选择良导体材料，如铜、铝或铜镀银等。频率越高，磁屏蔽效果越好。另外，由于趋肤效应，涡流只会在材料的表面流动，因此，只需一层很薄的金属材料就能起到良好的屏蔽高频磁场的效果。

事实上，这种方法并不陌生。电缆的屏蔽层就是这样一层金属材料，靠它来屏蔽电缆芯线，如图3-15所示。电缆屏蔽层必须两端接地，这样可以将芯线产生的高频磁场抵消掉，以达到高频磁场屏蔽的目的。

（3）电磁场屏蔽

电磁场屏蔽一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体良好接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，以及屏蔽体接地实现电场屏蔽。

电磁屏蔽材料首先需导电，原因在于导电体材料可以切断电磁波在空气中的传播，起到阻挡电磁干扰的作用，而一个好的电磁屏蔽结构通常设计在干扰源或敏感设备周边，根据不同的设备结构特点构建完整的法拉第笼来实现。其优点是无须改变设备本身的电路特性，实现对干扰的电磁隔离；其屏蔽效果是双方面的，既阻挡了干扰源的电磁干扰噪声，又保护了敏感设备不受外部电磁干扰。为达到期望的电磁场屏蔽效果，先决条件是必须在干扰源或敏感设备周围形成完整的导电壁结构。

电磁场屏蔽的关键是保证屏蔽体的导电连续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体。满足这一要求在实际工程应用中颇为困难。比如，一个机壳上会有很多孔缝，进行屏蔽设计时主要考虑如何妥善处理这些孔缝，同时兼顾不会影响机壳的其他性能（美观、可维修性、可靠性等）。如果孔缝尺寸大于 λ /2，电磁波将毫无衰减地通过。随着孔缝的减小，孔缝对电磁波的衰减作用逐渐显现。通常，工业产品应避免孔缝大于 λ /20，在微波环境中甚至要避免大于 λ /50。另外，由于穿过屏蔽机壳的导体（如电缆）会大大破坏屏蔽体的完闭性，导致其屏蔽效能降低，妥善处理这些导体与屏蔽机壳的连接是屏蔽设计中的重要内容之一。在很多应用场景下，比如机箱接合面的缝隙长度超过 λ /20或者设备的敏感/发射频率超过1MHz时，会采用电磁密封圈。电磁密封圈一般采用导电性能良好的衬垫材料，且足够强韧。电磁密封圈可防止缝隙处的高频泄漏，且降低对机械加工的要求，允许接触面有较低的平整度。此外，可减少使用接合处的紧固螺钉，增加了设备美观性和可维护性。

电磁场屏蔽是针对同时存在电场和磁场的高频辐射电磁波的屏蔽，主要用来抑制高频干扰，其屏蔽原理可以用图3-16来说明。

首先，当电磁波到达空气与屏蔽体交界面时，由于交界面阻抗不连续，会对入射波产生反射，从而减少大部分电磁波能量进入。剩余的电磁波进入屏蔽体后，有一部分能量会转化成热量，进一步消耗电磁波能量。当电磁波到达屏蔽材料另一面时，再次遇到屏蔽体与空气的交界面，阻抗不连续，又一次产生反射。经过多次的反射和损耗后，仅有一小部分电磁场能量能穿过屏蔽体，进入屏蔽空间。导电材料对远场平面波的反射吸收作用可分别用下列公式来表示：

式中， SE _R 为反射损耗； SE _A 为吸收损耗； t 为导电材料的厚度； f 为辐射电磁波的频率； σ _r 和 μ _r 分别表示屏蔽材料的相对电导率和相对磁导率。

材料的屏蔽效能可以用以下公式表示：

式中，Δ L _m 为多次反射因子。当吸收因子 SE _A ＞6dB以上时， SE _A 起主导作用，多次反射因子常忽略不计；当屏蔽层很薄或者频率 f ＞20kHz时， SE _A 很小，Δ L _m 才起作用。对于目前电子行业的常规EMI屏蔽设计，通常忽略不计。

从式（3-23）～式（3-25）可以看出，当材料的电导率提高后，其屏蔽效能是增大的，故可以选用导电率高的材料作为高效能屏蔽材料以获得高的屏蔽效能。金、银、铜、铝都是天然的优良屏蔽材料，但金和银都是贵金属材料，成本高，只在一些较高端的应用场合采用；因此，铜和铝就成了常见的屏蔽材料。屏蔽体设计的一般原则须根据实际情况和设计要求，有的放矢地选取经济、有效的屏蔽体设计方案，忌采取单凭经验的试错设计方法。

3. 滤波设计

一般情况下，通过正确的屏蔽和接地系统的设计，一个电子电气系统的电磁干扰可获得相当有效的抑制。但有时电磁骚扰的电平仍高于标准允许的限值，这时往往需同时考虑滤波设计。滤波设计即采用滤波器进行噪声抑制。滤波器是由集总参数的电阻、电感和电容，或分布参数的电阻、电感和电容构成的一种电路网络。

（1）滤波器的类型

安装在电源线上的滤波器通称为电源滤波器，安装在信号线上的滤波器称为信号滤波器。根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系分类，滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等多种，如图3-17所示。

低通滤波器是最常用的一种滤波器，主要用在干扰信号频率比工作信号频率高的场合。如在数字设备中，脉冲信号有丰富的高次谐波，这些高次谐波不是电路工作所必需，但却是很强的干扰源。因此在数字电路中，常用低通滤波器将脉冲信号中不必要的高次谐波滤除掉。

电源滤波器一般是低通滤波器，它仅允许50Hz的电流通过，对其他高频干扰信号有很大的衰减。相对来说，低通滤波器是更为常用的滤波器。其中，π形滤波器被称为“万能滤波器”，如图3-18所示。π形滤波器的原理很简单，中间是一个较大的电感，两端并联电容，由于阻抗相差较大，电感就起到了良好的分压作用，抑制两端电路中干扰信号的传播。

高通滤波器用在干扰频率比信号频率低的场合，如在一些靠近电源线的敏感信号线上滤除电源谐波造成的干扰。带通滤波器用在信号频率带宽较窄的场合，如通信接收机的天线端口上要安装带通滤波器，仅允许通信信号通过。带阻滤波器用在干扰频率带宽较窄而信号频率较宽的场合，如距离大功率电台很近的电缆端口处要安装带阻频率等于电台发射频率的带阻滤波器。

从本质上讲，滤波器作用是为了滤除电路上的无用信号。很多工程师会片面地理解滤波器就是为了解决传导发射和传导抗扰度的问题。实际上，很多辐射问题也能靠滤波器方案来解决，原因在于大部分EMI问题其实是电路的辐射天线作用导致的。例如，当设备的辐射发射超标时，往往是因为电路上有过强的传导干扰电流，尤其是当传导发射的频率较高时往往会造成严重的辐射发射问题。在工程实践中经常会遇到的现象是：电气设备虽然采取了比较完善的屏蔽措施，但是仍然不能符合电磁兼容标准中辐射发射的要求。造成这个问题的原因很大一部分是忽略了设备外接电缆的天线作用。此外，当空间有干扰电磁波时，这种干扰也会通过外接电缆接收后传入电路，对设备形成干扰，可能导致设备抗干扰要求的失败。

（2）滤波器的布局

除了设计一个合适的滤波器拓扑（网络）之外，滤波器的布局也会影响整个滤波网络的滤波效果。滤波器的布局应从以下几个方面考虑：

1）滤波器尽量安装在想要抑制噪声的端口处。为了保证最好的噪声抑制效果，滤波器接入电网或供电网络通常不用熔丝，因此滤波器中用的电容器必须要特别注意安全可靠，并且应当清楚地标明警告指示。须指出，即使在电气设备断电的情况下，滤波器仍旧接在电源网络中。滤波器的外壳必须设计成即使人体意外地接触外壳也不会引起触电的结构，并且必须用不易腐蚀的材料制成。

2）在设计和装配滤波器时，须做到无论是电网中的瞬态电压，还是电气设备引起的浪涌电流，均不会损坏滤波器。对于一个滤波器，须特别说明两个工作限制条件：能正常连续工作的条件和极限工作条件。

3）大电流滤波器的损耗可能会很大，大部分能量将损耗在扼流圈上，因此，须注意对扼流圈的冷却，并使其尽量远离滤波电容器。

4）电力电子装置常导致非正弦的网侧电流，低次谐波较强，由此可能引起明显的低频噪声。应考虑将滤波电感线圈进行浸渍处理，将铁心胶合，保证滤波器电感线圈的紧固，以减小低频噪声。

5）在排布滤波器内部的元件时，应集中考虑以下三个方面的问题：滤波电感器的杂散磁场、滤波电容器的引线走向和接地。

（3）滤波器应用及注意事项

1）电源滤波器。对于电源设备来说，其内部除了功率变换电路以外，还有驱动电路、控制电路、保护电路、输入输出电平检测电路等，这些电路主要由通用或专用集成电路构成。当噪声影响到模拟电路时，会使信号信噪比变坏，严重时会使信号被噪声淹没。当噪声影响到数字电路时，会引起逻辑关系出错。采用电源滤波器可有效地防止电源因外来噪声干扰而产生误动作。从电源输入端进入的EMI噪声，在电源的负载电路中会产生感应电压，成为电路产生误动作或干扰电路中传输信号的原因。这些问题同样也可用电源滤波器来加以防止。

电源滤波器按形状可分为一体化式和分立式两种：一体化式是将电感线圈、电容器等封装在金属或塑料外壳中；分立式是在印制板上安装电感线圈、电容器等，构成抑制噪声滤波器。应用中选择哪种形式的电源滤波器要根据成本、特性、安装空间等来确定。

电源滤波器的设计应充分考虑实际工作网络中电源和负载阻抗条件。比如，单级电源滤波器对源和负载的阻抗很敏感，当工作在实际的源和负载阻抗条件下，很容易产生增益，而不是衰减。这种增益通常出现在150kHz～10MHz的频率范围内，幅度可以达到10～20dB。因此，在电子设备上安装一个不合适的滤波器后，可能会增加干扰发射强度和使电子设备的敏感性变得更糟。

电源滤波器采用共模扼流圈和连接在相线间的X电容处理差模干扰。如果滤波器用于解决开关电源电路产生的低频高强度干扰问题，则通常需要有比X电容所能提供的差模衰减更大的衰减，这时需要采用差模扼流圈。由于磁芯易饱和，因此很难以较小的体积获得较大的电感量，这类滤波器一般体积较大，且较昂贵。

对于共模干扰，电源滤波器常采用Y电容连接在相线与地线之间。为了不超过相关安全标准限定的地线允许泄漏值，Y电容的值一般在几微法左右。通常，Y电容应连接到噪声干扰较大的导线上。

2）信号滤波器。信号滤波器是用在各种信号线上的低通滤波器。它的作用是滤除导线上不需要的高频干扰成分。信号线电缆和电源线电缆之间的耦合导致传导发射存在高频超标的现象，经常是由于信号线上的高频干扰通过空间耦合到了电源线上造成的。导致这种现象出现的原因在于信号电缆本身是一个效率较高的发射和接收天线。

理论和实践均表明，设备上的电缆是电磁兼容设计过程中相对薄弱和易被忽视的环节。任何穿过屏蔽体或隔离体的导线或电缆都会破坏原有的屏蔽效果或隔离效果，对这些导线，通常须采取滤波措施。信号线滤波以共模滤波为主，这是因为电缆上感应的电流一般都是以共模形式存在的，而对信号电缆上传输的差模信号，则预期不产生任何负面影响。

在安装信号滤波器时须注意：选用高频特性好的滤波器件；无论采用什么滤波器，通常要良好接地；需安装多个滤波器时，应注意并排布置滤波器，否则已经滤波的和未经滤波的信号之间易发生串扰；当滤波器的引线较多时，应考虑使用多级滤波器；滤波器与机箱上电缆接口之间的引线尽量短，必要时可加一个隔挡层。 jXgSgwZPQNvAQ9NoUqi0jvCD/xIsgl3xaN4PplWPjXazE8bFmaNxhWIuqbVQNxcG