电磁兼容课件

电磁兼容原理与设计技术,王玉峰,电信学院,电话邮箱：wangyufeng,目录,第一章电磁兼容技术概述,第二章屏蔽技术,第三章滤波技术,第五章线路板设计,第七章瞬态干扰抑制,第八章电磁干扰的诊断与解决技术,第四章接地和搭接技术,第六章电缆设计,第一章电磁兼容技术概述,含义：,该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射而导致或遭受不允许的性能降低；,该设备也不会使同一电磁环境中其它设备（分系统、系统）因受其电磁发射而导致或遭受不允许的性能降低。,涉及学科：数学、电磁场理论、电路基础、信号分析等。,第一节电磁兼容概念,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，即要求在同一电磁环境中的上述各中设备都能正常工作又不互干扰，达到“兼容”状态。,电磁兼容：（EMC，ElectromagneticCompatibility）,第一章电磁兼容技术概述,电磁骚扰：,电磁干扰：,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作用的电磁现象。,区别：电磁骚扰仅仅是电磁现象，即客观存在的一种物理现象。,电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。,电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。,如何形成电磁干扰：,第一章电磁兼容技术概述,电磁兼容三要素：,1.干扰源2.耦合途径3.敏感设备,电磁兼容性的实施:,a.技术措施：,b.组织措施：,国际上成立电磁兼容组织，制定电磁兼容标准。,控制策略：主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合,1.抑制干扰源,2.切断干扰耦合途径,3.提高敏感设备的抗扰度,第一章电磁兼容技术概述,电磁干扰源分类：,第一章电磁兼容技术概述,电磁兼容技术发展：,起始时间：1881年，英国科学家希维赛德发表论干扰。,电磁兼容组织：,我国电磁兼容技术的发展：,1983年，第一个国家电磁兼容标准工业无线电干扰基本测量方法,1986年，成立“全国无线电干扰标准化技术委员会”,1997年，成立“全国电磁兼容标准化联合工作组”,2001年，3C“ChinaCompulsoryCertification”认证,第一章电磁兼容技术概述,第二节电磁兼容技术术语,重要的电磁兼容技术术语：,一般术语：,电磁兼容性：在不损失有用信号包含信息的条件下，信号和干扰共存的能力,电磁环境：存在于给定场所的所有电磁现象的总和,干扰术语：,传导干扰：沿着导体传播的电磁干扰,辐射干扰：通过空间以电磁波形式传播的电磁干扰,发射术语：,电磁辐射：将能量以电磁波形式由源发射到空间并且以电磁波形式在空间传播,电磁兼容性能术语：,抗扰度：装置、设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力,第一章电磁兼容技术概述,第三节电磁兼容的工程方法,电磁兼容性的工程分析：,要点：,干扰源耦合途径敏感设备,策略：,（1）根据传统的经验分析,电磁兼容性控制技术：,a.传输通道抑制:,b.空间分离:,c.时间分隔:,d.频谱管理:,e.电气隔离:,f.其它技术,滤波；屏蔽；接地；搭接；布线,加大电磁干扰源和敏感设备之间的空间距离,使电磁干扰源和敏感设备不同时出现（飞机、手机）,机械耦合；电磁耦合；光电耦合,由信息产业部无线电管理局划分频段,（2）利用计算机软件预测与分析,第一章电磁兼容技术概述,电磁兼容性分析方法：,（3）系统法：建立元器件、模块等数学模型，利用计算机辅助设计计算,（1）问题解决法：按常规设计建立系统，然后再对现场实验中出现的电磁干扰问题，设法予以解决,（2）规范法：按电磁兼容标准所规定的极限值进行计算、设计,电磁兼容设计方法：,（1）电磁兼容设计的具体内容：,分析系统所处的电磁环境选择频谱和频率制定电磁兼容要求与控制计划设备及电路的电磁兼容设计,（2）电磁兼容设计的主要参数：,敏感度门限和干扰允许值电磁干扰安全系数敏感度阈值失效干扰电平费效比,第一章电磁兼容技术概述,（3）电磁兼容设计的要点：,抑制电磁干扰源的设计要点抑制干扰耦合的设计要点对敏感设备的设计要点,电磁兼容性测量与试验技术：,意义：,在投入使用前，确保产品电磁兼容设计的正确性和可靠性,内容：,a.电磁干扰发射测量b.电磁敏感度测量,试验环境:,（1）开阔试验场地；（2）屏蔽室；（3）电波暗室；（4）TEM横电磁波传输小室（5）GTEM吉赫横电磁波传输小室,注意：测量仪的干扰量比被测电压或电流小20dB,第一章电磁兼容技术概述,第四节电磁兼容标准,一、与电磁兼容技术标准有关的组织机构,1国际上重要的组织机构国际电工委员会（IEC,InternationalElectrotechnicalcommission）国际电信联盟美国电气电子工程师协会（IEEE,InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）美国国家标准学会欧洲电工技术标准化委员会欧洲电信标准化协会,2我国相关的组织机构全国无线电干扰标准化技术委员会全国电磁兼容标准化技术委员会中国通信学会电磁兼容委员会中国电子学会电磁兼容分会,第一章电磁兼容技术概述,二、我国电磁兼容标准体系,基础标准,通用标准,产品类标准,基础标准基础标准不涉及具体产品,它就现象、环境、试验和测量方法、试验仪器和基本试验装置给出定义和描述。针对不同的试验仪器和测量方法,可规定不同的试验电平范围。但是这类标准不给出指令性的限值,也不包括判定试品性能的直接判据。基础标准是编制其他各级电磁兼容性标准的基础。,第一章电磁兼容技术概述,通用标准,通用标准对给定环境中的所有产品提出一系列最低的电磁兼容性要求(限值)。通用标准中的各项标准化试验方法都可在相应的基础标准中找到。通用标准中所给定的试验环境、试验要求,可以成为产品族标准和专用产品标准编制的指导原则。同时对那些暂时还没有相应产品族(或专用产品)标准的产品,可使用通用标准来进行电磁兼容性试验。与基础标准一样,通用标准也有电磁发射和抗扰度两方面。通用标准还将环境分成两类:一类是住宅、商业和轻工业环境，另一类是工业环境。,产品类标准,这类标准针对特定的产品类别,规定了对这些类别产品的电磁兼容性要求(包括电磁发射和抗扰度)以及详细的测量方法。产品族标准所规定的试验方法和限值应与通用标准相一致,但较之通用标准,产品族标准含有更多的特殊性和详细的性能规范,如有必要,还可以增加试验项目和提高试验的限值。产品族标准是国际电磁兼容性。,第一章电磁兼容技术概述,第五节电磁干扰信号的时域与频域分析,变换原理：,时域（t）：,频域（w）,频域（w）：,时域（t）,时域和频域分析的意义:,在时域可以看出电磁干扰信号的波形；在频域可以看出电磁干扰信号的特性，据此可以进行电磁兼容设计。,时域与频域波形：,第一章电磁兼容技术概述,第六节分贝的概念与应用,贝尔：,两个相同量比值的常用对数。,分贝：,贝尔的十分之一。,测量值（bel）lg（测量量/基准量）,测量值（dB）10lg（测量量/基准量）,用途：,可以表示变化范围很宽的数值关系,特点：,无量纲的单位，可以表示不同单位的测量值的大小,应用：,取“基准参考量”,第一章电磁兼容技术概述,（1）功率：,换算关系：,（2）电压:,换算关系：自己推导,第一章电磁兼容技术概述,（3）电流：,思考：为什么P的系数是10，而U，I的系数是20？,（4）电场强度：,（5）磁场强度：,习题：,（1）先将40W转换为dBW？再将参考单位转化为dBmW？,（2）将8mV转换为？,解：,第二章屏蔽技术,第一节电磁屏蔽原理,电磁屏蔽（ElectromagneticShielding）：,以某种材料（导电或导磁材料）制成的屏蔽壳体将所需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离，即其内的电磁场不能越出这一区域，而外来的辐射电磁场不能进入这一区域。,用途：抑制以场的形式传播的电磁干扰。,作用原理：利用屏蔽体对电磁能量的反射、吸收和引导作用。,电磁屏蔽类型：,第二章屏蔽技术,一、静电屏蔽,静电平衡条件：,（1）导体内部任何一点的电场为零；,（2）导体表面任何一点的电场强度矢量的方向与该点的导体表面垂直；,（3）整个导体是一个等位体；,（4）导体内部没有静电荷存在，电荷只能分布在导体的表面上。,静电屏蔽原理：,把有空腔的导体引入电场，由于导体的内表面无净电荷，空腔空间中也无电场，所以该导体起到了隔绝外电场的作用。使外电场对空腔空间无影响。,一、B空间干扰A空间：,把导体接地，即使空腔内有带电体产生电场，在腔体外面也无电场。,二、A空间干扰B空间：,第二章屏蔽技术,B空间干扰A空间：,A空间干扰B空间：,（a）无屏蔽,（b）屏蔽体不接地,（c）屏蔽体接地,一、完整的屏蔽体,二、良好的接地,设计方法：,第二章屏蔽技术,二、交变电场屏蔽,交变电场屏蔽原理：,减小干扰源和敏感器件间的分布电容,未采取电场屏蔽措施的干扰电压：,采取电场屏蔽措施后的干扰电压：,ZJ越小，Us越小,设计方法：,采用电导率高的材料作屏蔽体隔开干扰源和敏感设备，且屏蔽体需可靠接地。,第二章屏蔽技术,三、低频磁场屏蔽,磁路理论：,电路理论：,其中：,所以：,分流,分磁,原理：,对干扰磁场进行分路,第二章屏蔽技术,分流：,提供低电阻通路与要分流的电路并联,分磁：,提供低磁阻通路与要保护的空间并联,设计方法：,采用高磁导率的铁磁材料（如铁、硅钢片、坡莫合金等）进行屏蔽。,设计时应注意的问题：,a.屏蔽体的磁导率越高，屏蔽罩越厚，则磁阻越小，磁屏蔽效果越好。,b.用铁磁材料做的屏蔽罩，在垂直磁力线方向不应有开口或有缝隙，否则会切断磁力线，使磁阻增大，屏蔽效果变差。,c.铁磁材料的屏蔽不能用于高频磁场屏蔽。应为高频时铁磁材料中的磁性损耗很大，导磁率明显下降。,思考：,低频磁场屏蔽的方法适不适用于高频？为什么？,第二章屏蔽技术,四、高频磁场屏蔽,原理：,利用电磁感应现象在屏蔽体表面产生的涡流的反磁场对原磁场的排斥作用进行屏蔽的。,当高频磁场穿过金属板时，金属板中会产生感应电动势，从而形成涡流。涡流电流产生的反向磁场将抵消穿过金属板的原磁场，从而起到屏蔽的作用。,设计方法：,采用低电阻率的良导体材料，如铜、铝等材料进行屏蔽。,第二章屏蔽技术,设计时应注意的问题：,a.高频时，屏蔽盒上的感应涡流与频率无关，其产生的反磁场足以抵消原磁场的影响。当频率上升到一定程度后，涡流不随频率的增大而变化。,b.频率低时产生的涡流小，涡流反磁场不能抵消原磁场的影响，只适用于高频屏蔽。,c.屏蔽体电阻越小，产生的感应涡流越大，屏蔽体自身的损耗越小，应选用电导率大的铝、铜及铜镀银等材料。,d.由于高频电流的集肤效应（），涡流仅在屏蔽盒的表面薄层流过，所以高频屏蔽盒无需做的很厚。,e.屏蔽盒在垂直于涡流的方向上不应有缝隙或开口，否则将切断涡流，涡流变小，屏蔽效果变差。,f.高频磁场屏蔽的屏蔽盒是否接地不影响屏蔽效果，但如果将金属导电材料的屏蔽盒接地，则它同时具有电场屏蔽和高频磁场屏蔽的作用。所以，实际使用中屏蔽体应可靠接地。,思考：,高频磁场屏蔽的方法适不适用于低频？为什么？,第二章屏蔽技术,开口方向对磁场屏蔽效果的影响,低频磁场屏蔽,高频磁场屏蔽,第二章屏蔽技术,五、电磁场屏蔽,应用：,对电场和高频磁场同时屏蔽。,采用低电阻率的良导体材料，如铜、铝等材料进行屏蔽，屏蔽体需要良好的接地。,设计方法：,设计时应注意的问题：,a.由于高频的集肤效应，电磁屏蔽体无须做得很厚。,b.在频率500kHz-30MHz范围内，屏蔽材料选用铝，高于30MHz屏蔽材料可选用铝、铜、铜镀银。,c.电磁屏蔽会对屏蔽体内的场源或保护对象带来不良的影响。,第二章屏蔽技术,第二节屏蔽效能,屏蔽效能：,屏蔽前某点的场强与屏蔽后该点的场强的之比。,电场屏蔽效能：,磁场屏蔽效能：,描述屏蔽体的好坏，能表现屏蔽体对电磁波的衰减程度。,物理含义：,近场：,远场：,屏蔽系数：,被干扰电路加屏蔽体后所感应的电压Us与未加屏蔽体时所感应的电压U0之比。,传输系数：,存在屏蔽体时的电场强度或磁场强度与不存在屏蔽体时的电场强度和磁场强度之比。,传输系数与屏蔽效能互为倒数关系,第二章屏蔽技术,屏蔽效能的计算,A：传输损耗,R：反射损耗,B：多次反射损耗,屏蔽效能的计算方法：,解析法：分离变量法，隔离函数法,2.数值法：矩量法、有限差分法、有限元法,3.根据经验的近似方法,屏蔽的形式：,金属隔板式、盒式、电缆屏蔽和连接器屏蔽。,屏蔽的类型：,实芯型、非实芯型（金属网）和金属编织带等。,第二章屏蔽技术,第三节屏蔽材料的特性,1.导磁材料:铁、镍,应用：,利用高导磁材料制成磁屏蔽体，提高低磁阻的磁通路使得大部分磁通在磁屏蔽体上分流，达到磁场屏蔽的目的。,磁导率:,：相对磁导率,：真空磁导率（,H/m）,弱磁性材料：,强磁性材料：,铝、铜,铁磁性物质（铁、镍）,应用铁磁材料时的注意事项：,由于高磁导率的材料对机械应力敏感，在受外力作用的情况下，磁导率大为降低。因此，在使用前应经过退火处理，一般铁磁材料退火前的磁导率仅为退火后磁导率的5。,第二章屏蔽技术,2.导电材料：铝、铜、银,应用：,利用高导电材料制成屏蔽体，提高低电阻的通路使得大部分电场在屏蔽体上分流或高频磁场在屏蔽体上产生较大的涡流，从而达到电场屏蔽的目的。,电导率：,（始终保持常数，不随频率和场强的变化而变化）,3.薄膜材料与薄膜屏蔽,电磁屏蔽薄膜,应用：,在工程塑料机箱的表面涂一层薄膜材料来进行电磁屏蔽。,优点：,造型美观、成本低、重量轻。,薄膜屏蔽的工艺：,喷导电漆、电弧喷涂、电离镀，化学镀、真空沉积、贴导电箔及热喷涂工艺。,第二章屏蔽技术,4.导电胶和导磁胶,导电胶粘剂,导电银胶,导电胶粘剂,应用：,在物体链接的缝隙出添加，如（机壳的接缝，变压器铁心和磁心）。,构成：,在普通胶粘剂中添加导电、导磁填料配置而成。,导磁胶粘剂,导磁胶,双面导磁胶,应用时的注意事项：,1.不同材料接触引起的电化学腐蚀。,2.导电胶对温度不敏感，但对水侵、潮热比较敏感，导致胶街头强度下降，电阻增大。,第二章屏蔽技术,第四节屏蔽体的结构,1.电屏蔽的结构,设计要点：,影响电屏蔽的一个重要因素是分布电容C，减小C就能提高屏蔽效能。,结构：,通常为盒形,单层门盖结构,耦合途径,等效电路,敏感元件耦合的干扰电压：,由公式可以看出，为了减小敏感元件耦合的干扰电压，应该减小盒盖与盒体间的接触阻抗及盒体的接地电阻。,第二章屏蔽技术,双层门盖结构,耦合途径,等效电路,双层门盖与单层门盖的屏蔽结构相比，多了一次衰减，因而提高了屏蔽性能。,共用一只屏蔽盒,共盖结构,耦合途径,等效电路,分盖结构,相当于单层门盖结构,相当于双层门盖结构,第二章屏蔽技术,2.磁屏蔽的结构,结构：,通常为盒形、圆柱状，柱状,设计要点：,磁阻与磁路的面积和磁导率成反比，因而为了获得较小的磁阻，磁屏蔽体的体积和重量都比较大。若要求的屏蔽效能较高，可采用双层屏蔽的方法来代替增加屏蔽体体积和重量的效果较好。,3.电磁屏蔽的结构,结构：,通常为板状、盒状、筒状和柱状,设计要点：,a.减少接缝，即减少电磁泄漏,b.避免腔体的谐振,c.应用圆柱形和长方形屏蔽举例说明缝隙多会造成屏蔽效能的降低,d.双层屏蔽采用单点接地方式，且接地点应靠近输出点,第二章屏蔽技术,第五节孔缝泄露的抑制措施,孔缝存在的原因,孔缝的类型,屏蔽体由于制造、装配、维修、散热及观察要求，其上面一般会有孔缝，严重影响其屏蔽效能，孔缝的电磁泄露必须加以抑制。,第二章屏蔽技术,装配面接缝处电磁泄露的抑制,a.增加金属之间的搭接面,b.增加缝隙深度d,c.装配面处装入电磁密封垫,d.装配面涂抹导电胶或导磁胶,通风冷却孔泄露的抑制,a.覆盖金属丝网,b.穿孔金属板,c.截止波导通风孔,观察窗口（显示器件）泄露的抑制,a.使用透明屏蔽材料,b.用隔离舱将显示器件与设备的其他电路隔开,c.使用波导衰减器,器件调谐孔泄露的抑制,a.使用圆柱截止波导结构,b.用隔离舱将操作杆与设备的其他电路隔开,显示器的处理,表头孔的处理,操作器件的处理,第二章屏蔽技术,第六节电磁场仿真软件ANSOFT,介绍：,ANSOFT公司推出的三维电磁仿真软件；是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的电子设计工业标准。ANSOFT提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。,用途：,基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题,端口特征阻抗和传输常数,S参数和相应端口阻抗的归一化S参数,结构的本征模或谐振解,第二章屏蔽技术,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,近年来，为了节约电缆，减少工程量，微机保护装置被安装在电磁环境恶劣的高压或大电流开关柜内，如图所示。,开关柜中间有一块隔板将其分成前后两个空间，一次回路的母线和断路器处于开关柜后面的空间，微机保护装置被安装在距离断路器很近的开关柜前面的空间。当断路器操作时，电快速瞬变脉冲群产生的瞬态电磁场能够在微机保护装置的外壳上感应出干扰电压和干扰电流,从而干扰微机保护装置正常工作。,问题:,仿真研究:,1）断路器触头两端出现电快速瞬变脉冲群电压,2）断路器中流过电快速瞬变脉冲群电流,现状：,第二章屏蔽技术,开关柜模型,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,开关柜模型：,长：0.8m,宽：1.2m,高：1.2m,隔板距离开关柜的柜门0.2m,断路器距离隔板0.2m,dla、dlb、dlc分别为A、B、C三相的导线元段,P(x,y,z)为待求的场点,PA(xa,ya,za)、PB(xb,yb,zb)和PC(xc,yc,zc)分别为A、B、C三相导线元的源点,ra、rb、rc分别为各导线元到场点P(x,y,z)的距离,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,第二章屏蔽技术,一、断路器触头两端出现电快速瞬变脉冲群电压,采用ANSOFT二维交变电场求解器研究屏蔽体可靠接地的情况下电快速瞬变脉冲群电压对微机保护装置外壳的干扰。,一、在几何建模器中建立开关柜的二维仿真模型,步骤：,二、在材料管理器中，指定材料的属性,第二章屏蔽技术,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,三、在边界条件管理器中，设定边界条件,第二章屏蔽技术,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,四、指定具体的求解规范开始在求解器中计算,第二章屏蔽技术,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,五、在求解器中计算,第二章屏蔽技术,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,六、求解结果,第二章屏蔽技术,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,第二章屏蔽技术,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,二、断路器中流过电快速瞬变脉冲群电流,求解步骤：,一、在几何建模器中建立开关柜的三维仿真模型,二、在材料管理器中，指定材料的属性,三、在边界条件管理器中，设定边界条件,四、指定具体的求解规范开始在求解器中计算,五、在求解器中计算,六、求解结果,第二章屏蔽技术,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,仿真结果1,第二章屏蔽技术,案例一、开关柜中的电磁屏蔽设计,仿真结果2,开关柜表面的磁场分布,电磁屏蔽后开关柜表面的磁场分布,第二章屏蔽技术,案例二、出口继电器的电磁屏蔽设计,问题：,当继电器的触点中流过干扰电流时，影响原边线圈电压，进而影响设备的供电电源。,求解步骤：,一、在几何建模器中建立继电器的三维仿真模型,二、在材料管理器中，指定材料的属性,三、在边界条件管理器中，设定边界条件,四、指定具体的求解规范开始在求解器中计算,五、在求解器中计算,六、求解结果,出口继电器模型,第二章屏蔽技术,案例二、出口继电器的电磁屏蔽设计,仿真结果,出口继电器线圈上的磁场分布,盒屏蔽体,圆柱屏蔽体,第三章滤波技术,第一节电磁干扰滤波器,滤波器,压缩信号回路骚扰频谱的一种器件，当骚扰频谱成分不同于有用信号的频带时，可以将无用的骚扰滤除，而只保留有用的信号。,作用机理：,允许工作信号通过，而对非工作信号有很大的衰减作用，将电磁干扰降到最小。,描述滤波器性能的主要参量：,插入损耗：,频率特性：,：信号源通过滤波器在负载阻抗上建立的电压,：不接滤波器时信号源在负载阻抗上建立的电压,插入损耗随频率变化的曲线,第三章滤波技术,按频率特性分类：,（a）低通滤波器,（b）高通滤波器,（c）带通滤波器,（d）带阻滤波器,按滤波原理分类,吸收式滤波器：,反射式滤波器：,给干扰电流建立起一个高的串联阻抗和低的并联阻抗，将其能量返射回信号源从而达到抑制电磁干扰的目的。,通过吸收不需要频率成分的能量来达到抑制干扰的目的。,按用途分类：,信号选择滤波器,电磁干扰滤波器,按工作条件分类：,有源滤波器,无源滤波器,第三章滤波技术,共模干扰和差模干扰,特点：,a.共模干扰会造成强烈的电磁辐射,c.差模干扰对电路的影响十分严重,b.共模干扰不会直接对电路产生影响,d.电路不平衡，共模干扰会转化为差模干扰,共模干扰：,指干扰在电缆中的所有导线上幅度/相位相同。,差模干扰：,指干扰在信号线与信号地线之间流动的干扰。,电磁干扰滤波器,类型：,低通滤波器,分类：,a.电源线滤波器,b.信号线滤波器,第三章滤波技术,（1）把无用信号能量在滤波器里消耗掉，这种滤波器中含有损耗性器件，如电阻和铁氧体等。,（2）另一种是不让无用信号通过，把它们反射回信号源，并且必须在系统的其他地方消耗掉。,工作原理,技术特点,（1）干扰滤波器往往工作在阻抗不匹配的条件下，干扰源的阻抗特性变化范围很宽。,（2）干扰源的电平变化幅度大，有可能使干扰滤波器出现饱和效应。,（3）由于电磁干扰频带范围很宽，其高频特性非常复杂，难以用集中参数等效电路来模拟滤波电路的高频特性。,（4）干扰滤波器在阻带内应对干扰有足够的衰减量，而对有用信号的损耗应降低到最小限度，以保证有用电磁能量的最大传输效率。,（5）电磁干扰滤波器应对共模干扰和差模干扰都有抑制作用。,第三章滤波技术,EMI滤波器的设计时需考虑的问题,a.频率特性,b.耐压特性,c.额定电流,d.阻抗特性,e.屏蔽,f.可靠性,EMI滤波器的安装时需考虑的问题,安装位置：,根据干扰源的数量和敏感设备的数量来确定滤波器是安装在干扰源一侧还是敏感设备的一侧。在干扰源和敏感设备数量均较少的情况下，应将滤波器安装在干扰源一侧。,高频接地：,滤波器的屏蔽体与设备的接地点需良好搭接，滤波器安装在靠近接地点的位置，减小滤波器的接地引线。一般将滤波器的屏蔽体外壳直接安装在设备的金属外壳上。,屏蔽：,输入输出侧的配线之间必须屏蔽隔离，电源线滤波器应安装在敏感设备或者屏蔽体的入口处，并对滤波器加以屏蔽。,第三章滤波技术,第二节滤波器的特性,反射式滤波器,工作原理：,反射式滤波器通常由无损耗的电抗元件（电感器和电容器）构成，使在滤波器的通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻抗，而在滤波器的阻带内提供大的串联阻抗和小的并联阻抗，也就是给干扰电流建立起一个高的串联阻抗和低的并联阻抗。,一、低通滤波器,按元件个数：,一阶滤波器,多阶滤波器,按照其电路形式：,(1).并联电容滤波器,(2).串联电感滤波器,(3).L型滤波器,(4).型滤波器,(5).T型滤波器,作用：,滤除高频电磁干扰,第三章滤波技术,1.并联电容滤波器,结构：,插入损耗：,电容：,实际电容的等效电路：,，呈容性,，呈感性,设计时需注意的问题：,(1)由于电容引线上存在电感，在某一点频率上会发生谐振，超过谐振点后，电容呈现电感的阻抗特性，滤波的性能变差。,第三章滤波技术,(2)容量大的电容谐振频率低可以滤除频率低的干扰。,(3)容量小的电容谐振频率高可以滤除频率高的干扰。,(4)可以用大电容和小电容并联来兼顾滤除高频和低频干扰。但值得注意的是，在某一频率上会发生并联谐振，如果干扰为这个频率，滤波效果很差。,滤波电容的选择,交流：,直流：,镀金属纸介质电容器,铝箔卷绕电容器,云母和陶瓷电容,穿芯电容滤波器,铝电解电容器,钽电解电容器,第三章滤波技术,2.串联电感滤波器,结构：,插入损耗：,实际电感的等效电路：,设计时需要注意的问题：,(1)实际的电感绕组中总是存在电阻和电容的，在某一频率上会发生并联谐振，在谐振点以上，电感呈现电容的阻抗特性，滤波性能变差。因此，电感的高频滤波性能不好。,(2)但可以利用并联谐振这个特点对特定频率的干扰进行有效的抑制。,(3)空芯电感不会发生饱和，同时电感稳定不随频率变化。但由于磁力线发散到空间，会造成较强的干扰。,(4)带宽拓展，将一个大电感分解成若干个小电感。有串联谐振的问题。,第三章滤波技术,3.L型滤波器,4.型滤波器,5.T型滤波器,特点：,对抑制瞬态干扰的效果不好，但对于非常低的频率，使用型滤波器能提供高衰减，如电源线滤波器。,特点：,能有效抑制瞬态干扰，但主要缺点是有两个电感器，滤波器的总尺寸较大。,第三章滤波技术,二、高通滤波器,作用：,从信号通道中滤除交流电源频率以及其他低频外界干扰,设计方法：,高通滤波器可由相同截止频率的低通滤波器转换而成,转换方法：,1）把每个电感L转换为数值为1/L的电容,2）把每个电容C转换成数值为1/C的电感,课堂练习：,试将下图中的低通滤波器转换为截止频率相同的高通滤波器？,3）单位进行相应的转换,(H、mH、uH),(F、mF、uF),低通滤波器,高通滤波器,第三章滤波技术,三、带通滤波器,作用：,对通带之外的高频及低频干扰能量进行衰减,原理：,利用电感和电容的串联谐振和并联谐振,设计方法:,1）把串联的电感和电容串接在干扰源和干扰对象之间,2）把并联的电感和电容并接在干扰源和干扰对象之间,结构：,第三章滤波技术,四、带阻滤波器,作用：,对特定的窄带内的干扰能量进行抑制,原理：,利用电感和电容的串联谐振和并联谐振,设计方法:,1）把并联的电感和电容串接在干扰源和干扰对象之间,2）把串联的电感和电容并接在干扰源和干扰对象之间,结构：,第三章滤波技术,五、反射式滤波器的选择方法,六、有源滤波器,利用晶体管可以不需要过大的体积和重量就能提供较大值的等效L和C,优点：,分类：,1）有源电感滤波器,2）有源电容滤波器,3）对消滤波器,第三章滤波技术,吸收式滤波器,工作原理：,吸收式滤波器由有耗元件构成，它通过吸收不需要频率成分的能量来达到抑制干扰的目的。,a.有损耗滤波器,分类：,选用具有高损耗系数或高损耗角正切的电介质（铁氧体），把高频电磁能量转换成热能。,b.电缆滤波器,把铁氧体材料填充在同轴线内外导体间，构成有耗同轴电缆。,组合滤波器,将吸收式滤波器与反射式滤波器串联组合使用构成的滤波器既有陡峭的频率特性，又有很高的阻带衰减。,有损耗滤波器,电缆滤波器,电缆滤波器的结构,第三章滤波技术,滤波连接器,铁氧体抑制电磁干扰的应用,把电容器安装在滤波器连接器的管脚上，每个管脚串接一个铁氧体磁环，就成了L型（C-L）滤波器或型(C-L-C)滤波器。,工作原理：,铁氧体材料是一种广泛应用的有耗器件，能将电磁骚扰的能量吸收后转化为热损耗，而起到滤波的作用。,使用方法：,a.作为屏蔽层,b.作为电感器构成低通滤波器,c.将铁氧体芯用于元器件的引脚或线路板上,第三章滤波技术,铁氧体元件的选择与安装,1.铁氧体材料的选择,2.铁氧体尺寸的选择,3.铁氧体元件的安装,常用的几种铁氧体材料的适用频率范围,一般来说，铁氧体的体积越大，抑制效果越好。在体积一定时，长而细的形状比粗的形状的阻抗大，抑制效果好,2）但是在导线或电缆进入或引出屏蔽壳的地方，铁氧体应尽可能靠近屏蔽壳的进出口处。,1）铁氧体元件应安装在尽可能接近干扰源的地方，可以防止噪音耦合到其他地方。,3）铁氧体磁管穿在电缆上后要用热缩管封好。,第三章滤波技术,穿心电容滤波,薄膜卷绕的短引线电容，自谐振频率可达1GHz以上，适用于高频滤波。,结构：,插入损耗：,第三章滤波技术,第三节电源线滤波器,电源线滤波器,功能：,电源线滤波器一种低通滤波器，它毫无衰减地把直流、50Hz、400Hz等的直流或低频电源功率传送到设备上去，衰减经电源传入的高频骚扰信号，保护设备不受干扰。同时，抑制设备本身产生的骚扰信号，防止它进入电源，危害其它设备。,结构：,电源线滤波器的基本电路图,共模扼流圈：,圈数相同，绕向相反,共模电感,安规电容,共模电容,第三章滤波技术,电源线滤波器安装时容易出现的问题,a.滤波器的输入、输出端之间距离太近,b.滤波器的输入线过长,c.滤波器的外壳没有接到机壳上,d.正确安装方法,第四章接地和搭接技术,第一节地回路干扰,接地公共阻抗产生的干扰,一些电路的电流需要通过地线形成回路，因而地线就是用电设备的公共导线。然而任何导线都具有一定的阻抗，该阻抗使两个不同的接地点出现电位差，从而干扰其他回路。,电磁干扰信号通过接地公共阻抗时产生的干扰电压：,a.由导电耦合引起的接地电流,第四章接地和搭接技术,接地电流与地电压的形成,b.由电容耦合形成的接地电流,c.由电磁耦合形成的感应地电流,接地壳体相当于只有一匝的二次线圈，它和一次线圈相当于变压器耦合产生感应电流。,d.由金属导体天线效应形成的地电流,由辐射电磁场在金属导体上产生感应电动势，若箱体闭合，则会产生接地电流。,第四章接地和搭接技术,地回路干扰,共模干扰转化为差模干扰等效电路,地回路耦合系数：,平衡电路：,GLC=0,不对称电路：,0GLC1,因此，平衡电路可抑制共模干扰转化为差模干扰。电路越不平衡共模干扰转化为差模干扰越严重。,若Z1和Z2r1和r2，则：,第四章接地和搭接技术,第二节抑制地回路干扰的技术措施,一、接地点的选择,a.接地位置的选择,放大器与信号源的接地点选择,A点接地：,需要使用差分放大器,B点接地：,信号源与地隔离,b.多级电路接地点的选择,多级电路的接地,电平关系：,ABC,多级电路的接地点应选择在低电平级电路的输入端,c.谐振回路接地点的选择,并联谐振时内部电流是外部电流的Q倍（谐振回路的品质因素），若L、C分别接地，则接地回路中将有高频大电流通过，造成很强的干扰。因此，并联谐振回路必须采取单点接地的方式。,第四章接地和搭接技术,d.电缆屏蔽层接地点的选择,屏蔽电缆：,由绝缘导线外面在包一层金属薄膜屏蔽层构成，屏蔽层必须合理接地以后才能起到屏蔽作用。,低频单点接地,方式1：,方式2：,方式3：,高频多点接地,当电线长度接近信号的1/4波长时应采取多点接地，一般每隔1/10波长设一个接地点，并且在电缆的两个端点接地。,第四章接地和搭接技术,二、差分平衡电路,差分器件：,按照加于电路两端输入端的电压差值工作。,平衡差分电路的两输入端对地平衡时，总的输入干扰恰好相互抵消，共模干扰不会转化为差模干扰。若电路不平衡则，共模干扰会转化为差模干扰，差分器件的输入阻抗越高，抑制干扰的能力越好。,三、隔离变压器,为提高隔离变压器的抗干扰能力，一、二次绕组间可采用电屏蔽来减小绕组间的分布电容，但电屏蔽层需可靠接地。同时需注意，隔离变压器不能传输直流信号，也不适于传输频率很低的信号。,隔离变压器电路,第四章接地和搭接技术,四、纵向扼流圈,纵向扼流圈阻隔地回路,纵向扼流圈：,由两个绕向相同，匝数相同的绕组双线并绕而成。,抗干扰机理：,信号电流在两个绕组流过时方向相反，为差模电流，产生的磁场相互抵消，呈现低阻抗，所以扼流圈对信号电流不起作用。地线中的干扰电流流经两个绕组的方向相同，称为共模电流，产生的磁场同向相加，扼流圈呈现高阻抗，起到抑制作用。,应用时需注意的地方：,扼流圈的铁芯截面应足够大，以便有不平衡直流流过时不发生饱和现象。,第四章接地和搭接技术,五、光电耦合器,光电耦合器比较适用于数字电路。由于其电流与光强的线性关系较差，在传输模拟信号时会产生较大的非线性失真，故模拟电路中光电耦合器的应用受到限制。,光电耦合器隔离地回路,第四章接地和搭接技术,第三节接地及其分类,接地的含义：,a.为电路或系统提供一个零电位参考点,b.为电路或系统与“地”之间建立低阻抗通路,接地的要求:,（a）接地平面应是零电位，它作为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。,（b）理想的接地平面应是零电阻，接地点之间没有电位差。,（c）良好的接地平面与布线间有大的分布电容，平面本身的引线电感很小。接地平面应采用低阻抗材料制成，有足够的长度、宽度和厚度，保证在所有频率上呈现低阻抗。,（d）理想的接地，要求尽量减低多电路公共接地阻抗上产生的干扰电压，尽量避免形成不必要的地回路。,第四章接地和搭接技术,接地的目的：,（a）接地平面应是零电位，它作为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。,（b）为使系统的屏蔽接地，取得良好的电磁屏蔽效果，达到抑制电磁干扰的目的。,（c）为了防止雷击危及系统和人体，防止电荷积累引起火花放电，防止高电压与外壳相接引起的危险。,接地的分类：,第四章接地和搭接技术,第四节安全接地,又称为保险接地，它是采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上，使操作人员不致因为设备外壳漏电或静电放电而发生触电危险。,安全接地,人体安全电压：,人体安全电流：,交流36V、直流12V,交流1520mA、直流50mA,1.设备安全接地,机壳接地的作用,接零保护接地,接零保护接地的作用,第四章接地和搭接技术,防雷接地,组成：,避雷针、下导体和接地系统,作用：,将雷电流引入大地，从而保护设备和人身安全，同时消除雷击电流窜入信号接地系统，影响用电设备的正常工作。,安全接地的有效性,判断原则：,接地电阻越小越好，针对不同的用途，接地电阻的阻值有相应的要求。,需注意的问题：,接地电阻受环境条件的影响，需要定期测定监视。,接地体的分类：,（a）自然接地体：1000V以下系统。,（b）人工接地体：精度比自然接地体高。,第五节信号接地,第四章接地和搭接技术,信号接地：,给信号电流提供流回信号源的低阻抗路径。,接地原则：,（a）数字信号地和模拟信号地分别设置,（b）直流电源地和交流电源地分别设置,（c）大信号和小信号地分布设置,（d）骚扰器件（如电动机、继电器、开关等）的地与其它电子、电路系统的地分别设置,1单点接地,分类：,特点：,只有一个接地点，某一个系统中需要接地的电路、设备都必须连接到这个接地点上。,第四章接地和搭接技术,1.共用地线串联一点接地,共用地线串联一点接地,优点：,结构简单，各个电路的接地引线比较短，适用于设备机柜中或各个电路电平差别不大的场合。,缺点：,公共地线上的A、B、C点电位不为零，高电平电路干扰低电平电路。,原则：,采用共用地线串联一点接地时，要把低电平电路放置在靠近接地点的地方。,第四章接地和搭接技术,2.独立地线并联一点接地,独立地线并联一点接地,优点：,缺点：,各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不受其他电路的影响。,(a)因各个电路分别采用独立地线接地，需要多根地线，增加了地线长度，从而增加了地线阻抗。,(c)这种工作方式不适合高频，随着频率增加，地线的感抗会增大，地线将起不到接地作用。,(b)这种接地方式会造成各地线相互间的耦合，且随频率增加，地线阻抗、地线间的电感和电容耦合都会增大。,第四章接地和搭接技术,3.串联单点、并联单点混合接地,模拟信号地和数字信号地分布设置，骚扰源器件、设备的接地系统与其他电子、电路系统的接地系统分布设置，以抑制干扰源。,第四章接地和搭接技术,2.多点接地,特点：,有多个接地点，某一个系统中需要接地的电路、设备都可以直接接到距它最近的接地平面上，以使接地线的长度最短。,结构：,优点：,地线较短，适用于高频情况,缺点：,形成了各种地线环路，造成地环路干扰，对设备内较低频率的电路产生干扰。,第四章接地和搭接技术,3.混合接地,特点：,电路的工作频带很宽，在低频情况下采用单点接地，在高频时又需采用多点接地。,结构：,图（a）：,低频时单点接地，高频时多点接地，比较常用。,图（b）：,高频时单点接地，低频时多点接地，不常用。,应用：,这种接地系统用在要抗高频干扰的传输低频信号的屏蔽电缆上，由于传输低频信号，需要单点接地，而在高频时，电缆是多点接地。,应用：,这种电路接地系统主要用于安全考虑，多个机箱需要接到安全地上而希望电路单点接地的场合。,第四章接地和搭接技术,4.悬浮接地,特点：,将电路、设备的信号接地系统与安全接地系统、结构地及其他导电物体隔离。,结构：,优点：,缺点：,设备的内部电路都有各自的参考“地”，相互之间不互相干扰。,(a)悬浮地容易产生静电积累和静电放电，在雷电环境下，还会在机箱和单元电路间产生飞弧。,(b)当电网相线与机箱短路时，有引起触电的危险。,应用：,不宜用于通信系统和一般电子产品，主要用于低频情况下，防止结构地、安全地中的骚扰地电流干扰信号接地系统。,第四章接地和搭接技术,第六节搭接技术,搭接：,两个金属物体之间通过机械、化学或物理方法来实现结构连接，以建立一条稳定的低阻抗电气通路的过程。,目的：,为电流的流动提供一个均匀的结构面和低阻抗通路，避免在相互连接的两金属件间形成电位差。,作用：,（a）减少设备间电位差引起的骚扰,（b）减少接地电阻，从而降低接地公共阻抗骚扰和各种地回路骚扰,（c）实现屏蔽、滤波、接地等技术的设计目的,（d）防止雷电放电的危害，保护设备等的安全,（e）防止设备运行期间的静电电荷积累，避免静电放电骚扰,不良搭接的影响：,1.对屏蔽效果的影响,2.对滤波效果的影响,3.对安全接地效果的影响,4.对设备绝缘的影响,5.搭接点弹跳引起电磁骚扰,第四章接地和搭接技术,搭接方法：,a.永久性搭接：,b.半永久性搭接：,搭接类型：,a.直接搭接：,b.间接搭接：,利用铆接、熔焊、钎焊、压接等工艺方法，使两种金属物体保持固定连接。,利用螺栓、螺钉、夹具等辅助器件使两种金属物体保持连接。,两裸金属或导电性很好的金属特定部位的表面直接接触、牢固地建立一条导电良好的电气通路。,采用搭接带（搭接条）或者其他辅助导体将两个金属物体连接起来。,搭接模型：,搭接处的高频等效电路,搭接电阻：,第四章接地和搭接技术,搭接导线的选择：,（a）选择宽而扁的导线比圆导线电感小,（b）搭接条的长度不要超过其宽度的5倍,（c）搭接时需考虑连接器件的热容量，否则引起金属熔化,搭接时需注意的问题,（a）搭接处的电化学腐蚀（不同金属之间连接时发生）,（b）搭接表面的清理和防腐涂覆,（c）搭接的加工方法（物理、机械、化学）,测量搭接的接触电阻,搭接质量的测试,方法：,接触电阻分析仪,设备：,第五章线路板设计,第一节元器件的选择,元器件的选择,分类：,有引脚元件：,无引脚元件：,1nH/mm，引脚末端4pf的寄生电容,0.5nH的寄生电感，0.3pf的寄生电容,第五章线路板设计,1.电阻,贴片电阻,碳膜电阻,金属膜电阻,绕线电阻,寄生参数排序：,表面贴装电阻碳膜电阻金属膜电阻绕线电阻,一、分离元件,第五章线路板设计,2.电容,低频：,铝电解电容,钽电解电容,第五章线路板设计,中频：,陶瓷电容,高压陶瓷电容,CBB电容,高频：,云母电容,高频陶瓷电容,贴片电容,应用：,旁路电容：10470uF，根据PCB上器件的数量来定,去耦电容：取值为旁路电容的1/1001/1000,电容谐振：表面贴装的谐振频率为插装式的2倍,第五章线路板设计,3.电感,开环电感：,闭环电感：,磁场穿过空气，将引起辐射带来电磁干扰问题,磁场被完全控制在磁芯，还可以自行消除外来磁场的干扰，但价格较贵,磁芯材料：,低频:,高频:,铁氧体,铁,第五章线路板设计,4.二极管,二极管特性,第五章线路板设计,二、集成电路,CMOS（HC）工艺：,TTL（LS）工艺：,器件类型：,静态功耗低，但动态功率要求大，需大的旁路电容。门限宽，与微处理器的接口匹配，应用较广。,静态功耗大,需注意的问题：,a.未使用的CMOS引脚需接地或电源,b.校准电路的输入、输出需接旁路电容和去耦电容,c.线路的阻抗需匹配,第五章线路板设计,三、微处理器（MCU）,EMC设计应注意问题,（a）I/O口引脚,（b）中断口引脚,（c）复位引脚,（d）振荡器,有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”。,第五章线路板设计,有源器件的选择：,1.敏感度特性,2.发射特性,电磁敏感度特性,灵敏度和带宽是评价敏感器件最重要的参数，灵敏度越高、带宽越大，抗扰度越差。,逻辑器件的噪声容限：,（a）直流噪声容限,（b）交流噪声容限,（c）噪声能量容限,电磁骚扰发射特性,传导骚扰：,随频率成正比,辐射骚扰：,随频率平方成正比,I噪声电流和瞬态负载电流,I噪声电流:,当数字集成电路工作时，它内部的门电路会发生高低电位之间的变化，产生噪声。,抑制方法：,利用去耦电容和旁路电容,第五章线路板设计,第二节线路板上的电磁骚扰辐射,印刷电路板,线路板的辐射源：,（a）PCB走线,（b）I/O电缆,第五章线路板设计,辐射方式：,（a）共模辐射,（b）差模辐射,共模辐射与差模辐射,差模辐射:,减小差模辐射的方法：,共模辐射:,（a）降低电路的工作频率（电路的性能）,（b）减小信号环路的面积（最有效的方法）,（c）减小信号电流的强度（电路的性能）,(共模辐射的效率远高于差模辐射),减小共模辐射的方法：,（a）减小地电位,（b）加共模扼流圈,（c）将共模电流旁路,（d）电缆屏蔽层与屏蔽壳体作360o端接,第五章线路板设计,第三节表面安装技术SMT,组成：,表面安装器件（SMD）、表面安装元件（SMC）、表面安装印刷电路板（SMB）、表面安装设备以及在线测试等的总称。,优点：,组装密度高、电子产品体积小、重量轻、可靠性高、抗震能力强、高频特性好、电磁和射频干扰减少，电磁兼容性好、易于实现自动控制等。,表面安装技术的发展：,（a）加大使用片式元器件的比例,（b）使用叠层电路基板,（c）采用先进贴装技术,新型片式器件的发展：,SMT向超小型方向发展，目前0805型是主流，更小的还有0603型。,第五章线路板设计,第四节印刷电路板的设计,印刷电路板电磁兼容设计的目标：,（a）电路板上各部分电路之间不互相干扰,（b）电路板向外的辐射发射和传导发射尽可能低,（c）电路板上的电路不受外来骚扰的干扰,印刷电路板分类：,a.单面板：,b.单面板：,c.多层板：,元件在电路板一侧，在另外一侧焊接和连线。,特点：,价格低，结构简单，目前应用较少,特点：,价格略比单面板贵，适用于中等组装密度，目前广泛应用,特点：,价格昂贵，适用于高、中等组装密度,元件可放置在电路板的两侧，可在电路板的两侧连线和焊接,把3层以上的分离导电图形粘结层压而成,第五章线路板设计,单面板正面,双面板正面,画电路板前应确立的目标：,（a）确定不同功能模块的位置,（b）确定敏感器件和I/O接口的位置要求,（c）线路图上标明不同的地线，确定关键连线,（d）标明哪些地方地线可以连接，哪些地方不允许连接,（e）确定哪些信号线必须靠近地线,多层板,PCB电路板,背面板,第五章线路板设计,印刷电路板电磁兼容设计的措施：,1.减小线路板迹线阻抗,方法：,（a）尽量减小导线的长度，增加导线的宽度,（b）使回线尽量与信号线平行并靠近，减小环路面积,2.PCB布线