电磁兼容性概述等文稿

电磁兼容性概述,501室：吴川2005年9月,什么是电磁兼容？,电磁兼容（EMC-ElectromagneticCompatibility）是一门新兴的综合性学科，主要研究电磁干扰和抗干扰的问题。即怎样使在同一电磁环境下工作的各种电子电气的器件、电路、设备或系统，都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。,EMC的研究内容,构成电磁兼容问题的三要素电磁骚扰源、传输途径和敏感设备。任何电子设备既可能是骚扰源，又可能是敏感设备。EMC控制技术屏蔽、滤波、接地、隔离、平衡传输。电磁兼容测试和标准。电磁兼容预测、分析和设计。,目前国际上有权威性的电磁兼容标准和从事EMC准制订工作的专业委员会有：国际电工委员会：CISPR标准和IEC标准（TC77）欧共体：EN标准(CENELEC)和ETS标准(ETSI)德国：VDE标准美国：FCC标准和军用标准MIL-STD日本：VCCI标准这些标准正在逐步走向国际统一。,电磁兼容标准和规范,我国已经制订了92个电磁兼容标准（至2002年底）。这些标准规定了各种类型的电气电子设备在各个频段的电磁骚扰发射限值和抗扰度限值，并规定了相应的试验方法、仪器设备和试验场地。,国内情况,与我们有关的一些国军标,GJB72-85电磁干扰与电磁兼容性名词术语GJB151A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求GJB152A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量GJB181-86飞机供电特性及对用电设备的要求GJB344-87顿感电起爆器通用设计规范GJB358-87军用飞机电搭接要求GJB1143-91无线电频谱特性的测量GJB1210-91接地、搭接和屏蔽设计的实施GJB1389-92系统电磁兼容性要求,GJB1696-93航天系统地面设施电磁兼容性和接地要求GJB2034-94航天飞行器系统电爆分系统的安全要求和试验方法GJB/Z17-91军用装备电磁兼容性管理指南GJB/Z25-91电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南QJ2429-93航天系统电磁兼容性要求QJ2429-93战术导弹壳体屏蔽效能测量方法,电磁干扰三要素,1、电磁骚扰源人为骚扰源和自然骚扰源任何电子电气设备都可能是骚扰源。雷电、静电放电是典型的自然骚扰源。电磁噪声和无用信号电磁骚扰源是客观存在的，只有在影响了敏感设备的正常工作时才构成“干扰”，也就是人们通俗所说的电磁干扰。,无用信号,指一些功能性信号例如广播、电视、雷达等，本身是有用信号，但干扰了其它设备的正常工作，所以对敏感设备而言是无用信号。,电磁噪声,不带任何信息的电磁现象，主要在电压或电流发生急剧变化（即dv/dt，di/dt很大）时产生。例如雷电、静电放电；电气设备中电感负载切断时产生的瞬变脉冲噪声；接通负载时的冲击电流及开关触点的抖动产生的脉冲噪声；信息技术设备的工作信号本身就是电磁骚扰源。,接通负载时的冲击电流及开关触点的抖动产生的脉冲噪声。信息技术设备和电力电子器件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。,设备内的元器件、集成片、印制电路板的轨线、各印制板之间的连接线等，只要有信号电流经过，都可能向外发射电磁能量，而且频率越高就越容易发射，从而对周围的其他设备或系统产生电磁干扰。因此，信息技术设备和电力电子器件的工作信号本身就是电磁骚扰源。电磁骚扰源是客观存在的，只有在影响了敏感设备的正常工作时才构成“干扰”，也就是人们通俗所说的电磁干扰。,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。设备内的元器件、集成片、印制电路板的轨线、各印制板之间的连接线等，只要有信号电流经过，都可能向外发射电磁能量，而且频率越高就越容易发射，从而对周围的其他设备或系统产生电磁干扰。,2敏感设备,被干扰的设备，主要研究电磁骚扰怎样使设备性能降低，以期找到提高设备抗干扰能力的途径。,高速和宽带化-使电磁能量更容易发射，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源。高密集度和小型化-使设备内部各个器件、电路、连接线、电缆之间的串扰和电磁耦合更加严重。高灵敏度和低能耗-意味着信号电平低，从而对干扰更加敏感。目前电子信息设备的发展趋向使EMC问题更加严重，因此必须采用适当的骚扰控制技术才能使电子信息设备达到电磁兼容性。,3骚扰的传输途径,通过空间辐射和通过导线传导(1)骚扰通过导线传输-主要通过共阻抗耦合和地环路耦合方式产生干扰。共阻抗耦合-当设备或元器件公用电源线和地线时（在印制电路板上是电源轨线和地线轨线），设备或元器件之间就会通过公共阻抗产生相互干扰。,地环路干扰-当两个设备相互间有信号连接，同时又各自在不同地点接地，如果两个接地点之间存在地电位差，就会产生地环路干扰。,(2)骚扰通过空间传播-近场耦合和远场辐射近场耦合-敏感电路离骚扰源的距离/2，骚扰电磁波穿过敏感设备外壳干扰其内部电路，或在敏感设备的外部连接线上感应干扰电流，通过导线侵入设备内部。一般设备或系统之间的干扰属于远场辐射干扰。,差模辐射电场强度,E为电场强度，V/m；A为环路面积，m2；I为电流，A；r为距离，m；为波长，m;300/f（MHz）,可见，辐射与电流、环路面积、频率的平方成正比。,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,共模源的电流驱动模式,分地引起的共模辐射,电流驱动模式实例,共模源的电压驱动模式,电压驱动模式实例,任何两个金属体之间只要存在射频电位差就构成共模辐射系统当频率达到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,五、EMC控制技术。,屏蔽、滤波、接地、隔离、平衡传输。1、屏蔽技术-在机箱（柜）和某些元器件上喷涂一层金属作为屏蔽层，用于切断骚扰通过空间传播的途径。实际机箱上总是存在各式各样的孔和缝隙，可能造成电磁波的严重泄漏，因此在设计中应遵循下面的经验公式：商用设备机箱孔缝直径d/20；军用设备d/50，屏蔽效能可达20多dB。为提高机箱的屏蔽效能，在接缝处可使用导电衬垫，通风窗可使用波导管，显示窗可使用屏蔽玻璃。,屏蔽层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13屏蔽电缆接头处的“猪尾巴效应”,2、滤波技术-用于切断沿导线传播的传导骚扰。,反射式滤波器-LC低通滤波器安装在电源线、信号线和控制线端口，滤除频率较高的共模骚扰（线地间骚扰）和差模骚扰（线线间的骚扰）。滤波器的安装直接影响到滤波性能。滤波器应该安装在机箱入口处，金属外壳和屏蔽机箱紧密搭接，搭接面积越大越好，以保证良好的低阻抗接地通道。同时滤波器的输入输出线要最大限度地相互隔离，不能靠近和平行走线。,电源滤波器,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,吸收式滤波器-铁氧体磁环在高频时呈现电阻性，套在整个连接线上能消耗高频共模骚扰的能量。由于共模骚扰电流在连接线上是有一定分布的，因此铁氧体磁环应放在连接线的引出处电流较高的位置上。如有可能信号线最好直接采用带滤波器的连接器，这种连接器的插座上每个引脚都带有由铁氧体磁珠和穿心电容组成的滤波器，但这种插座价格较贵。,铁氧体吸收型滤波器,B.共模扼流圈,3、接地技术-为了防止共地线干扰，每个设备中可能有多种接地线,保护地线：以安全为目的，通常与金属机架机壳相连接；工作地线：为设备中各个电路提供稳定的零基准电位的，一般工作接地又根据供电电压、数字和模拟电路等分别设置地线；屏蔽地线：为了抑制噪声，电缆、变压器等的屏蔽层需接该地线，。设备的地线布置一般采用树形结构，最后三类地线都连接到设备的一个接地点上。,4、隔离技术在传输线上插入隔离变压器或光电耦合器，它们只能传输有用的差模信号，不能传输共模信号，用于切断地环路干扰,光电耦合器重量轻、体积小，响应速度快，又可传输直流和低频信号，因此，已广泛应用于数字信号的传输中。,切断地环路,隔离变压器,光电耦合器,5、平衡传输技术-设备之间的信号传输从不平衡方式改变为平衡传输方式并与隔离技术结合，可进一步抑制地环路干扰。,具体作法可以是传输线中的两条线都不接地，对地平衡，发送端和接收端都采用平衡差分电路，这样两条线上的共模电流对地是平衡的，因此在负载端不能转变成差模电压而干扰设备的正常工作。,采用平衡电路,6、采用新材料、新器件、新工艺,三引脚的高频电容器-大大增强去耦滤波性能；表面安装（SMT）元器件-用在元器件密度很高的情况下，避免电路间的相互干扰；铁氧体磁珠、磁环-用作吸收式滤波器，其性能优于电感器，并且可以做得很小，使用方便灵活。金属衬垫、导电橡胶、导电漆、透明屏蔽玻璃等-用于改善机箱屏蔽性能。,六、EMC设计,问题补救法：费时费力，不能从根本上解决问题；EMC设计：在产品开发的最初阶段进行。EMC设计应从两方面着手考虑：产品与外界的连接界面，包括机箱；电源线、控制线、信号线等连接线的端口；产品内部结构的设计与布置，包括印制电路板设计，各部件的电磁兼容设计，以及相互连接线的布置等等。,1、端口设计,提高机箱的屏蔽效能，在连接线端口设置滤波器，采用平衡传输方式和隔离技术抑制地环路干扰。雷电多发区和有强电设备的工业场所，应在连接线端口设置防雷器和浪涌抑制器，如果信号线传输的信号速率较高，串接滤波器可能把有用的信号的高频部分也滤掉，这时就只能采用屏蔽电缆和屏蔽连接器，并要求它们的屏蔽层和机箱的屏蔽层保持360度的完整搭接，不能出现“猪尾巴”现象。,2、产品内部结构的设计与布置,印制电路板的设计最为重要设计目的：使板上各部分电路之间没有相互干扰；印制板对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求；外部的传导干扰和辐射干扰对板上的电路基本无影响。设计的步骤：选取印制板类型，确定元器件在板上的位置，依次布置地线、电源线、高速信号线，低速信号线。,设计应遵循三个主要原则：1）无论是信号环路或供电环路，电流的环路面积越小越好，尤其不能出现环套环的重叠现象。,大的电流环路面积的危害：a.加大差模电流辐射b.加大共模电流辐射c.加大与其他信号环路的磁场耦合,减小环路面积法：信号线紧贴回流线,(a)(b)图2减小环路面积的几种布置方式（a）共面平行带状线(b)不共面平行带状线,EMC设计的基本思想,干扰抑制要采取综合整治的方法，层层设防，才能达到预期效果。实际上在设计中采用正确的措施常常能同时起到抗干扰和抑制发射的作用。兼容的观点就是既要对噪声源进行抑制，又要提高敏感设备的抗干扰能力，不能单纯的强调一个侧面。如果无限制的对某个侧面提出过高要求，则可能导致人力、物力和时间上的浪费，有时甚至是难以实现的，应该站在整个系统的立场上在系统的组织设计初期就考虑