EMC问题对电子系统的挑战.docx

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EMC问题对电子系统的挑战

ＥＭＣ问题对电子系统的挑战

在不久的将来，电子系统的电磁兼容（ＥＭＣ）问题比起今天来说，会令我们面临更大的挑战：

即便是我们现在已经掌握了与电磁环境相关的理论，情况也是如此。

本文将立足于今天的现状，面向未来探讨几个重要的问题。

我们的讨论涉及到四个基本内容：

  a.什么是ＥＭＣ？

  b.ＥＭＣ的现状如何？

  c.ＥＭＣ的发展方向如何？

  d.怎样解决将来的ＥＭＣ问题？

  因为本文作者是国际电工委员会（ＩＥＣ）电磁兼容咨询分会（ＡＣＥＣ）的主席，所以本文论述的重点集中在ＩＥＣ的工作领域内。

在过去的十年里，ＩＥＣ在发展和改进ＥＭＣ标准方面做出了许多卓有成效的工作。

１ＥＭＣ的定义

  电磁兼容描述的是这样一种状态，在这种状态下，由自然现象以及其它电气和电子设备及系统不造成干扰。

当然，为了达到这种状态，我们必须减少可控源的辐射，或者提高有可能被影响的设备的抗干扰能力，或者两者兼而有之。

  很重要的是，上面定义的ＥＭＣ并不能完全阻止干扰的发生。

由不同源产生的干扰是变化的，例如，电源线上的放电脉冲与放电电流的等级以及它距离房间和办公室的远近有关。

另外，某装置上特定部件的抗干扰能力也是多种多样的，例如，电路板上的感应电压与入射电磁场（ＥＭ）的入射角度和极化方式密切相关。

认识到这一点，对于某种特定类型的干扰不但可以在辐射和抗干扰之间实现一种平衡，而且能够在很大程度上避免ＥＭＣ问题的发生，但毕竟不是全部。

  当我们试图通过进一步减小辐射并且提高抗扰度来消除所有干扰的时候，其结果很可能会导致工业的高投入，或是会阻止新技术的涌现。

例如，为了让用户可以将他们的蜂窝电话搁置在任何电子装置上面，人们对蜂窝电话的发射功率做了限制，这样就要兼顾通信系统的性能和经济寿命。

另一方面，如果对所有的商用电子设备均要求能够在５０Ｖ／m的环境等级中无故障地工作，会对产品制造商带来沉重的经济负担。

较好的折中办法是提醒用户合理地使用限制（尽管当故障会对人身安全造成威胁时，仍需要较高的抗扰等级）。

２ＥＭＣ的现状

  当今ＥＭＣ领域的工作重心是标准化，特别是在各种国际组织的内部。

世贸组织的要求以及减少全球贸易壁垒的普遍愿望使得我们注重于颁布与执行国际标准的方面。

当然，很明显的是区域性的发展，例如在ＥＭＣ方面的欧洲指令，已极大地影响了标准化的进程。

  在国际性的标准化组织中，ＩＥＣ承担了大部分的ＥＭＣ标准化工作。

国际标准化组织（ＩＳＯ）和国际电信联盟（ＩＴＵ）也正在做着卓有成效的努力。

  ＩＥＣ和它的两个主要的同级ＥＭＣ委员会——国际无线电干扰特别委员会（ＣＩＳＰＲ）和第７７技术委员会——已经制定了，并且还在不断地制定范围广泛的基本ＥＭＣ标准，这些标准对一些测量和测试方法做出了规定，而这些方法对于制定可靠的技术标准来说是必不可少的。

在辐射标准的方面，ＣＩＳＰＲ和７７Ａ分委会也正在分别制定高频电磁场和低频电源线干扰的辐射限值。

ＡＣＥＣ协调ＩＥＣ内的ＥＭＣ工作并与其它标准化组织建立协作关系，以减少重复性的工作。

  ＩＳＯ和ＩＴＵ正在分别努力研究主要涉及移动交通工具和通信系统的ＥＭＣ标准。

特别是，ＩＳＯ正在积极地制定汽车、航空和航天方面的ＥＭＣ标准；而ＩＴＵ主要涉及新出现的通信设备的ＥＭＣ标准制定，其中包括无线技术和有线技术。

这两家组织都与ＩＥＣ进行协作，以尽可能地减少制定出的基本ＥＭＣ标准的数量。

这样做的目的在于，不至于因为相互冲突的标准而导致在工业上需要对相同或相似的设备进行重复测试和认证。

  已制定的国际标准的一个重要方面就是它们执行的自愿性。

不过，商业合同和地区性的标准化组织也许需要强制执行ＥＭＣ标准。

ＩＥＣ已经将其ＥＭＣ标准化工作放在四个主要的方面。

其正在全力制定：

  a.所有产品的辐射限值；

  b.基本ＥＭＣ标准，包括针对发射和抗扰的测试与测量方法；

  c.普通ＥＭＣ标准，其中规定了针对发射和抗扰的一系列“基本”实验设置、测试方法以及适用于不同环境（如住宅）的测试等级；

  d.产品ＥＭＣ标准，这类标准要么是针对某一些类型的产品制定，要么针对某一特定的产品制定（同样包括发射与抗扰度两个方面）。

  前面已经提到，ＡＣＥＣ协调ＩＥＣ内的ＥＭＣ工作。

由咨询委员会拟定ＩＥＣ１０７指南，指导ＩＥＣ委员会的ＥＭＣ标准制定工作。

为了完成这项工作，ＡＣＥＣ每年举行两到三次会议商讨ＩＥＣ内外的ＥＭＣ标准化进展。

每次会议之后，ＡＣＥＣ向ＩＥＣ执行委员会提出建议，以供参考。

ＡＣＥＣ的成员由ＥＭＣ领域的技术专家以及制定基本、产品ＥＭＣ标准的ＩＥＣ主要委员会的代表组成。

  标准化工作面临的主要困难是如何将辐射限制和基本标准转化成产品标准。

尽管ＣＩＳＰＲ在建立高频辐射限制方面已经做出了可观的努力，但相应的产品标准中的很多情况都被忽略或是被不正确的使用着。

不幸的是，在产品标准出版之前，这些错误经常不会被发现，因此改正它们就需要花上几年的时间。

ＡＣＥＣ正在制定一个规程，以便解决这个问题。

主要是通过追踪处于开发阶段的产品标准，提高其中ＥＭＣ条款的准确性来达到这个目的。

  电子设备产生的工频谐波是我们关心的一个新问题。

由于使用开关电源的电子设备大量应用，使得大量谐波通过电源网络向外传播，并对其它的用户设备两者需要的标准制定工作正在进行之中。

  开发适用于测试频率高于１ＧＨｚ的基本测试方法同样也成为我们关心的一个内容。

由于比起以前来说有更多的计算机设备工作在更高的频率，所以对这方面的要求是很迫切的。

新的测试方法比如混响室，在频率的高端具有很大的优势，即可以用较少的测试时间，覆盖更大的入射角度和更复杂的极化方式。

ＩＥＣ正在制定一项基本标准６１０００－４－２１，准备将混响室定为可供选择的测试方法之一。

３技术的发展趋势与ＥＭＣ

  技术领域内当前的几种重要的趋势很有可能持续发展到未来。

最明显的就是在家庭、商业、工厂和交通工具中微处理器使用程度的不断加大。

  3.1微处理器应用的扩展多数家用电器中安装的微处理器使它们明显“聪明”多了。

现在有可能购买内置了电脑的冰箱。

甚至有设想认为冰箱应该发展到这种程度；当里面的食物吃光了的时候，它能够通过因特网发出购物请求。

这些智能设备的发展带来的兼容性问题也许最初并不明显，但请不要忘记ＥＭＣ在某种程度上取决于发射设备与敏感设备间的距离。

将来，在多种电子设备房间内会有更多的发射和敏感设备，相应的问题也就随之而来。

消费者会知道分开安装的设备可能减少干扰问题吗？

  尽管固化微处理器可以解决ＥＭＣ问题，然而当一个有限空间内聚集了数量众多的便携式发射机时，会发生什么呢？

显然，移动蜂窝增加。

现在，随着蓝牙技术的出现，在几乎所有的电子设备都可能出现这种新的发射装置。

  蓝牙是一种使用2.4GHｚＩＳＭ（工业、科学和医药设备）频段，在范围大致为３０m内的电子设备间自动进行通信的无线跳频技术规范。

世界范围内超过１２００家公司已经接受了蓝牙的操作规范。

到２００４年，将有四亿台设备使用蓝牙。

  显然，当暴露在入射无线信号下时，采用蓝牙技术的设备应该可以正常工作。

但我们不能够确定的是，临近的其它非蓝牙设计的设备能否不受干扰地工作。

另外，蓝牙自身在微波炉附近不能正常工作。

虽然在开发蓝牙的过程中就已经考虑了微波炉产生的场强等级，然而不同类型的食物烹制仍然会降低通信的性能。

  3.2更高的工作频率技术领域内另一个发展趋势是推向市场的产品的工作频率处在不断的提高之中。

蜂窝电话的工作频率超过了１ＧＨｚ，蓝牙将工作在2.4ＧＨｚ，与卫星通信有关的设备工作在１０ＧＨｚ，汽车雷达系统涉及的频率高于４０ＧＨｚ。

频率的增高会带来问题。

频率越高，波长越短，比较低的频率更容易穿透设备机箱的缝隙与开孔。

１００ＭＨｚ的波长是３m，１ＧＨｚ是３０m，１０ＧＨｚ是３cm。

在金属机箱上缝隙长２cm、宽１mm的情况下，对开孔后３cm处每种场的衰减进行了计算，其分别为７９、５９、３９dB。

除了由高频带来的干扰环境的加剧之外，时钟频率为１ＧＨｚ的新型微处理器的发展在电子系统的运行当中还造成了直接干扰的可能，这里也包括发射和抗扰两方面。

  ３.3大型设备与系统ＥＭＣ标准化进程已经成功地制定了用于评定设备和小型系统合格率的测试方法。

但是，制定用于评定大型设备或初次安装系统抗干扰度的标准方法是比较困难的。

尺寸是很大的困难因素；大型的测试装置造价昂贵，开阔场地的抗扰度测试会影响其它的非受试设备。

甚至发射测试也会有问题产生。

在受试设备已被安装到现场环境的条件下，想要建立某一特定部件的发射等级是很困难的，因为其它的非受试设备会对测量产生相同的发射。

  ３.4人体健康与ＥＭ场人们感兴趣的另外一个领域是电磁（ＥＭ）场的安全问题。

相关的警告来自两个主要方面：

首先，ＥＭ可能对人体健康造成直接影响。

公认的健康危害就是由ＥＭＦ（电磁场）带来的。

非电离辐射政策国际委员会和世界卫生组织最近的ＥＭＦ活动已经使得ＩＥＣ主动制定测量标准支持这些组织。

ＡＣＥＣ特别工作组主席Ｇ.Goldberg负责辅助确立ＩＥＣ建立１０６技术委员会来研究ＥＭＦ的测量方法。

  与此相关，电磁场的干扰可能造成电子系统的故障，带来安全隐患，例如，在工厂里打蜂窝电话可能会引起工业机器人的误动作，伤害到工人。

ＩＥＣ在这方面也开始有所作为，详情可见Goldberg最近的一篇论文。

  其次，电磁场安装还涉及到有意的ＥＭＩ问题。

设想这样一种情况：

在一幢商业大厦里，电子系统受到高强度的瞬变ＥＭ的攻击，就可以破坏设备的正常工作。

如果罪犯或恐怖分子利用这种手段袭击交通工具如飞机或汽车的话，就会危及到公众的人身安全。

ＩＥＣ７７Ｃ分委会正在研究这个问题，试图建立对这种威胁的预防和应对方案，保证ＥＭ恶意攻击下设备和系统的安全。

  3.5不断缩短的产品寿命上面提到的大多数的技术发展趋势都与ＥＭＣ标准化工作的结构侧重相适应。

如前所述，通过在干扰源和敏感设备间寻找平衡的办法（降低发射限值，提升抗扰等级）来获得ＥＭＣ，一直都会是ＥＭＣ标准化进程中的一个问题。

  由于技术领域里的飞速发展，从产品概念的形成、开发生产，甚至产品的生存寿命，这一系列的时间周期都大大地缩短了，这对标准的制定工作带来了更多的困难。

技术的突飞猛进使得ＥＭＣ标准化组织能够用于评定新技术ＥＭＣ性能的时间越来越紧迫。

当产品周期比对这项产品制定标准需要的时间还短的时候，不稳定的因素就出现了。

另外，当公司只开发新的电子产品和工艺技术而不参与标准化工作，设备之间的干扰的可能也会同样地增多起来。

  ３.6ＥＭＣ从业人员缺乏最后，ＥＭＣ标准化进程的结构问题本身在不远的将来也可能变成问题之源，从产品开发到标准制定的各个领域ＥＭＣ专家将成为首当其冲的问题。

在电磁场相关行业工作的人们可以看到，只有极少量的工程人员被认为是有能力处理ＥＭＣ问题的。

如今，在工业领域中竞争最激烈、待遇最高的是电脑程序员和网络人员。

许多在ＥＭＣ行业工作的人们面临着退休，另外一些希望从事标准化工作的工程师又得不到上司的支持。

  其次的问题来自标准化组织内部。

伴随着数字化浪潮，人们都想拥有最新标准的数字拷贝。

但出于商业目的，ＩＥＣ和它的各级委员会需要通过出售标准盈利，以保证组织的正常运作。

这个问题该如何解决现在还没有达成共识。

４未来ＥＭＣ问题的解决

  未来的ＥＭＣ问题怎样得到解决？

人们建议了许多种方法，其中的一些已经开始得到了应用。

  ４.1保持标准的一致性在ＩＥＣ内部，一个主要的措施就是继续甚至强化ＥＭＣ标准制定工作。

这项工作应该包括更紧密地与ＩＳＯ和ＩＴＵ进行合作，以便于最有效地利用有限的ＥＭＣ人力资源。

主要目的是制定被所有生产厂家都可以使用的简明的发射以及基本的ＥＭＣ测试标准。

另外，在ＩＳＯ及ＩＴＵ内ＩＥＣ１０７指南的应用能够帮助这三个组织提高其制定的ＥＭＣ标准的一致性。

  ４.２新技术的预测第二个办法就是组织ＥＭＣ工程师和专家就可能对ＥＭＣ有影响的新涌现的技术进行评估，这也包括对现有的流行或科技论著象对待刚形成的新思想那样进行评论修订。

在需要的时候，标准审定组织如ＩＥＣ和ＥＭＣ咨询委员会将组织会议或讨论会对现有工作中潜在的问题冲突进行研究探讨。

各大公司对革新技术的追求会促使其与标准化组织合作，以便于从这些组织寻求建议，保证它们的新产品对其他系统可能造成的干扰最小。

  ４.3高频端的标准化测试另一个出成果的领域应该是高频端干扰的标准化测试方法的研究，例如高于１ＧＨｚ的频段。

混响室测试法、横电磁波（ＴＥＭ）小室测试法以及传感器校准的辅助标准等的研究工作将发展得很快。

ＩＥＣ现在的工作应该能够对新产品的飞速发展做出灵敏反映。

  ４.4ＥＭ干扰和设备的功能安全应多注意由电磁干扰造成的复杂功能的紊乱问题，这些会影响正常的安全操作。

尽管这看起来好像是一个典型的安全性问题，但ＥＭ场可通过复杂的方式，能与正在实时交换电子数据的系统相互作用，这应该得到ＥＭＣ专家的足够重视。

其主要困难在于ＥＭ干扰的进入点可能广泛地分布在系统中。

由于这个原因，在研究中，对外来干扰的传统屏蔽方法以及对严格的ＥＭＣ测试程序信赖的做法都是可取的。

  ４.5大型系统的测试关于在大型系统和设备部件的测试、ＩＥＣ和其它标准化组织在未来还需要投入更多的人员进行更深入的研究。

对高强度电磁脉冲（ＨＥＭＰ）环境测试方面已经做出了一些尝试。

因为过去的军用电子系统通常都非常庞大，所以人们建造了ＴＥＭ和辐射模拟器（例见ＩＥＣ６１０００－４－３２）。

世界范围内有很多这种模拟器用来对可搬运的测试对象进行检测。

其中很多也可以用于其它波形和频段的测量。

ＨＥＭＰ行业中另一种通行做法是，采用低电平连续波扫频信号照射系统，以通过测量转移函数来确定系统内潜在的易受干扰的位置。

ＨＥＭＰ及相关辐射干扰的测试方案见ＩＥＣ６１０００－４－２３中的叙述。

４.６建立产品的ＥＭＣ标准新的举措要求将发射限值和基本ＥＭＣ测试标准转化成产品ＥＭＣ标准。

ＩＥＣ组织了一大批专家根据各自的经验对现有产品标准的一致性进行修订。

这种做法的目的是在草样设计的早期阶段就发现问题所在，以便于及时对标准做出改进而不至于延缓研究进程。

另一建议是开发附加的通用标准，以减小产品委员会对特殊应用采纳ＥＭＣ基本标准的需求。

无论何时，只要产品委员会认为给定的通用标准中规定的环境适于设备工作，这种方法就是有效的。

  ４.7ＥＭ防护指南虽然ＩＥＣ和其他标准化组织的大多数标准化工作集中在测试方法上，但如果在ＥＭＣ防护方法上再多做些成绩来的话，将会获得更显著的收益。

正确的ＥＭ屏蔽和电缆滤波有助于解决大多数电磁干扰问题。

有一种办法是准备出一套ＥＭ通用的防护指南，而另一套用于特殊种类设备的ＥＭ防护。

当然，这样做的阻碍在于需要ＥＭＣ专家的卓著贡献，而相关人员（尤其是在标准化领域内）却是严重匮乏的。

  ４.8教育论坛加强对ＥＭＣ问题认识的另一个措施是教育，这可通过面向技术和标准化的研讨会和研究会进行。

电子电气工程师协会的ＥＭＣ分会对其成员在ＥＭＣ复杂性方面的教育工作上做出了显著的成绩。

ＩＥＣ最近举办了一系列的研讨会，旨在向工业领域介绍它的ＥＭＣ标准化现状和发展计划。

这种研讨会预计将一直办下去。

同时，应该鼓励大学开设ＥＭＣ方面的课程，并且聘请有现场经验的人员担任教师。

  ４.9工业界的介入产品的生产流程会告诉生产者，参与制定国际标准会是多么重要。

未来的国际贸易仍会持续发展。

参与制定新ＥＭＣ标准的公司会比其没有参与这一过程的竞争对手拥有显著的优势，前者会在符合要求的产品开发上占据领先地位。

而且，如果没有工业界的参与，制定的标准在测试方法和符合代价上可能都是不实用的。

  ＩＥＣ及其各委员会仍将继续在工业领域推行标准化工作。

顺便说一句，所谓的初步标准会从工业规范中很快地发展起来。

  最后，为了使已经出版的标准能够免费或者以较低的价格在世界流通，必须建立起收费标准的新模式。

需要高素质的ＥＭＣ从业人员制定一致的、高质量的标准。

因此，ＩＥＣ的各委员会面临着这样的抉择：

怎样在不影响工作质量的前提下对标准化工作的盈利行为进行变革。

５结论

  电子产品呈现的发展趋势显然表明了一点：

将来的设备还会产生，并经受更复杂的电磁环境。

ＥＭＣ工程师及科学家们必须投入大量持续的努力，为迎接这种前景做出充分的准备。