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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9月 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 EUT EUT 骚扰源 传输途径 敏感设备 空间辐射的电磁波导线传导的电压电流 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 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 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 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 减小差模电流辐射的措施 尽量减小环路面积 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频率的10倍或者为1 tr tr为脉冲的上升沿时间 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 骚扰的频谱分析 续 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求 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分析有一定难度 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 共模电流辐射的判断 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 产生共模电流辐射的条件 共模源 由差模源 有用信号源 驱动产生基本驱动模式 电流驱动模式 电压驱动模式共模天线 不对称振子天线 设备的外部连接线 设备内部印刷板的地线 电源面 机壳 散热片 金属支撑架等等 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 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 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 屏敝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 带共模去耦器的插座 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 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 因此相互间的电磁干扰常用 电容耦合代替电场干扰 电感耦合代替磁场干扰 从而把场的问题转化为路的问题 简化了计算 近场与远场的比较 近场电磁耦合的抑制方法 减小环路面积 避免环套环 不相容的电路应远离 不相容的信号线不要平行走线 更不能绑扎在一起 分布在不同层上的信号线走向应相互垂直 采用屏蔽的方法屏蔽电缆 单端接地 电场屏蔽双端接地 磁场屏蔽双绞线 磁场屏蔽 导线的共阻抗耦合 共电源阻抗耦合解决办法 去耦电容 减少供电线路阻抗 不相容电路各自供电 共地线阻抗耦合解决办法 分地单点并联接地单点串联接地多点接地 传输线阻抗对信号完整性的影响 短线 l 20或td tr 4 振荡长线时由于阻抗不匹配产生的反射 地环路干扰 产生原因 地电位差 周围强场 共模骚扰电流在负载上产生的差模骚扰电压 才能起到干扰作用 地环路干扰的抑制 采用平衡电路隔离变压器共模扼流圈光电耦合器光纤传输 敏感设备受干扰的基本原理 设备内的天线是互易的 既可发射 也可接受 空间电磁波的接收 磁场天线 电场天线 对应于EMS测量中的 RS ESD等 导线传导骚扰的接收 主要是以共模方式进入的骚扰 对应于EMS测量中的 CS EFT 浪涌等 共模传导骚扰的加入 敏感设备的抗干扰措施 设备的抗干扰措施和抑制设备的电磁发射措施往往是互易的 正确的屏蔽 滤