电磁兼容综合解决方案介绍

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  随着电子电器设备的广泛使用，电磁干扰问题日益突出，以至实际应用中常常出现EMC(电磁兼容)问题。为此，工业发达国家和地区都把对电磁干扰的控制纳入国家法制管理和环境保护的范畴。IEC(国际电工委员会)下属的CISPR(国际无线电干扰特别委员会)和TC77(第77技术委员会)、CENELEC(欧洲电工标准化委员会)、FCC(美国联邦通信委员会)、日本的VCCI(干扰自愿控制委员会)均指定了相应的标准。中国自从1983年发布第一个EMC标准(GB3907－1983)以来，至今已发布了47个有关的国家标准，其中32个强制标准，15个推荐标准，绝大多数引自国际标准，如CISPR和IEC标准。


法规对EMC提出了严格要求，但产品设计中的EMC挑战越来越大，特别是在广泛使用的便携式电子设备中，在日益狭小的壳体内同时存在着从几兆赫兹到几百兆赫兹的的信号，同时要完成众多复杂的功能，在电路布板、屏蔽材料、生产测试等方面，都对EMC设计和测试提出了越来越高的要求。


解决EMC问题的屏蔽最常用也是最基本的技术是滤波、屏蔽、接地。此外平衡技术、低电平技术等也是电磁兼容的重要控制技术。随着新工艺、新材料、新产品的出现，电磁兼容控制技术也得到不断的发展。


滤波是在频域上处理电磁噪声的一种技术，其特点是将不需要的一部分频谱滤掉，常用材料是磁性材料，目前主要的厂商有TDK、3M等公司。由于TDK开发铁氧体磁性材料的时间长、投入的资源多，所以其基于磁性材料的EMC解决方案也最多。单单在手机上，就有超小型积层陶瓷线圈MLG0402S、超小型积层贴片磁珠MMZ0402、超小型积层高频线圈MLF1005、超小型共模滤波器TCM1005。在逻辑电路与液晶面板间接口处使用的电磁兼容防护元件有带静电放电功能的电磁干扰滤波器阵列MEA2010LV、单段EMI滤波器阵列MEA2010PE、小型共模滤波器阵列TCM1608、小型滤波器阵列MEA1680。


TDK公司还针对其他应用开发了很多滤波器和磁性材料，如3端子滤波器阵列MEA2010系列，该系统滤波器有快速的衰减特性和广泛的噪声吸收范围，MEA2010L系列在2.0mm×     1.0mm×0.7mm的空间内安装了4个元件，MEA2010P系列在同样的尺寸内内置了3个元件；HDMI用宽频带共模滤波器ACM2012D/H将截止频率(插入损耗3dB)提高到6GHz，可无失真地传送高速HDTV信号，使特性阻抗平衡在100Ω电平，完全达到HDMI的高TDR标准；直流电源线用共模滤波器ACM系列采用方形闭合磁路磁芯，实现了小型、高阻抗，对共模/异态噪声都有抑制效果；钳位滤波器ZCAT系列是电码专用滤波器，采用铁氧体芯一体化安装在塑料盒上的方式，可不用切断接口电缆、电源电缆，采用单触式安装，具有良好的对高频噪声的吸收效果和对共模噪声的消除效果；电源用低损耗功率铁氧体PC47具有良好的芯损耗和饱和磁通密度性能，适用于液晶电视、等离子电视、DVD等设备的专用电源，可用于适配器和充电器等的线圈，液晶背投光变频器等；电源滤波器专用高导磁率材料HS12实现了超过传统高导磁电源滤波器材料HS10的高导磁率12000，采用150kHz的高导磁特性，符合修订后的FCC标准，与使用传统材料(HS72)的电源滤波器相比，体积缩小约40%。


TDK还针对RFID应用开发了专用磁片Flexield。由于手机的内部通常都有电池盒和屏蔽板等金属，如果把RFID标签内置到手机中，当把RFID读取器与手机互相靠近时，由金属产生的涡流会在消除来自读写器的磁通的方向产生磁场，使通信信号灵敏度明显降低，读卡器就无法工作了。而采用TDK的专用磁片Flexield屏蔽片，就可以以该侧面为入口使得磁通得到很好的收集，使通信灵敏度得到改进，使读写器能够正常工作。适用于消除手机、笔记本电脑、PDA、数码相机等设备的电磁噪声。

                               
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RFID专用磁性屏蔽片Flexield的工作原理图


此外，TDK还有电感器、电容器、扼流圈、光传感器、电阻器等产品，这些产品大多具有高性能、小尺寸，适应表面贴装的特点，常常可以做为EMC解决方案的一部分来使用。
屏蔽技术主要用于切断通过空间的静电耦合、感应耦合形成的电磁噪声传播途径，这三种耦合又对应于静电屏蔽、磁场屏蔽与电磁屏蔽。目前常用的屏蔽材料有电磁吸波材料、导电硅橡胶、屏蔽片、导电布、导电胶带、电磁屏蔽套管、导电泡棉等，可以起到电磁屏蔽、接地和静电释放的作用。


接地设计是EMC设计的重要课题，有些产品的EMC不达标，常常是由于接地等设计不当，使某些部位的电磁干扰比其他部分的大许多。可以通过改进设计来减少这种干扰，也可以针对这个部位进行强化的电磁屏蔽。


验证电子产品的EMC是否达标的一个重要工具是电波暗室。随着汽车电子的广泛应用，汽车的EMC问题变得日益重要，对于汽车等大尺寸设备和装置的EMC测试，需要有大尺寸的电波暗室，还要求有精准的测试天线，高速的测试数据处理系统，完善的自动化分析软件做配套。目前，TDK公司已在广东东莞建设了大尺寸的电波暗室，可进行家电、医疗器械、汽车等设备的EMC测试，并且能够帮助客户发现EMC不达标的问题所在，或通过改进设计减小电磁辐射，或利用TDK的电磁屏蔽材料和技术使EMC测试达标。

                               
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TDK公司的10m电波暗室模型

TDK可提供零部件特性分析软件SEAT，可在软件上模拟电感器、电容器、以及共模滤波器、压敏电阻的特性，不仅可以缩短设计、开发时间，还可以做为探索最优EMC元件的辅助工具使用。


软件收录3100件以上的元器件参数，包括电感器、电容器、铁氧体磁珠、3端子滤波器、共模滤波器、压敏电阻等，可以显示器件的阻抗、S参数以及混模S参数等特性，还支持多端口元件的分析。丰富的模拟功能包括：支持脉冲响应模拟-差动线，评估TDR模拟元件的特性阻抗，评估电感器和电容器特性模拟直流偏压特性、温度特性、温升特性。SEAT还具有强大的检索功能，不仅可以通过品名和额定值进行检索，还可根据频率特性进行检索。


德国奥尔托、法国Siepel等公司也有大型电波暗室，但这些公司专注于设计和制造电波暗室，无法为客户提供解决EMC问题的材料和设计方法。用户常常还需要接收机、天线、信号源、功率源、EMC附件、吸收式功率钳、屏效测试系统等设备，来构建电波暗室。此外，国家电力公司自动化设备电磁兼容实验室、中国计量科学研究院、倍科电子等单位也可以提供电波暗室等EMC测试服务、技术咨询和测试评估。


业界已经有了比较成熟的解决EMC的方法和工具，但在元器件方面，TDK、村田制作所等日本企业处于领先地位，特别是在器件的小型化方面。TDK公司的特点是可以提供包括元器件、磁性材料、电波暗室、分析软件、测试服务等在内的完整EMC解决芳案，具有非常丰富的设计经验和方法，可以帮助用户顺利完成设计和测试。


用户对EMC设计的要求重点常有不同，应该利用屏蔽、滤波、接地等技术，采用合适的滤波器、导电薄膜、金属箔等材料，以及电波暗室等测试手段，采用综合方案来完成成功的EMC设计。