电磁兼容（EMC）高频特性与整改思路

广东省医疗器械质量监督检验所EMC室 冯丹茜&陈嘉晔

我国医疗器械的电磁兼容项目从2014年1月1日强制实施以来，以70%～80%的整改率成为整个产品注册过程的难题。电磁兼容问题比较复杂性，在判定结果方面，没有其他学科比电磁兼容更依赖于测量。另外，电磁兼容的检测场地和检测设备又异常昂贵，电磁波的问题对于企业工程师来说都显得比较陌生，造成企业对电磁兼容项目无法提前预估，不合格产品的整改工作也进展缓慢。

下面针对电磁兼容的基础知识入手，帮助工程师理解电磁兼容的高频电路与传统低频电路的根本区别，了解发射和抗扰度的产生原因，为产品整改提供思路。

一、了解电容和电感的高频特性

首先，来了解一下导线的高频特性。当两根传输线平行走向的时候，会存在如图1所示的分布参数，这些看不见的分布电容C和分布电感L，当传输的是低频信号时，可以只考虑导线的电阻值R，但当传输的是高频信号时，就会出现传输线之间的耦合，以及导线的阻抗变化。

图1  A、B传输线上的分布参数

1.  传输线间的耦合

当传输线A与传输线B上传输的是低频信号时，可以只考虑线上的R电阻。当传输为高频信号时，由于分布电容C的存在，电容的容抗为Rc=1/(2πfc)，随着频率升高，电容C的容抗变小，高频信号流过分布电容，形成两根传输线间的信号耦合。

2.  传输线的阻抗增加

导线的阻抗由电阻的和内电感产生的感抗两部分组成,Z=R+jωL,而感抗的公式为RL=2πfL。当频率较低时，电阻成分起主要作用，频率较高时，电感的感抗所占的比重起了主要作用，随着频率升高，阻抗增大。

3.       电源滤波器的原理

1）  为什么电源滤波器可以成为传导发射试验的整改神器？

80%以上的传导发射失败的产品需要通过增加电源滤波器来解决，下面通过电容和电感的高频特性来解释一下电源滤波器的结构。对于产品电路来说，有用信号为低频的，干扰信号为高频的，滤波器可以有效滤除高频的干扰信号，而选择性地让低频信号顺利通过。众所周知，当产品内部的高频交变信号通过电源线向外传播，经过公共电网传输到其他的电子设备便形成传导干扰。电源线上的干扰包括差模干扰和共模干扰，共模干扰为导线与地之间的干扰，差模干扰为火零线之间的干扰。

2）  减少共模干扰的方法

如图2所示，当电源线火线或零线对地存在干扰电压时，由于网电压为AC 220V，不能通过接地方法干扰导通到大地，因为直接导通火线和地就会产生短路，所以采用一个共模电容（Y电容），利用电容的高频特性，使高频干扰信号通过电容流到地。通过火线和零线对地各并联一个等值的Y电容，与火线和零线上串共模扼流圈（共模电感），扼流圈与Y电容形成LC滤波器，滤去共模传导噪声。医用滤波器的Y电容受到漏电流的限制，一般选取2.2nf左右耐压4kV～6kV的电容。

3）  减少差模干扰的方法

同理，火线和零线之间并联差模电容（X电容），与共模电感其中一个线圈形成的差模电感组成低通滤波器，降低火线和零线间的干扰。X电容一般选取0.047µF~0.47µF的电容值。

图2 电源滤波器的滤波网络

二、了解电流走最小阻抗原则

 了解了导线上的高频特性后，再来了解电流信号回路阻抗的高频特性。了解电磁兼容问题的关键，是要了解高频干扰信号在产品内部是走什么路径形成回路的。

     众所周知，电流走最小阻抗的回路。那么电流回路的阻抗在高频的时具有什么特性呢？与什么有关系呢，下面进行解释。

图3 信号回路中的阻抗

     电流回路的阻抗是由回路中导线电阻R和回路形成的感抗jωL组成。如图3所示，回路的阻抗与上述说到的传输线阻抗不一样的是，单根传输线导线的内感与导线周围的磁通量Ф无关，而回路中的电感，Ф为回路中磁通量，与回路面积成正比，而I为回路的电流。所以，回路中所圈的面积越大，回路的磁通量越大，电感量越大。当低频信号流过时，感抗很小，回路的阻抗主要是回路中导线R的电阻。当高频干扰流过时，由于ω=2πf，回路中的感抗jωL所占的比重起到主要作用。频率越高，回路面积越大，回路的电感越大，高频的回路阻抗就越高。

     下面通过一个实验来说明低频信号与高频信号在导线回路中的不同走向。如图4所示，采用一根同轴电缆，同轴电缆的一端，芯线与屏蔽层分别与信号发生器正负极相连。同轴电缆的另外一端，芯线与屏蔽层间用负载电阻端接。同轴电缆两端的屏蔽层外皮a点与b点用铜带短接。在短接的铜带套上电流钳，用示波器监测通过铜带流过的电流大小。

图4  低频信号与高频信号回路的对比实验

信号发生器发出的信号从同轴电缆内层芯线流入（黑色箭头方向），经同轴电缆的芯线走到芯线的另一端，经过负载电阻（黑色箭头方向）与屏蔽层相连。这时信号有两个返回路径，一个是沿铜带a点和b点的直线距离返回（红色实线和箭头方向），一个是沿同轴电缆的屏蔽层绕同轴电缆返回（绿色虚线和箭头方向），最终返回到信号发生器（黑色箭头方向）。

开启信号发生器和示波器，调节信号发生器的输出信号，从低频开始逐步升高，信号幅度不变，用示波器监测铜带上的电流大小变化。当信号＜1kHz时，示波器监测到的电流幅值较大。随着频率升高，示波器观察到的逐渐变小，当信号＞10kHz时，示波器几乎观察不到有电流流过。证明＜1kHz的低频信号基本上沿短接铜带的路径返回，＞10kHz的高频信号基本上沿同轴电缆的屏蔽层回流。

     实验现象解释：

对于低频信号的回路，由于频率低，感抗很小，信号回路的阻抗主要由回路导体的电阻大小决定。由于电流走最小阻抗原则，回路导体的电阻与长度、截面积和材料相关，铜带电阻比同轴电缆屏蔽层的电阻要小，所以低频信号选择短接铜带的回路流回到信号发生器。

对于高频信号的回路，由于频率高，感抗增大，信号回路的阻抗主要由回路的感抗大小决定。由于电流走最小阻抗原则，感抗与回路围成的面积大小相关，回路面积小则高频回路阻抗小。同轴电缆的屏蔽层的回流路径与同轴电缆芯线构成的回流面积几乎为零，而短接铜带与同轴电缆芯线却构成一定的回路面积，所以高频信号主要从同轴电缆的屏蔽层流回到信号发生器。

实验证明，由于高频信号回路的阻抗特性，设计电路时要尽量要减少回路的环路面积，特别注意地线的合理布局。出现不合格情况的时候，通过分析高频信号回路所走的路径来解决问题。

三、了解EMC抗扰度试验的整改关键

很多工程师对于电磁兼容的抗扰度已经积累了不少方法和经验，EMC的屏蔽、接地和滤波，哪个试验失败了该用哪个方法，可从多方面的参考资料里面找到一定的规律，但却不知道为什么要这样整改，为什么整改了反而变得更糟糕了。

1.抗扰度试验的失败原因

了解电磁兼容的抗扰度失败问题，可以从人体的触电过程中找到启发。如图5所示，电击是指触电时带电导体的电流通过人体的内部，造成破坏心脏及呼吸器官的机能的破坏，当100mA的电流通过人体1s时，可足以使人致命。同样，产品的敏感电路就好比人体的心脏，当外部干扰电压/电流流过产品的敏感电路（如电路板），就会引起产品的误动作。如图6所示，当电快速脉冲群(EFT)干扰信号从电源线注入，由于电路板与参考接地平面的分布电容C1以及信号线与参考接地平面的分布电容C2存在，由于C1、C2的高频导通特性，使得5kHz或100kHz的EFT干扰信号，通过分布电容流入参考接地平面形成干扰回路。当干扰信号流过电路板，使得原有的工作电压发生改变，例如：干扰电压的误触发了复位电平，产品就会复位重启。

图5  人体的触电过程

图6  EFT干扰信号的形成过程

所以，EMC抗扰度试验的失败原因归纳为外部干扰电压叠加在工作电平/电流上，使原来的工作状态发生改变 。由于静电放电（ESD）的干扰电压为±2kV～±8kV，而电快速脉冲群(EFT)抗扰度项目的干扰电压为±2KV，而普通电路板的工作电压为V级（例如DC3.3V），当kV级的干扰通过产品的电路板时，产生的电位差就轻易产生V级的差模信号，从而引发产品的误动作。

  2.电路板的整改设计思路

电路板的整改设计思路，就是要把电路板的零电位与产品的保护接地端相连接，由于零电位到接地点的阻抗远比途径电路板和分布电容到地的阻抗要小，所以高频干扰信号通过接地点导流到大地，保证电路板的工作状态不变。若产品为II类设备不包含保护接地点时，可以考虑使用外壳内部喷漆的方法，形成外壳内部的等电位，将电路板的零电位与外壳的导电漆相连。

3.错误的接地会引发更严重的干扰问题

电路板的整改设计思路，是要把电路板的零电位与产品的保护接地端相连接。此外要特别注意接地点选择的位置，如图7所示，左图为正确的接地方式，接地点选择靠近电源线或信号电缆一侧，干扰电流在流过PCB电路板前便导通到参考接地。右图为错误的接地方式，当错误的接地后，加速了干扰电压通过电路板流到参考接地，发现这样的接地后，当施加EFT干扰的试验时，受干扰的情况会更明显。 所以，在设计电路板时，考虑把所有的电缆（包括输入输出信号线）都布置在产品的同一侧，更好地进行电路板零点位的接地，避免产品的抗扰度问题。

图7  正确与错误的电路板接地方式

四、结语

本文针对电磁兼容设计的基础知识入手，从导线的分布参数、传输线和信号回路的高频特性、滤波器的原理以及抗扰度试验的失败原因，帮助工程师控制好产品质量，从产品的设计就开始关注电磁兼容的问题，为企业提供整改的思路和整改方向，避免在整改过程对不合格项目进行盲目地整改，起到加快检验周期并缩短产品注册周期的作用。