《EMI设计简介》PPT课件.ppt

1、EMI设计简介,一.EMI.EMC.EMS的定义及相互关系 1.EMI定义: EMI是Electro-Magnetic Intererence的缩写,译为电磁干扰,是指某一装置 或系统在执行其应具有的功能的过程中,如出现有不利于对其他电子设备或系统运作功能的讯号,而此讯号是不需要的,且是没意义的,则称此讯号为”EMI”,此讯号可能来自外界,亦可能来自设备或系统本身.参见图1. 2.EMS定义: EMS是Electro-Magnetic Susceptibility的缩写,译为电磁免疫,是指某一装置或系统在执行应具有功用的过程中不受周围电,磁环境影响的能力.参见图1,EMI知识简介,EMI知识简

2、介,图1 EMI和EMS示示意图,EMI,EMS,3.EMC定义: EMC是Electro-Magnetic Compatibility 的缩写,译为电磁兼容,是指某一装置或系统和其它装置和系统同时运作时,互相间不会国为EMI问题而使功能受到影响,即可称”兼容”. 三者关系:异常电源对电力电子设备会发生干扰,同时电力电子设备亦会产生干扰波影响其它用电设备,故对所有的干扰源必须具备如图2所示的兼容观念,EMI知识简介,EMI知识简介,EMI,应注意,应能够,EMS,图2.EMC的观念,二.EMI/EMS之分类,EMI知识简介,EMC,EMS,EMI,RS,CS,RE,CE,传导性干扰 Condu

3、cted emission,对传导的免疫 Conducted susceptibility,对辐射的免疫 Radiated susceptibility,辐射性干扰 Radiated emission,无论是传导性EMI (Conducted EMI)还是辐射性EMI(Radiated EMI)均有差 模(differential mode noise)和共模(common mode noise)之分. 三.EMI之产生,解决方案及国际标准. 1.EMI产生 (1)自然界所产生的电磁干扰: a.电?磁场(low-frequency electric and magnetic field) b.

4、雷击(lightning) c.高频电磁波（high-frequency electromagnetic field,EMI知识简介,2)人为设备所产生干扰 .射频发射机(radio transmitter) b.数字讯号处理与传输(digital signal processing and transmission) c.电热应用(electro-heat application) d.电力设备及输电(power conditioning and transmission) .低频导电性(low frequency conducted)干扰 (谐波?电压变动?电压瞬降?不平衡?载波讯号?其它

5、低频) .高频辐射性(high frequency radiated)干扰 .高频导电性(high frequency conducted)干扰 (低电压系统的尖波?高电压变电所的突波电压 .高频辐射性(high frequency radiated)干扰 e.开关时的瞬时(switching transient) f.静电放电(electrostatic discharge,ESD) g.核爆电磁脉波(nuclear electromagnetic pulse,NEMP,EMI知识简介,2.EMI的表现形态: (1)由电源电路进入的噪声干扰 (2)由讯号线的噪声干扰 (3)由静电感应引起的噪

6、声干扰 (4)电磁感应引起的噪声干扰 (5)由电磁波引起的噪声干扰 (6)由电路间共同阻抗引起的噪声干扰 (7)由反射引起的噪声干扰 (8)由接地或屏蔽不当引起的噪声干扰 (9)由配线不良引起的噪声干扰 (10)由接地不良引起的噪声干扰,EMI知识简介,3.噪声干扰的对策: (1)接地(Grounding) (2)屏蔽(Shielding) (3)滤波(Filtering) (4)平衡(Balancing) (5)隔离(Isolation) (6)分离与取向(Separation and Orientation) (7)电路阻抗控制(Circuit impedance level contro

7、l) (8)配线设计(Cable design) (9)速度与频宽控制(Speed and band width control,EMI知识简介,4.有关EMI的国际标准 (1) FCC: U.S. Federal Communication Commission 美国联邦通信委员会 Docket 20780 (2) VDE (3) MIL (4) IEC,EMI知识简介,Conduction Emission Limits,Table 1 FCC Class A Radiated Emission Limits,EMI知识简介,Frequency Measuring Field (MHz)

8、Distance Strength (m) (uV/m,30-88 30 30 88-216 30 50 216-1000 30 70,Frequency Measuring Field (MHz) Distance Strength (m) (uV/m,30-88 3 100 88-216 3 150 216-1000 3 200,Table 2 FCC Class B Radiated Emission Limits,四.传导性EMI和辐射性EMI 如前所述,电磁干扰(EMI)有两种传播途径:传导(Conduction)和辐射(Radiation),即电磁干扰分为传导性电磁干扰(Condu

9、cted EMI)和辐射性电磁干扰(Radiated EMI)两种. 电磁干扰在电子仪器设备中产生噪音,相应地,噪音亦分为传导性噪音效(Conducted noise)和辐射性噪音(Radiated noise) a.当电磁干扰波的频率小于30MHz时,电磁干扰主要是以传导方式在电子设备中产生传导性噪音,可通过测试电源线感应的电压来衡量干扰程度. b.当电磁干扰波的频率高于30MHz时,电磁干扰主要以辐射方式在电子设备中产生辐射噪,以直接测量传播到空间的干扰波来评价干扰程度. 无论传导噪音还是辐射噪音,都分为共模(或共态)噪音(common mode noise)和差模(或常模?常态)(dif

10、ferention mode noise或normal mode noise)两种. 通常共模噪音比差模噪音更难控制,EMI知识简介,四.传导性EMI和辐射性EMI 如前所述,电磁干扰(EMI)有两种传播途径:传导(Conduction)和辐射(Radiation),即电磁干扰分为传导性电磁干扰(Conducted EMI)和辐射性电磁干扰(Radiated EMI)两种. 电磁干扰在电子仪器设备中产生噪音,相应地,噪音亦分为传导性噪音效(Conducted noise)和辐射性噪音(Radiated noise) a.当电磁干扰波的频率小于30MHz时,电磁干扰主要是以传导方式在电子设备中产

11、生传导性噪音,可通过测试电源线感应的电压来衡量干扰程度. b.当电磁干扰波的频率高于30MHz时,电磁干扰主要以辐射方式在电子设备中产生辐射噪,以直接测量传播到空间的干扰波来评价干扰程度. 无论传导噪音还是辐射噪音,都分为共模(或共态)噪音(common mode noise)和差模(或常模?常态)(differention mode noise或normal mode noise)两种. 通常共模噪音比差模噪音更难控制,EMI知识简介,EMI知识简介,一).辐射噪音之抑制方法. 辐射性EMI产生如右图: 抑制辐射噪音的主要方法有屏蔽,差模噪音是讯号线与其回路之间的噪声,其传导方式如图(b,E

12、MI知识简介,二)传导性EMI(或噪音) 如前所述,传导性噪音亦分为共模和差模两种. 共模噪音是讯号或其回路与大地间之噪声,其传导方式如图(a,抑制传导性噪音的方法是滤波(filter) 1.滤波定义: 滤波作用是利用不同频率的讯号,对于电容或电感组件会产生不同阻抗(即较高频率的讯号,其感抗较大而容抗较小,而较低频率的讯号,其感抗较小,容抗较大)而造成不同频率讯号,对于电容或电感之衰减量不同,故使所需讯号与噪声之S/N比值提高,而达到噪声干扰(噪音)防制的效果. 2.滤波器之分类,EMI知识简介,1)两种滤波类型,通讯或波的滤波设计,电源滤波设计,用在系统内部噪音的抑制,用于系统间噪音的抑制,

13、2)四种滤波方式,EMI知识简介,低通滤波(low pass filtering,高通滤波(high pass filtering,带通滤波(band pass filtering,带止滤波(band rejection filtering,DC滤波,AC滤波,3)两种滤波场合,由于一般之电源噪声对于电源工作频(如AC60Hz)而言,均原于高频噪声,故我们将主要讨论低通电源波器,EMI知识简介,3.低通电源滤波器之设计 低通电源滤波器是排除系统间导线之噪声干扰的有效办法,其设计考虑重点为: (1)噪声(噪音)类型 (2)滤波频带 (3)衰减量 (4)线路匹配 (5)滤波组件 (6)额定电压与额

14、定电流 (7)接触阻抗,1)噪声类型 噪声来源:内部噪声,外部噪声,内外噪声兼有,EMI知识简介,噪声类型,共模噪声(common mode noise,差模噪声(differential mode noise,滤波器设计是以频域(frequercy domain)作考虑,傅立叶,因此,要: 时域(time domain,转换,频域(frequency domain,EMI知识简介,2)滤波的频宽 一个滤波器的滤波频宽要能涵盖共所要滤除的频带,理论上,一个低通滤波器在其截止频率fc以上之频率,均可视为有效的滤波频宽. 实际上,一个滤波器的频宽设计,常因滤波组件L.C受到f的影响而缩短其有效频宽

15、,如下图所示,EMI知识简介,a,b,c,图(a)为L.C在低频(约1MHz以下)时之等效电路,与理想电路同; 图(b)为中频(约110MHz左右)时之等效电路,其滤波件的线感量与杂散电容已不可忽略,而使滤波的特性如同带止滤波; 图(c)为高频(约10MHz以上)时之等效电路,其滤波组件之主要特性将由线感量与杂散电容所决定,使低通滤波器的特性,如同高通滤波. 通常一个滤波组件其截止频率fc之选定,为其所要滤除的频带之最低频率的1/5以下,且其频带宽不得超过100fc,其次还要考虑衰减量(Atlenuation),组件特性及成本. (3)衰减量的考虑. 一个滤波器之减量,应为使通过滤波器滤波后之

16、噪声强度,不致于使滤波器所有保护的线路发生误动作或有超额定汇围的现象,EMI知识简介,衰减量定义:线路中加入滤波器后其两端电压或电流的比值,EMI知识简介,插(加)入损失量(insertion loss):线路加入滤波器后,与未加入前之电压或电流比值,常用插入损失量来评估滤波器的特性 对于一个低通滤波器言,若一讯号频率高过滤波之截止频率fc时,则对每一个滤波组件,将成20log的衰减. 下图为各种常见滤波器之电路图与插入损失,EMI知识简介,单元件低通滤波器,EMI知识简介,基本L-C低通滤波器,4)线路匹配的考虑 一个滤波器的设计,若不对线路匹配作考虑,则不仅滤波效果会受影响,亦可能带来萁他

17、干扰. 对一个低通滤波器而言,其线路的考虑与滤波作用的衰减量,如下图所示. 下图为定K型低通滤波器不同情形及衰减量计算,EMI知识简介,EMI知识简介,由上图可知: 若滤波器所连之线路为高阻抗,则滤波器与线路连接之第一个组件,应使用并电容; 若滤波器所连之线路为低阻抗,则滤波器与线路连接之第一个组件,应使用串接电感; 有关低通滤波器线路匹配的设计,如下图所示,其L.C与Rs.RL之关系式为,EMI知识简介,L,通常低通电源滤波器,均使用在AC电源输入与系统电源供应器间,而两者阻抗分别为:AC电源输入阻抗可视为50,而一般switching power surpply之线路阻抗约为15030%

18、以内. 另外,针对不同类型的噪声有不同的滤波设计,EMI知识简介,5)滤波组件的考虑 滤波设计之主要滤波组件有电感与电容两种. 电感: 电感组件使用作滤波组件,一般可分为差模噪声使用组件与共模噪声使用组件. 差模噪声使用组件,因负载电流的直接流入,故使用低Ur值,高饱和度的磁性材料,如Iron power,Ni-Zn等,以防止组件饱和,其滤波作用为奥姆效应.如下图示,EMI知识简介,共模噪声使用组件,则为ur值较高,饱和度较低之磁性材料,其滤波作用为楞次效应,下图所示,EMI知识简介,VG=jwL1Il+jwMI2+I1L1 (1) VG=jwL2I2+jwMI1+R2I2 (2,3,L1=L

19、2=M=L,元,故只要尽可能降低Ri之值,EMI知识简介,则共模噪声可降低于最低,高频时,电感组件将如下图所示,杂散电容C开始时组件之频率特性者影响,R-损失阻抗 C1-杂散电容,L,使L,Ri,W,电容: 电容组件如同电感组件一样,对共模噪声和差模噪声,分别使用X-type(Cx)与Y-type(Cy)两种电容.不过此种型态的电容在滤波特性上并无分别,而仅是安全耐压上的差异:Cx为聚酯膜电容,耐压不超过275VAC,耐Cy为陶瓷电容,耐压可到400VAC 电容在高频时等效电路图为,EMI知识简介,R1-电容接脚之线电阻 L1-电容接脚之线感量 C-电容量 Rr-消散电阻(绝缘电阻,当f升高时,Wl1不可忽略,与C引起串联共振,此时线感量计算式为,对铜而言,l-接