电磁兼容性知识讲座.ppt

电磁兼容基础 电磁兼容基础 中国赛宝实验室电磁兼容研究与测试中心 朱文立TEL 020 87237656FAX 020 87236171E Mail zwl ceprei biz 电磁兼容基础 电磁兼容基础 1 概述1 1什么叫电磁兼容1 1 1电磁兼容的定义1 1 2电磁兼容的研究领域1 2实施电磁兼容的目的1 2 1电磁干扰及其危害1 2 2国家标准及国际标准的要求 电磁兼容基础 1 1什么叫电磁兼容 1 1 1电磁兼容的定义国家标准GB T4365 1995 电磁兼容术语 设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 电磁兼容基础 1 1 1电磁兼容的定义 续 军用标准GJB72 1985 电磁干扰与电磁兼容性名词术语 设备 分系统 系统 在共同的电磁环境中能一起执行各自的功能的共存状态 即 该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级 它也不会使同一电磁环境中其他设备 系统 分系统 因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级 电磁兼容基础 特色定义 电磁兼容是研究在有限的空间 有限的时间 有限的频谱资源条件下 各种用电设备 分系统 系统 广义的还包括生物体 可以共存并不致引起降级的一门科学 1 1 1电磁兼容的定义 续 电磁兼容基础 要素 电磁环境是由空间 时间 频谱三个要素组成的 要解决电磁兼容问题 离不开空间 时间 频谱这三要素 这也就是我们说的电磁环境 电磁兼容要求 在共同的电磁环境中 任何设备 分系统 系统都应该不受干扰并且不干扰其他设备 1 1 1电磁兼容的定义 续 电磁兼容基础 1 1 2电磁兼容的研究领域 电磁兼容涉及的问题可以归结为五大方面 1 1 2 1骚扰源特性的研究包括电磁骚扰产生的机理 频域与时域的特性 表征其特性的主要参数 抑制其发射强度的方法等等 1 1 2 2敏感设备的抗干扰性能在电磁兼容领域中 被干扰的设备或可能受电磁骚扰影响的设备称为敏感设备 或者在系统分析中称为骚扰接收器 如何提高敏感设备的抗干扰性能 是电磁兼容领域中的研究问题之一 电磁兼容基础 1 1 2电磁兼容的研究领域 续 1 1 2 3电磁骚扰的传播特性研究电磁骚扰如何从骚扰源传播到敏感设备上去 包括辐射与传导 电磁兼容领域中传播特性研究的特点 源的非理想化 源的频域 时域特性的复杂性以及源的几何参数的复杂性 以及宽的频率范围 1 1 2 4系统内与系统间的电磁兼容性在一个系统之内或系统之间 电磁兼容的问题往往要复杂得多 干扰源可能同时也是敏感设备 传播的途径往往是多通道的 干扰源与敏感设备不只一个等等 这就需要我们对系统内的或系统间的电磁兼容问题进行分析与预测 电磁兼容基础 1 1 2电磁兼容的研究领域 续 1 1 2 5电磁兼容测量包括测量设备 测量方法 数据处理方法以及测量结果的评价等等 由于电磁兼容问题的复杂性 理论上的结果往往与实际相距较远 因而使得电磁兼容测量显得更为重要 电磁骚扰源在频域与时域特性的复杂性 为了各个国家 实验室测量结果之间的可比性 必须详细规定测量仪器的各方面指标 并且各个国家仪器指标应该严格地相同 当前标准中采用的表征电磁噪声的参数 例如 峰值 准峰值 有效值 平均值 都是用等效于某一个特定参数的正弦信号定标的 亦即 测量得到的电磁噪声电平是等效于某个正弦信号的 电磁兼容基础 1 2实施电磁兼容的目的 1 2 1电磁干扰及其危害在电磁环境中 电磁干扰造成的危害是各种各样的 可能从最简单的令人烦恼的现象直到严重的灾难 下面还可以举出一些电磁干扰可能造成的危害 干扰电视的收看 广播收音机的收听 在数字系统与数据传输过程中数据的丢失 在设备 分系统或系统级正常工作的破坏 电磁兼容基础 1 2 1电磁干扰及其危害 续 医疗电子设备 例如 医疗监护仪 心电起搏器等 的工作失常 自动化微处理器控制系统 例如 汽车的刹车系统 防撞气囊保护系统 的工作失控 导航系统的工作失常 起爆装置的无意爆炸 工业过程控制功能 例如 石油或化工 的失效 除以上所举的例子之外 强电场还会对生物体造成影响 电磁兼容基础 1 2 2国家标准及国际标准的要求 由于电子设备的发展及广泛应用 造成了复杂的电磁环境 干扰日益严重 这就促使电磁兼容EMC ElectromagneticCompatibility 技术的出现并迅速发展起来 相应的国家及国际标准出台则使对电磁兼容管理提高到法律的高度 从而进一步地促进了电磁兼容的发展 电磁兼容基础 1 2 2国家标准及国际标准的要求 续 现在各国家 军队部门以及世界组织均成立了相应的管理组织或部门 出台了许多有关标准 规定和措施 例如欧洲的CE指令 美国的FCC联邦法规都有相应的电磁兼容要求 我们国家对产品的电磁兼容性能也制订了一系列强制性或推荐性标准 并通过市场监督抽查和即将强制实施的电磁兼容认证等措施来保证市场销售的产品的电磁兼容符合性 产品的电磁兼容符合性是国家标准及国际标准的要求 电磁兼容基础 2电磁兼容基础知识 2 1基本名词术语2 2电磁兼容测试中常用单位2 3电磁干扰形成的三要素2 4电磁骚扰合格评定的80 80 准则2 5电磁抗扰性的试验结果表述 电磁兼容基础 2 1基本名词术语 2 1 1 电磁 发射 electromagnetic emission 从源向外发出电磁能的现象 电磁兼容中的发射既包含传导发射 也包括辐射发射 2 1 2 性能 降低degradation ofPerformance 装置 设备或系统的工作性能与正常性能的非期望偏离 此种非期望偏离 指向坏的方向偏离 并不意味着一定会被使用者觉察 但也应视为性能降低 2 1 3电磁骚扰electromagneticdisturbance 任何可能引起装置 设备或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象 电磁骚扰可能是电磁噪声 无用信号或传播媒介自身的变化 电磁骚扰还包括了无用信号 电磁兼容基础 2 1基本名词术语 续 2 1 4电磁干扰electromagneticinterference 电磁骚扰引起的设备 传输通道或系统性能的下降 由以上两个术语可见 电磁骚扰仅仅是电磁现象 即指客观存在的一种物理现象 它可能引起降级或损害 但不一定已经形成后果 而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果 2 1 5电磁噪声electromagneticnoise 一种明显不传送信息的时变电磁现象 它可能与有用信号叠加或组合 一般可以认为无线电频率从10kHz开始向上 而 电磁 现象则包括所有的频率 除包括无线电频率之外 还包括所有的低频 包括直流 电磁现象 电磁兼容基础 2 1基本名词术语 续 2 1 6电磁环境electromagneticenvironment 存在于给定场所的所有电磁现象的总和 给定场所 即 空间 所有电磁现象 包括全部 时间 与全部 频谱 2 1 7无用信号unwantedsignal undesiredsignal 可能损害有用信号接收的信号 2 1 8干扰信号interferingsignal 损害有用信号接收的信号 比较以上两条术语可见 差别仅在于无用信号是 可能损害 而干扰信号是 损害 表明无用信号在某些条件下还是有用的无害的 而干扰信号任何情况下都是有害的 电磁兼容基础 2 1基本名词术语 续 2 1 9 对骚扰的 抗扰度immunity toadisturbance 装置 设备或系统面临电磁骚扰下降低运行性能的能力 2 1 10 电磁 敏感性 electromagnetic susceptibility EMS 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 注 敏感性高 抗扰度低 抗扰度与敏感性都反应的是装置 设备或系统的抗干扰的能力 仅仅是从不同的角度而言 在国际与国内 军用标准体系常用敏感性这一术语 而民用标准体系惯用抗扰度一词 2 1 11 时变量的 电平level oftimevaryingquantity 用规定方式在规定时间间隔内求得的诸如功率或场参数等时变量的平均值或加权值 电磁兼容基础 2 1基本名词术语 续 2 1 12骚扰限值 允许值 limitofdisturbance 对应于规定测量方法的最大电磁骚扰允许电平 2 1 13干扰限值 允许值 limitofinterference 电磁骚扰使装置 设备或系统最大允许的性能降低 2 1 14 电磁 兼容电平 electromagnetic compatibilitylevel 预期加在工作于指定条件的装置 设备或系统上规定的最大电磁骚扰电平 注 实际上电磁兼容电平并非绝对最大值 而可能以小概率超出 电磁兼容基础 2 1基本名词术语 续 2 1 15 骚扰源的 发射电平emissionlevel ofadisturbancesource 用规定的方法测得的由特定装置 设备或系统发射的某给定电磁骚扰电平 2 1 16 来自骚扰源的 发射限值emissionlimit fromadisturbsource 规定电磁骚扰源的最大发射电平 2 1 17发射裕量emissionmargin 装置 设备或系统的电磁兼容电平与发射限值之间的差值 电磁兼容基础 2 1基本名词术语 续 2 1 18抗扰度电平immunitylevel 将某给定的电磁骚扰施加于某一装置 设备或系统而其仍能正常工作并保持所需性能等级时的最大骚扰电平 也就是说 超过此电平 该装置 设备或系统就会出现性能降低 而敏感性电平 是指刚刚开始出现性能降低的电平 所以对某一装置 设备或系统而言 扰抗度电平与敏感性电平是同一个数值 2 1 19抗扰度限值immunitylimit 规定的最小抗扰度电平 电磁兼容基础 2 1基本名词术语 续 2 1 20抗扰度裕量immunitymargin 装置 设备或系统的抗扰度限值与电磁兼容电平之间的差值 2 1 21 电磁 兼容裕量 electromagnetic compatibilitymargin 装置 设备或系统的抗扰度限值与骚扰源的发射限值之间的差值 2 1 22骚扰抑制disturbancesuppression 削弱或消除电磁骚扰的措施 骚扰抑制是加于电磁发射器 源 上的措施 2 1 23干扰抑制interferencesuppression 削弱或消除电磁干扰的措施 干扰抑制是加于敏感设备 被干扰对象 上的措施 电磁兼容基础 几个术语之间的相互关系 电磁兼容基础 电磁兼容基础 2 2电磁兼容测试中常用单位 在电磁兼容测量中常用不同的量纲 单位也不尽相同 分述如下 2 2 1功率2 2 2电压2 2 3电流2 2 4功率密度与电场强度2 2 5磁场强度 电磁兼容基础 2 2 1功率 功率的基本单位为瓦 W 即焦耳 秒 J s 为了表示宽的量程范围 常常引用两个相同量比值的常用对数 以 贝尔 B 为单位 但贝尔是个较大的值 为了使用方便 采用贝尔的1 10 即分贝 dB 为单位 即 PdB 10lg P2 P1 PdBW 10lg PW 1W 若以1mW为0dB 则此时的P2亦应以mW为单位 则表示式为 PdBm 10lg PmW 1mW 显然0dBm 30dBW频谱分析仪常以分贝毫瓦 dBm 表示其输人电平 电磁兼容基础 2 2 2电压 对于纯阻性负载 P V2 R式中 P 功率 W V 降在电阻R上的电压 V R 电阻 若以分贝 dB 表示 上式可写为 PdBW 10lg P2 P1 10lg V22 R2 V12 R1 20lg V2 V1 10lg R2 R1 VdB 20lg V2 V1 20lg V V 1 式中 V V 以 V为单位的电压值 显然 0dB 120dBVdB 与dBm之间的关系 PdBm 30 VdB 120 10lg R 1 式中 R 以 为单位的电阻值 对于50 的系统 PdBm VdB 120 16 99 30 VdB 107dB 电磁兼容基础 2 2 3电流 常以dB为单位 即 IdB A 20lg I A 1 A 式中 I A 以 A为单位的电流 电磁兼容基础 2 2 4功率密度与电场强度 有时用空间的功率密度S表示电磁场强度 尤其是在微波波段 因为在微波波段 测量功率比测量电压容易 而且也具有实际意义 功率密度的基本单位为W m2 常用的单位为mW cm2或W cm2 它们之间的关系为 SW m2 10SmW cm2 0 01S W cm2除需要进行场强换算外 一般功率密度不再转换为分贝形式 2 2 5磁场强度HA m EV m Z H A m E V m Z 当Z Z0 120 写为分贝形式 HdB A m EdB V m 51 5dB 电磁兼容基础 2 3电磁干扰形成的三要素 形成电磁干扰必然具备三个基本要素 电磁骚扰源 耦合途径或传播通道 敏感设备 电磁兼容设计即是从这三个基本要素出发 2 3 1电磁骚扰源2 3 2电磁骚扰的传播途径2 3 3电磁骚扰敏感设备2 3 4端口 电磁兼容基础 2 3 1电磁骚扰源 电磁骚扰源包括自然骚扰源和人为骚扰源 2 3 1 1自然骚扰源包括 来自银河系的电磁噪声 来自太阳系的电磁骚扰 来自大气层的电磁骚扰 热噪声 2 3 1 2人为骚扰源包括 工科医 射频 设备 高压电力系统与电力电子系统 电牵引系统 内燃机点火系统 声音和广播电视接收机 家用电器 电动工具与电气照明 信息技术设备 静电放电 核电磁脉冲 通讯 广播 定位等大功率设备 电磁兼容基础 2 3 2电磁骚扰的传播途径 电磁骚扰的传播途径包括传导耦合和辐射耦合 传导耦合包括互传导耦合和导线间的感性与容性耦合 辐射耦合包括近场耦合和远场耦合 电磁兼容基础 2 3 3电磁骚扰敏感设备 所有的低压小信号的设备都是电磁骚扰的敏感设备 电磁骚扰以辐射和传导方式侵害敏感设备的 端口就如传输的 界面 通过这些端口 电磁骚扰进入 或出自 被考虑的设备 骚扰现象的性质和骚扰程度与端口的类型有关 比如辐射骚扰如果是在所考虑的设备壳体以外耦合到与设备相连的导线上 那么对设备来说 就变成了从电源或信号端口进入的传导骚扰 而真正的辐射骚扰是通过设备外壳端口进入设备的骚扰 电磁兼容基础 2 3 4端口 辐射骚扰出现在设备周围的媒体中 而传导骚扰出现在各种金属性媒体中 端口的概念可以对各种媒体加以区分 从而按5种端口分类 外壳端口 交流电源端口 直流电源端口 控制线 信号线端口 接地端口 即系统和地或参考地之间的连接 各种位置类别的兼容电平是按照对应的端口概念作出的 电磁兼容基础 电磁骚扰进入设备的端口 电磁兼容基础 2 4EMI合格评定的80 80 准则 准则定义 在统计基础上 大量生产的设备至少应有80 符合限值要求 置信度不小于80 在电磁骚扰 电磁发射 检测中 对于批量产品不可能逐一进行测试 以确定是否超过限值 即使用同一工艺流程生产的同一批产品 也不可能保证其电磁兼容指标完全一致 这是由于电磁兼容本身的特点所确定的 电磁兼容测试结果本身 也可能出现数据偏差 即使对于同一个产品 多次测量的结果也可能出现差异 这是由于各种测量误差因素 例如 高频电压测量仪表的误差不可能优于2dB