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　　國際電子委員會對電磁兼容(EMC)的定義是:“EMC是電子設(shè)備的一種功能,電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能完成其功能,而不產(chǎn)生不能容忍的*”,即電子設(shè)備工作中產(chǎn)生的電磁輻射要限制在一定水平內(nèi),另外,電子設(shè)備本身要有一定的抗*的能力。

　　國標(biāo)GB/T4365-1995【該標(biāo)準(zhǔn)等同于IEC60050(161)】對EMC的定義是:“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力”。

　　這里講的電磁環(huán)境是指存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象,同時也表明電子設(shè)備或系統(tǒng)不僅應(yīng)具有抑制外部電磁*(EMI)的能力,而且所產(chǎn)生的EMI應(yīng)當(dāng)不影響同一電磁環(huán)境中其他電子設(shè)備的正常工作。

　　1 數(shù)據(jù)中心中EMC的現(xiàn)狀

　　目前,信息化產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟中的龍頭產(chǎn)業(yè),各國通信網(wǎng)、計算機網(wǎng)已接入千家萬戶,企事業(yè)單位的辦公室和生產(chǎn)線也采用了各種精密的、智能化的電子設(shè)備。電子設(shè)備的工作場地,從上世紀(jì)60年代的單一的、分散的機房,到現(xiàn)在的幾萬平米的數(shù)據(jù)中心。中的電子設(shè)備越來越靈敏、精密、智能化,但所處的電磁環(huán)境越來越惡化。這種局面對電子設(shè)備本身提出了較高的要求,特別是信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展對電子設(shè)備也帶來了寬帶*和電磁脈沖*。

　　傳統(tǒng)的電子設(shè)備在遭受電磁*時,通常最多造成功能下降。而今天的電子設(shè)備在遭受電磁*時,可能會造成邏輯錯誤或信息丟失,嚴(yán)重時電子設(shè)備死機、自動誤操作、失控,引起整個通信與信息系統(tǒng)的混亂。

　　為了使電子設(shè)備能夠在各種惡劣的電磁環(huán)境或電磁敏感環(huán)境下正常工作,發(fā)達國家早就開始重視電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計與工程。我國也在上世紀(jì)80年代制定了第一個國家級的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)*電*基本測量方法GB/T3907-1983》。2001年12月,為了應(yīng)對日益國際化的需要,強化全民電磁兼容性意識,更快促使國內(nèi)的電磁兼容技術(shù)向前發(fā)展,國家頒布了《強制性產(chǎn)品認(rèn)證管理規(guī)定》—“3C”認(rèn)證。

　　電磁兼容技術(shù)是一門迅速發(fā)展的交****學(xué)科,涉及電子計算機、通信、航空航天、鐵路交通、電子、軍事以及人民生活的各個方面。電磁兼容技術(shù)的三項基本技術(shù)是屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)和接地技術(shù)。

　　在數(shù)字中心的建設(shè)中,數(shù)字計算機系統(tǒng)是不可缺少的,它以高速運行處理和傳輸邏輯信號,在信息傳輸中，數(shù)字脈沖信號容易產(chǎn)生電磁輻射(*),這些電磁發(fā)射信號頻譜成分復(fù)雜，同時還攜帶信息。

　　數(shù)字計算機中應(yīng)用最多的元器件是二極管、集成微分電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路等。它們都是敏感的元器件,特別是MOSD/A電路,它以低電平傳輸信號,屬于低電平系統(tǒng),在電磁環(huán)境中易受*。

　　*對電子設(shè)備中的模擬電路的影響是連續(xù)的,隨著*強度的增大而增大,*消失后可以恢復(fù)到原來狀態(tài)。而數(shù)字電路是邏輯工作方式,存在閾值電平與對應(yīng)的*容限(又稱噪聲容限),它比模擬電路有利的方面是,只有超過*容限的*信號才有危害。不難看出,模擬電路在瞬時*消失后,系統(tǒng)可恢復(fù)正常工作。而在有存儲記憶功能的數(shù)字邏輯電路中,瞬時*消失后,不可能恢復(fù)到原來狀態(tài),存在潛在危險。

　　*有兩大類。一是存在于地球和宇宙的自然*,自然的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的是電磁噪聲。自然*主要分為宇宙*、大氣*、雷電*和熱噪聲;二是人為*,人為*來自兩個方面:有意發(fā)射*源和無意發(fā)射*源。有意*源有廣播、電視、通信、導(dǎo)航等發(fā)射設(shè)備,其頻率范圍在3MHz以上,即在長波到厘米波范圍;無意*源有汽車的點火系統(tǒng)、各種照明裝置、高壓電力線、工業(yè)科學(xué)醫(yī)用設(shè)備以及接收機的本機振蕩輻射,其中有空間輻射和傳導(dǎo)輻射之分,頻率范圍為50Hz～300kHz,屬于超長波范圍。

　　數(shù)字計算機系統(tǒng)的工作頻率范圍很寬(150kHz～500MHz),包含了中波、短波、超短波和微波前端。其間電磁環(huán)境復(fù)雜,被*的可能性極大,當(dāng)電磁輻射空間場強超過126dB時,將對計算機構(gòu)成嚴(yán)重*。由于計算機的高速化、高靈敏化、高密度集成化、小型化、多功能的推廣普及,使電磁環(huán)境更加復(fù)雜,當(dāng)然其電磁兼容性問題變得更加突出。又由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展,使電子計算機、電信設(shè)備發(fā)生了革命性的變化。特別是電子設(shè)備的全面數(shù)字化、智能化,超高速計算機的巨大成功,使得電子信息設(shè)備電磁兼容設(shè)計成為21世紀(jì)的核心技術(shù)之一。

　　要設(shè)計好電子信息設(shè)備的電磁兼容,首先要知道電磁兼容性設(shè)計技術(shù)中的幾個重要方面:

　　(1)傳輸通道的*抑制

　　具體辦法是濾波、屏蔽、搭接、接地、合理布線等;

　　(2)空間分離

　　包括地點位置控制、自然地形隔離、方位角控制、電場矢量方向控制等;

　　(3)時間分離

　　包括時間共用準(zhǔn)則、雷達脈沖同步、主動時間分離、被動時間分離等;

　　(4)頻譜管理

　　包括頻譜規(guī)劃/劃分、制定標(biāo)準(zhǔn)范圍、頻率管理等;

　　(5)電氣隔離

　　包括變壓器隔離、光電隔離、繼電器隔離、DC/DC變換等;

　　(6)其他技術(shù)

　　下面重點討論傳輸通道*抑制中的接地設(shè)計和搭接技術(shù)。

　　2 電磁兼容接地設(shè)計技術(shù)的概述

　　接地技術(shù)是電磁兼容技術(shù)中的一項重要技術(shù),也是任何電子和電氣設(shè)備或系統(tǒng)正常工作時必須采取的重要技術(shù)。它是保護設(shè)備和人身安全的重要手段,也是保障設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容、抑制電磁*、提高其可靠性的重要技術(shù)措施。

　　電磁兼容(EMC)中最為困難的就是接地技術(shù)。根據(jù)幾十年的機房設(shè)計經(jīng)驗,有許多無法控制的因素影響機房的總體性能,而又難以直觀去理解,當(dāng)然也就無法直接定義建模來進行剖析和合理地調(diào)整。這些問題往往與接地有關(guān)。

　　從廣義上講,接地是電氣連接,要么接大地,要么接到一個作用類似大地的結(jié)構(gòu)上。該結(jié)構(gòu)應(yīng)是一個電阻非常低、電容量非常大的物體,能擁有吸收無限電荷的能力,而且在吸收大量電荷后,仍能保持本身電位不變。

　　合理的接地是為*信號提供低阻抗通路,是最有效地抑制電磁*的方法。優(yōu)良的EMC接地設(shè)計可以解決50%的電磁兼容問題(其中包括PCB的接地)。不合理的接地會在兩接地點之間的公共阻抗上產(chǎn)生一個電壓降,從而產(chǎn)生接地*。在EMC設(shè)計中,面對一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)時,沒有一個人能提出一個絕對正確的接地方案,所謂正確的接地方案都會留下些許不足之處。一個在某特定環(huán)境中應(yīng)用較好的接地方案,應(yīng)用到其他場合不一定會有好的表現(xiàn)。所以,在EMC設(shè)計中,采用何種方法接地,要根據(jù)實際情況來決定,任何接地方案都有其應(yīng)用范圍和局限性的問題。接地設(shè)計應(yīng)由具有豐富的成功經(jīng)驗的設(shè)計人員來承擔(dān)。

　　3 電磁兼容接地設(shè)計的要點

　　(1)幾種“地”的定義

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　　地是導(dǎo)電性的土壤,具有導(dǎo)電位,任意點的電位都可看成是零電位;地是導(dǎo)電體、土壤或金屬的殼體,用來作為電流的返回通道,或是作為零電位的參考點。

　　地就是一個導(dǎo)位點或?qū)�位�?作為信號的基準(zhǔn)參考,要求其電位波動小,為電路或系統(tǒng)提供一個參考電位,其數(shù)值可以與大地電位相同,也可以不同,它可以是設(shè)備的外殼、支襯的金屬板或?qū)Ь�、真正的大地。

　　地在電路組合單元或電子系統(tǒng)中是一個非常重要的角色。電路系統(tǒng)中的各部分電流都必須與地線或地平面構(gòu)成電流回路。由于返回路徑上的電流成分復(fù)雜,其幅值和頻率的分布亦較大,為了減小返回路徑上的電位，就要增大返回路徑的截面積。

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　　大地是一個電阻非常低、電容量非常大的物體,擁有吸收無限電荷的能力,而且在吸收大量電荷后,仍能保持本身電位不變,所以把它作為電氣系統(tǒng)中為防止電力設(shè)備遭受雷擊而采取的保護性措施和保護人身安全的一種手段。大地適合做電氣系統(tǒng)中的參考電位體,稱為“電氣地”。隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展,在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和人身安全,已遠遠不能滿足要求。如在通

　　信系統(tǒng)中,大量設(shè)備之間的信號互連,要求設(shè)備有一個基準(zhǔn)“地”作為信號的參考地。隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化,信號頻率越來越高。在接地設(shè)計中,信號之間的互相*等EMC問題必須予以重視。為了不影響電子系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性,高速信號的回流技術(shù)也要引入“地”的概念,這個地就是“物理地”。

　　③接地

　　接地一般是指電路或電子設(shè)備組成的運行系統(tǒng)與“地”之間建立的低阻抗通路。

　　接大地可以用作引導(dǎo)故障或雷擊電流(安全地),也可以使參考地盡可能地接近所連接的地電位(信號地)。要注意上述兩種作用是完全不同的,不能搭接在同一點上使用!

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　　“安全地”是用來引導(dǎo)故障電流、啟動斷路器或熔斷絲,在故障發(fā)生的過渡過程中限制對地電壓;在絕緣被破壞時,進行短路保護、靜電釋放、雷電保護等，既保護人身安全，又保護設(shè)備不受損壞。

　　⑤信號地

　　“信號地”是指電路和電子設(shè)備的信號參考地,是信號電流流回信號源的低阻抗路徑。電路中的電位參考點、線為系統(tǒng)中所有組合單元的所有電路,提供一個電位基準(zhǔn)面或電位基準(zhǔn)網(wǎng),是信號和功率傳輸?shù)墓�共通�?它不僅對噪聲的直接傳導(dǎo)具有直接影響,而且對拾取或感應(yīng)外界電磁噪聲也是舉足輕重的。

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　　為避免*信號直接進入信號電路,采用變壓器隔離、光隔離或繼電器隔離等方式使信號地與其它導(dǎo)體(包括系統(tǒng))的結(jié)構(gòu)地相隔離。組合單元的電路懸浮地使信號地與機殼相絕緣。設(shè)備懸浮地是讓設(shè)備的地線在電氣上與其它導(dǎo)體相絕緣。

　　但是,浮地的一個較大缺點是容易產(chǎn)生靜電荷堆積和靜電放電(EDS)。

　　(2)接地

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　　接地是將電路、設(shè)備或系統(tǒng)與大地或可作為電位公共基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)接近零電阻連接的一門技術(shù)。接地可以理解為連接到一個導(dǎo)電位點或?qū)щ娢幻?它是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位,但不一定是大地電位。接地有設(shè)備內(nèi)部的信號接地和設(shè)備接地之分,兩者的概念不同,目的也不相同。設(shè)備的信號接地,可能是以設(shè)備中的一點或一塊較大的金屬作為信號的接地參考點,為設(shè)備中的所有信號提供一個公共參考電位。在工程實踐中,除了要認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號接地外,通常還將設(shè)備的信號地、機殼與大地連接在一起,以大地作為設(shè)備的接地參考點。

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　　接大地是以大地作為零電位,把電子設(shè)備的金屬外殼、電路基準(zhǔn)點與大地相連。由于大地的電容量非常大,一般認(rèn)為大地的電動勢為零。

　　在電子設(shè)備的測量中,所謂“地”通常不是指真正與地球相連的接地,而是指電路中的公共基準(zhǔn)點,這一點的電壓為零伏,電路中其它各點的電壓都以此點為參考,一般電路圖中所示的各點電壓數(shù)值都是相對于接地端的。

　�、墼O(shè)備的安全接地

　　設(shè)備的安全接地分為兩類：保護接地和防雷接地。

　　保護接地,為產(chǎn)品的故障電流進入大地提供一個低阻抗通道。在電氣設(shè)備發(fā)生故障時,其外殼將會帶電,有人員觸電的危險。為人身安全起見,要求電氣設(shè)備的外殼必須接地。

　　防雷接地,以IEC1024-1所述的建筑物防雷接地主要是通過建筑物地下網(wǎng)狀的接地系統(tǒng)來達到要求的。電子系統(tǒng)防雷時,還要求對相鄰兩建筑物之間通過的電力電纜、通信電纜必須與建筑物接地系統(tǒng)連接起來,但不能形成回路,利用多條平行路徑來減小電纜中的電流。

　　電子系統(tǒng)的接地更應(yīng)注意系統(tǒng)的安全性,并要防止與其他系統(tǒng)的互相*。如果建筑物地下網(wǎng)狀接地系統(tǒng)達不到要求,工作狀態(tài)下的電子系統(tǒng)的接地絕不能直接和防雷地線相連,否則將有雜散電流進入電子系統(tǒng)引起信號*。此時,必須另行設(shè)計電子系統(tǒng)所需的地下接地網(wǎng),同時,要對兩個不同接地網(wǎng),采用正確的接地方式,使其在雷擊狀態(tài)下自動接通。

　　IEC131312-2又提出了采取將建筑物鋼筋連接到金屬框架的措施,使其在建筑物內(nèi)部的電子系統(tǒng)處于用金屬屏蔽的大空間內(nèi)。這樣,由一次閃擊或幾次雷擊的瞬時電流所產(chǎn)生的電磁*將被減小到足夠低的數(shù)值。

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　　為降低交變電場對敏感電路的耦合*,在*源和敏感電路之間設(shè)置導(dǎo)電性好的金屬屏蔽體,使交變電場對敏感電路的耦合*電壓變得很小。在電場平衡狀態(tài)下,無論導(dǎo)體是空心或?qū)嵭?無論導(dǎo)體是否帶電,也不管導(dǎo)體是否處于外電場之中,該導(dǎo)體必定為等勢體,即其內(nèi)部場強為零。屏蔽接地為互連的電線(電纜)及主要機架提供0V參考或電磁*防護。

　�、輩⒖冀拥�(信號電壓參考地)

　　參考接地為產(chǎn)品穩(wěn)定可靠工作提供參考電平,為電源和信號提供基準(zhǔn)電位。其定義為一低阻抗路徑,信號電流經(jīng)此路徑返回電源。系統(tǒng)基準(zhǔn)地與大地相連,可抑制電磁騷擾。如果金屬外殼直接接大地還可以提供靜電電荷的泄放通路,防止靜電電荷積累。同時,為降低接地阻抗,可用旁路電容來減小返回信號電流的幅值。在各組合單元中,低頻和高頻以及功率電路按要求單獨連接(軍內(nèi)和地方要求不一樣)。

　　一般電路單元中的地,不一定是大地,其電位并不等于零,只不過是一根公共連接線。理想的地線,其電位應(yīng)該為零。理想的地線中是沒有電流流動的,如果導(dǎo)體中有電流流動,就不能把它作為地線。大型數(shù)據(jù)中心中的列柜達上百臺,機房中的接地應(yīng)考慮:

　　·電子設(shè)備電磁兼容(EMC)接地的概念(目的和要求);

　　·EMC接地的功能;

　　·EMC接地產(chǎn)生的*;

　　·EMC應(yīng)該遵循的主要原則。

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　　接地線是為電路或系統(tǒng)提供參考電位點和面，并抑制電磁騷擾，為電流流回電源提供一條低阻抗路徑。地線是安全保護、工作穩(wěn)定和EMC的基礎(chǔ)。

　　接地線設(shè)計是一項重要的、難度較大的設(shè)計,設(shè)計時必須做到以下幾點:

　　·保證接地回路具有很低的公共阻抗,系統(tǒng)中各路電流通過該公共阻抗產(chǎn)生的直接傳導(dǎo)噪聲電壓值最小;

　　·有高頻電流的場合,要保證信號地對大地有較低的共模電壓,使通信信號地產(chǎn)生的輻射噪聲最低;

　　·保證地線與信號線構(gòu)成的電流回路具有最小面積,從而使外界*磁場穿過該回路產(chǎn)生的差模*電壓最小,避免內(nèi)部電位差通過地回路引起過大的地電流造成較大的傳導(dǎo)*。

　　·保證人身和設(shè)備安全。

　　4 搭接技術(shù)

　　通常將電氣設(shè)備中的過渡導(dǎo)體,用金屬構(gòu)件連在一起稱為“連接”。

　　將設(shè)備組件、元件與組合單元的金屬外殼或構(gòu)架用電序相近的金屬件連在一起稱為“搭接”。實現(xiàn)低阻抗電流通路的連接及接地是一個物理概念,而搭接是實現(xiàn)這個物理概念的具體手段,在電氣上使它們形成一個連接的整體,避免不同金屬之間出現(xiàn)電位差。這個電位差往往是產(chǎn)生電磁*(EMI)的原因之一。

　　搭接可用于各設(shè)備的金屬機柜(箱)之間、機柜(箱)到接地平面、信號回線到地線和電纜屏蔽層到地線之間、接地平面與大地和地網(wǎng)或地基之間以及各類屏蔽室與大地之間。在艦船、飛機和飛船上搭接的應(yīng)用十分普遍。

　　根據(jù)搭接的不同目的,通常會給搭接規(guī)定一個最大電阻值(一般為毫歐級)。

　　設(shè)備進出建筑物的各種管線以及機房內(nèi)裸露金屬與建筑物鋼筋相連或與機房內(nèi)的環(huán)型接地母線相連,以防止它們之間出現(xiàn)的電位差的搭接,實現(xiàn)可導(dǎo)電部分的電位基本相等的電氣連接稱為“等電位搭接”。這樣,在浪涌發(fā)生時,機房內(nèi)的各設(shè)備電位大致相等,可防止出現(xiàn)(除電子系統(tǒng)設(shè)備外)不同設(shè)備與建筑物件的危險電位差,避免發(fā)生放電現(xiàn)象。參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,按工程實例情況,經(jīng)科學(xué)分析后,在不同區(qū)域分界面,采用導(dǎo)電位搭接。電子設(shè)備的信號接地平面,通過浪涌保護器與機房內(nèi)的環(huán)型地采用星型結(jié)構(gòu)分別一點接地,以防止出現(xiàn)回路。