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电磁兼容设计 沙斐北京交通大学电磁兼容实验室2005年11月 电磁兼容技术术语 电磁骚扰emd electromagneticdisturbance 是 任何可能引起装置 设备或系统性能降级或对有生命或无生命物质产生作用的电磁现象 电磁骚扰可能是电磁噪声 无用信号或传播媒价自身的变化 电磁干扰emi electromagneticinterference 是 电磁骚扰引起的设备 传输通道或系统性能的下降 电磁兼容emc electromagneticcompatibility 一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态 电磁兼容技术术语 静电放电 esd 有着不同静电电压的物体在靠近或接解时引发的静电荷转移 受试设备eut equipmentundertest 受试设备 试样 是 待试验或正在试验中的装置 设备 分系统或系统 电磁敏感性ems electromagneticsusceptibility 在存在电磁骚扰的情况下 装置 设备或系统不能避免性能降低的能力 emc要求 元器件 电路 设备 系统 都必须互不干扰 正常工作 达到电磁兼容 构成干扰三要素 骚扰源传输途径敏感设备 空间辐射的电磁波 eut eut 传输途径 一 空间辐射差模电流辐射和共模电流辐射远场 电磁感应近场 电磁耦合二 导线传导共阻抗耦合共电源线差模方式共地线差模方式地环路干扰地电位差共模方式周围强场共模方式 共模和差模 差模电流 线 线电流 大小相等方向相反差模电压 线 线间电压共模电流 二线间方向相同共模电压 线 线间电压有用信号都是差模的 骚扰可能是差模的 也可能是共模的 图2 15共模电流与差模电流的转换 空间辐射电磁波 电场天线高电压小电流磁场天线低电压大电流根据麦克斯韦方程 变化电场产生变化磁场 变化磁场产生变化电场 设备内每个电路都可能是天线 机壳和电缆都可能是天线的一部分 波阻抗与距离的关系 设备内天线示意图 信号源 传输线 负载组成电流环路 包括信号环路 电源供电环路 输入和输出环路 当负载阻抗小 环路电流大 电压低时相当于磁场天线 当负载阻抗大 环路电流小 电压高时相当于电场天线 磁场天线的差模电流辐射 平行双线环路在远场时的电场强度e a f2例 a 1cm2 i 100ma f 50mhz 测量距离r 3me 40 8db v m 40db v m 超过gb9254规定的b级产品辐射限值 减小差模电流辐射的措施 尽量减少环路面积 图6 42地线的梳形结构和井字形网状结构 a 梳形结构 b 井字形网状结构 图6 38高速线不应跨越地层隔缝 a 地层中高速回流的可能途径 b 高速回流线由于地层隔缝引起的环路面积扩大 频率越高 辐射越强 尽量减小有用信号的高次谐波成分 信息技术设备的工作信号是数字脉冲信号 具有很宽的频带 从电磁兼容角度应该考虑的最高频率为时钟脉冲的上升沿时间 即脉冲的前沿越陡峭或脉冲的重复频率越高 则脉冲包含的高频能量越大 骚扰的频谱分析 矩形脉冲 1v 1 s 的频谱 骚扰的频谱分析 续 八种脉冲频谱的比较 采取屏蔽方法 机箱的屏蔽效能由孔缝直径决定 机箱孔缝等效于二次发射天线 孔缝长度等于半波长的整数倍时 漏泄能量最大 对于固定的孔缝长度 频率越高 泄漏越严重 机箱屏蔽的改进 设计中使缝隙尺寸满足要 商用设备 d 20 20db军用设备 d 50 28db 显示窗可使用屏蔽玻璃 接缝处应良好搭接 缩短连接螺丝的间距 可使用导电衬垫 采用波导设计 通风窗可使用波导管 分布电容和分布电感 任何二金属间都存在分布电容和电感 各种传输线的分布参数 各种传输线的分布参数 续 分布参数是固有的特性参数 只与二金属的物理尺寸 相对位置有关 分布参数是造成emc问题的主要原因 实际设备中 各种元器件 传输线 机箱间的分布参数很难计算和测量 因此emc分析有一定的难度 lc 常数 特性阻抗z 电场天线的共模电流辐射 任何二点间有电位差就是共模源 如果二点有引线出去就是共模天线 当频率达到mhz级时nh的分布电感和pf级的分布电容都将对共模辐射产生重要影响 设备的共模天线的一极往往是印刷板的地和机箱 另一极是连接电缆中的地线 由于线间电容之间的耦合 整条电缆上都污染上了共模电流 连接电缆上的共模电流辐射往往是造成设备辐射超标的主要原因 机箱无法屏蔽 图2 28计算机在3m处的辐射噪声 a 没有接外射线 b 接上打印机线 共模电流辐射的判断 连接电缆短于的辐射场强 e e i f 差模电流辐射和共模电流辐射的比较示例 扁平馈线中抽取相邻的两根导线 线长1米 导线对上分别加以共模和差模电流 在离导线对3米处按gb9254规定测量骚扰场强 实验表明如果该处场强要达到b类设备的限值 30 230mhz时为40db v m 则差模电流要求为20ma 而共模电流只要8 a 两者相差2500倍 共模电流辐射的基本模式 电流驱动和电压驱动 1 电流驱动模式 信号电流 环路电感 共模源 不对称电场天线 图2 29电流驱动产生共模辐射原理图 a 原理图 b 等效天线 图2 31电流驱动方式实例图2 30分地引起的共模辐射 2 电压驱动模式 信号电压 架空金属对地的电位差 共模源 耦合电容c 不对称电场天线 图2 32电压驱动产生图3 33电压驱动方式实例共模辐射原理图 图7 26开关管和散热片之间的静电屏蔽 a 接线示意图 b 实物图 共模电流辐射的抑制方法 使用铁氧体磁环共模去耦电容共模电源滤波器采用屏蔽电缆 屏蔽连接器改进产品内部结构的设计与布置 铁氧体滤波器及其等效电路 图17铁氧体滤波器及其等效电路 抑制原理和注意事项 铁氧体磁环在高频时呈电阻性 所以能消耗高频共模电流 共模电流在连接线上是有一定分布的 因此铁氧体磁环应放在电流较高的位置上 一般放在连接线的引出处 铁氧体磁环是否起作用取决于共模天线的阻抗 专用emc地 图14emc地和共模去耦电容 带共模去耦器的插座 图6 3滤波连接器的结构 共模滤波器 图15电源滤波器的典型结构 滤波器的正确安装 图16电源滤波器的正确安装 采用屏蔽电缆和屏蔽连接器 如果要求传输信号的速成率较高 边缘较陡 则串接滤波器就可能把有用信号的高频部分也滤掉 从而影响信号的正常传输 这时就只能采用屏蔽的方法 屏蔽层应保持电连续性和一致性 要求电缆屏蔽层和连接器插头的金属外壳要有360度的完整搭接 不能出现 猪尾巴 现象 图5 34屏蔽电缆接头处的 猪尾巴效应 图5 36多芯片屏蔽电缆的端接 改进产品内部结构的设计与布置 印制电路板设计 尽量减小供电环路和信号环路的面积 尽量减小回流地线的阻抗 在pcb的上方不允许有任何电气上没有连接并悬空的金属存在等等 各部件和电路的安排相互连接线的布置 设备内的近场电磁耦合 设备内各个环路之间的电距离较短 一般为近场 近场的场型很复杂 不易计算 因此