EMC教程系列之EMC簡介

一架客機在半空中爆炸，機上230人全部遇難。醫院的注射泵會在不觸發任何警報的情況下自動停止輸送保命藥物。當汽輪機控制閥自動關閉時，核電站進入警戒狀態。這些實際事件中的每一個都是電磁相容性問題的徵兆。

電磁相容性（EMC）被廣泛地定義為一個系統中的所有裝置都能夠在其預期的電磁環境中正常工作的狀態。1996年， 環球航空800航班從紐約飛往巴黎的飛機起飛後不久在海上爆炸。經過長時間的調查，包括打撈和重建飛機的主要部分，得出的結論是，爆炸最可能的原因是中央翼油箱中的火花點燃了空氣/燃料混合物。這種火花很可能是大電壓瞬變的直接結果，可能是電源線瞬變或靜電放電。

2007年，阿姆斯特丹大學研究人員進行的一項研究結果記錄了近50起醫院使用手機產生的電磁干擾事件，並將其中75%歸為重大或危險事件。另一項研究來自阿姆斯特丹的研究人員於2008年發表的報告顯示，來自RFID裝置的電磁干擾也有可能導致重症監護醫療裝置發生故障。

尼亞加拉莫霍克九里角2號核電站的閥門自發關閉是由於工人的無線手機產生的干擾造成的。儘管所有核電站的設計和建造都非常重視安全和安保，但普通無線手機的相對微弱排放導致了一次重大故障。

不幸的是，這些並非罕見的孤立事件。電磁相容性問題每年都會導致許多人死亡和數十億美元的收入損失。在過去的十年裡，電磁相容問題的數量和嚴重程度都呈爆炸性增長，這主要是由於微處理器控制的裝置、高頻電路和低功率發射機的激增。

EMC問題的要素

電磁相容問題有三個基本要素，如圖1所示。必須有一個電磁能量源，一個因電磁能量而不能正常工作的接收器（或受害者），以及它們之間的一條將能量從源耦合到接收器的路徑。這三個要素中的每一個都必須存在，儘管它們可能不是在每一種情況下都很容易確定。電磁相容問題通常透過識別其中至少兩個元素並消除（或衰減）其中一個來解決。

圖1。EMC問題的三個基本要素。

例如，在核電站的案例中，受體很容易被識別出來。汽輪機控制閥出現故障。源和耦合路徑最初是未知的；然而，一項調查顯示，工廠員工使用的無線手機是源頭。雖然此時耦合路徑未知，但透過消除源（例如限制在某些區域使用低功率無線電發射機）解決了該問題。一個更徹底、也許更安全的方法是識別耦合路徑並採取措施消除它。例如，假設確定無線手機的輻射發射在連線到印刷電路卡（包含控制渦輪閥的電路）的電纜上感應電流。如果發現電路的執行受到這些感應電流的不利影響，則可以確定可能的耦合路徑。遮蔽、過濾或重新佈線電纜，以及過濾或重新設計電路，將是將耦合路徑衰減到不存在問題的點的可能方法。

當羅斯福島的一輛電車線上路盡頭突然加速，撞上了一個混凝土護欄，這個問題被認為是電車動力的瞬變。耦合路徑可能是透過供電到速度控制電路的，儘管研究人員無法重現故障，因此源和耦合路徑從未被最終確定。另一方面，接收器被清楚地顯示為速度控制電路，並且對該電路進行了修改，以防止其被無意的隨機輸入所混淆。換言之，解決方案是透過使速度控制電路不受電源產生的電磁現象的影響來消除接收器。

電磁相容性問題的潛在來源包括無線電發射機、電源線、電子電路、閃電、調光器、電動機、電弧焊機、太陽耀斑以及任何利用或產生電磁能量的東西。潛在的接收器包括無線電接收器、電子電路、電器、人，以及幾乎任何利用或能探測到電磁能量的東西。

將電磁能量從源耦合到接收器的方法分為四類。

傳導（電流）

感應耦合（磁場）

電容耦合（電場）

輻射（電磁場）

耦合路徑通常使用這些方法的複雜組合，使得即使在已知源和受體的情況下也難以識別路徑。可能存在多個耦合路徑，並且為衰減一個路徑而採取的步驟可以增強另一個路徑。

EMC簡史

19世紀80年代末，德國物理學家海因裡希·赫茲（Heinrich Hertz）進行了實驗，證實了20年前詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）發表的理論。赫茲在另一端與金屬板相連的兩個金屬棒之間的一個小間隙中產生了火花，如圖2所示。火花激勵在金屬棒上產生振盪電流，導致電磁輻射接近天線的諧振頻率。接收天線是一個有很細間隙的線圈。間隙中的火花表明存在時變磁場，最大火花間隙長度提供了接收磁場強度的測量值。

圖2。海因裡希·赫茲建造的早期天線。

古列爾莫·馬可尼瞭解到赫茲的實驗並加以改進。1895年，他發明了無線電報，這是第一個用無線電波傳送資訊的通訊裝置。雖然他的發明最初沒有被意識到其重要性，但由於這種裝置有可能加強與海上船隻的通訊，美國海軍對此產生了興趣。

1899年，海軍首次在船上測試無線電報。雖然測試在許多方面都取得了成功，但海軍無法同時操作兩個發射機。造成這個問題的原因是早期無線電報的工作頻率和頻寬主要取決於天線的尺寸、形狀和結構。接收天線總是“調諧”（實驗）到與發射天線相同的工作頻率，但是頻寬很難控制。因此，當兩個發射機同時工作時，接收機在一定程度上檢測到來自兩個發射機的場，並且接收到的訊號通常是無法理解的。這個早期的電磁相容性問題被稱為射頻干擾（RFI）。隨著無線電報的普及，人們對RFI的關注也隨之增加。

1904年，西奧多·羅斯福簽署了一項行政命令，授權商務部監管所有私人電臺，海軍監管所有政府電臺（以及戰時所有電臺）。不同型別的無線電發射機被分配了不同的頻率分配，通常只允許在特定時間執行，以降低射頻干擾的可能性。

到1906年，各種火花熄滅方案和調諧電路被用來顯著減少無線發射機和接收機的頻寬。然而，正是1912年真空管振盪器和1918年超外差接收器的發明使真正的窄帶傳輸和接收成為可能。這些發展也使人們能夠傳輸相當清晰的人類語言，這為商業無線電廣播鋪平了道路。

從1925年到1950年這段時間被稱為廣播的黃金時代。在這期間，收音機的普及率猛增。隨著無線電數量的激增，電磁相容性問題也隨之增加。RFI是一個普遍的問題，因為關於有意或無意干擾商業無線電廣播的規定不嚴格，而且更多的人可以使用無線電裝置。為了緩解這一問題，聯邦通訊委員會（FCC）成立於1934年，是美國政府的一個獨立機構。它被授權透過無線電、電線和電纜來管理美國州際和國外的通訊。FCC法規和許可證要求大大減少了射頻干擾問題的數量。

然而，由於越來越多的新的無線電接收器出現在公眾家中，EMC的問題也隨之出現。無意的電磁輻射源，如雷暴、汽油機和電器，通常比有意的無線電發射器產生更大的干擾問題。

系統內干擾也日益引起關注。超外差接收機包含自己的本振，必須與無線電自身電路的其他部分隔離。收音機和留聲機被集中在家庭娛樂系統中。收音機安裝在汽車、電梯、拖拉機和飛機上。這些系統的開發者和製造商發現有必要開發更好的接地、遮蔽和濾波技術，以使他們的產品發揮作用。

在20世紀40年代，許多新型的無線電發射機和接收機被開發用於第二次世界大戰期間。無線電訊號不僅用於通訊，還用於定位艦船和飛機（雷達）和干擾敵方無線電通訊。由於迫在眉睫的需要，這種裝置被匆忙地安裝在船上和飛機上，導致了嚴重的電磁相容問題。

戰爭期間電磁相容性問題的經驗促使制定了第一個陸軍-海軍RFI聯合標準，即1945年1月1日釋出的“無線電干擾測量”。更多的注意力集中在RFI問題上，特別是接地、遮蔽和濾波技術。電磁相容性以類似於天線設計或通訊理論的方式成為一門工程專業。

1954年，第一屆射頻干擾裝甲研究基金會召開。這次年會由政府和工業界共同贊助。三年後，無線電頻率干擾專業組成立，成為無線電工程師學會幾個專業組中最新成立的一個。今天，這個組織被稱為電氣和電子工程師協會（IEEE）的電磁相容性協會。

60年代，電子裝置越來越成為國防和社會的重要組成部分。例如，一艘典型的航空母艦使用了35個無線電發射器、56個無線電接收器、5個雷達、7個導航輔助系統和100多個天線［1］。在越戰期間，海軍艦艇經常被迫關閉關鍵系統，以便讓其他系統發揮作用。這種令人震驚的情況使人們更加關注電磁相容性問題。在軍隊之外，對計算機、衛星、電話、無線電和電視的依賴性日益增加，這使得對電磁現象的潛在敏感性成為一個非常嚴重的問題。

20世紀70年代見證了微處理器的發展和小型、低成本、低功耗半導體器件的發展。使用這些器件的電路比舊的真空管電路對弱電磁場更敏感。因此，更多的注意力集中在解決與這些電路相關的越來越多的電磁敏感性問題上。

除了傳統的輻射電磁敏感性（RES）問題由於有意和無意的射頻發射機，三類電磁敏感性問題在70年代得到了突出。其中最常見的可能是靜電放電（ESD）。當兩個電位相差很大的物體聚在一起時，就會產生靜電放電。在乾燥的日子裡，當一個人走過地毯後伸手去拿門把手時，這種“震驚”就是一個常見的例子。然而，即使是太弱而感覺不到的放電，也能破壞半導體器件。

另一個在70年代聲名狼藉的電磁敏感問題被稱為電磁脈衝或電磁脈衝。軍方意識到，在高空引爆核彈頭會在非常廣闊的區域內產生極強的電磁脈衝。這種脈衝很容易損壞或使關鍵的電子系統失效。為了解決這一問題，政府開始大力發展遮蔽和電湧保護技術，在這種非常惡劣的環境中保護關鍵系統。

第三個電磁敏感性問題，電力線瞬態磁化率（PLT）的出現，也是半導體器件使用量增加的直接後果。真空管電路通常需要巨大的電源，以便將電子裝置與電源線上的噪聲隔離開來。另一方面，高速、低功率半導體器件對瞬態更為敏感，其功率要求一般，因此通常需要使用相對較小的低成本電源，而這些電源與電源線之間沒有太大的隔離。此外，這些裝置的低成本意味著更多的裝置安裝在家庭和辦公室，那裡的配電通常沒有很好的調節，而且噪音也相對較大。

20世紀70年代對電磁敏感性的強調體現在這十年中出現的有關磁化率的任務組、測試程式和產品標準的數量。70年代後期成立的一個組織叫做EOS/ESD協會（EOS是電過應力的縮寫）專門處理上述敏感問題。

另一個發生在60年代和70年代的變化是一個術語RFI逐漸被更一般的術語EMI或電磁干擾所取代。由於並非所有的干擾問題都發生在無線電頻率上，這被認為是一個更具描述性的術語。根據耦合路徑，EMI通常分為輻射EMI或傳導EMI。

20世紀80年代的兩次事件對電磁相容領域產生了廣泛的重大影響。

低價個人電腦和工作站的引進和擴散。

對FCC規則和法規第15部分的修訂，對

計算裝置

。

低價電腦的泛濫有兩個原因。首先，向大量消費者和製造商介紹了一種產品，該產品既是電磁相容問題的重要來源，又是電磁相容問題的接受者。第二，低成本、高速度計算的出現促進了各種數值分析技術的發展，這些技術對工程師分析和解決電磁相容問題的能力產生了巨大的影響。

1980年至1982年期間，聯邦通訊委員會（FCC）對計算機裝置產生的電磁干擾（EMI）進行了分階段修訂。這些法規要求所有工作頻率為9 kHz或更高的電子裝置，並採用“數字技術”來滿足嚴格的限值，以調節裝置輻射或連線到電源線的電磁輻射。實際上，在美國銷售或廣告銷售的所有計算機和計算機外圍裝置都必須滿足這些要求。許多其他國家也制定了類似的要求。

在20世紀90年代，歐盟採用了遠遠超出FCC要求的EMC法規。歐洲法規限制了不受FCC要求限制的家用電器、醫療裝置和各種電子裝置的無意排放。此外，歐盟還制定了這些裝置的電磁抗擾度要求，並規定了測試電子系統對輻射電磁場、傳導功率和訊號線噪聲以及靜電放電敏感性的程式。

這些法規的影響是巨大的。在計算機市場呈指數級增長的時候，許多最新、最先進的設計因為無法滿足政府對EMC的要求而受到阻礙。公司組建了EMC部門，併為EMC工程師做廣告。整個行業開始向計算機公司提供遮蔽材料、鐵氧體和過濾器。EMC短期課程、測試實驗室、雜誌和顧問開始出現在世界各地。國際社會對EMC的關注鼓勵了更多的研究，在開發更全面的測試程式和有意義的標準方面取得了重大進展。

在過去的20年中，有幾個技術趨勢對EMC的相關性和可用的工具產生了深遠的影響。出現了

物聯網

已經導致需要在日益複雜的電磁環境中可靠工作的電子系統數量呈指數級增長。自動駕駛汽車的引入和社會對計算機的依賴程度越來越高，以確保公共安全，這使得人們更加重視電子系統的可靠性。在指定有意義的EMC要求和設計能保證滿足這些要求的產品時，出錯的餘地就更小了。

幸運的是，過去20年也取得了重大突破，幫助工程師預測和糾正潛在的EMC問題。在日益複雜的電磁建模工具的幫助下，研究人員對電磁相容問題的耦合機制有了更深入的瞭解。已經開發出能夠預測最壞情況的模型，並幫助開發保證滿足其EMC要求的產品。在減少或消除不必要的電磁耦合的元件和材料方面，也取得了顯著的技術進步。例項包括採用奈米結構的新型輕質低成本遮蔽材料、更薄更有效的吸收材料、更小的無源濾波器元件、更有效的瞬態抑制元件以及能夠減少發射和提高電磁抗擾度的更復雜的數字裝置。

電磁相容的未來

今天，過去20年的趨勢仍在繼續。計算裝置變得越來越密集、更快、更復雜、更普及，這給EMC工程師帶來了新的挑戰。與此同時，電磁分析技術的進步和現有的設計方案正在徹底改變用於確保符合EMC要求的方法。

與電磁相容性有關的政府和行業法規和測試程式繼續被引入和定期更新。然而，技術革新的快速發展基本上保證了僅靠規章制度永遠不足以保證電子系統的安全性和相容性。這使得在設計的早期就解決電磁相容性問題比以往任何時候都重要，而不是在產品無法滿足給定要求後“修復”。