电磁兼容设计技术

1、会计学1电磁兼容设计技术电磁兼容设计技术2信号畸变信号畸变不能达到预期的功能不能达到预期的功能信号本身失真信号本身失真 反射反射 损耗损耗串扰串扰地线、电源地线、电源噪声噪声外界干扰外界干扰（辐射、传导）（辐射、传导）电磁兼容设计电磁兼容设计信号完整性信号完整性3电路图电路图产品产品EMCSI4开关电源数字脉冲电路数字视频设备220AC5屏蔽屏蔽接地接地滤波滤波选什么材料选什么材料屏蔽体怎样接地屏蔽体怎样接地屏蔽效能取决于什么因素屏蔽效能取决于什么因素地线与干扰有什么关系地线与干扰有什么关系应该怎样设计地线应该怎样设计地线怎样实现有效的滤波怎样实现有效的滤波为什么滤波并不有效为什么滤波并不有效

2、6RS105，脉冲电磁场试验，脉冲电磁场试验7共模滤波电容共模滤波电容滤波滤波的测试结果的测试结果滤波滤波的软件仿真结果的软件仿真结果8课程特点：课程特点：n注重物理概念和应用背景，避免空洞理论和复杂注重物理概念和应用背景，避免空洞理论和复杂公式公式n内容实用，立竿见影内容实用，立竿见影n培养解决电磁干扰的综合能力（基本理论、分析培养解决电磁干扰的综合能力（基本理论、分析方法、问题解决能力等）方法、问题解决能力等）910 对电磁兼容技术有全面的了解对电磁兼容技术有全面的了解 掌握接地、滤波、屏蔽等关键技术掌握接地、滤波、屏蔽等关键技术 在产品电磁兼容设计方面有明确的思路在产品电磁兼容设计方面有

3、明确的思路 使产品顺利通过电磁兼容试验使产品顺利通过电磁兼容试验 具备进一步学习的能力具备进一步学习的能力11预备知识与基本概念预备知识与基本概念12模拟电路模拟电路控制电路控制电路（处理器）（处理器）信号处理信号处理电源电源13电场电场VN = VSZL/(ZC+ZL) ZL VSVN容抗：容抗： ZC = 1/j C 14I1VN15数字数字电路电路模拟模拟电路电路VN16模拟电路模拟电路数字电路数字电路17接收天线：接收天线：将天线上的电磁波变成端口将天线上的电磁波变成端口上的电压上的电压辐射天线：辐射天线：将端口上的电压变成电磁波将端口上的电压变成电磁波VV18环天线环天线 偶极天线偶

4、极天线 单极天线单极天线 VVV19近场区内（近场区内（ D /2 ）: H = IA / (4 D3) A/m E = Z0IA / (2 D2) V/m 远场区内（远场区内（D /2 ） : H = IA / ( 2D) A/m E = Z0 IA / ( 2D) V/m AID20近场区内近场区内: H = I L / (4 D2) A/m E = Z0I L / (8 2 D3) V/m远场区内远场区内: H = I L / (2 D) A/m E = Z0 I L / (2 D) V/mI LD21波波阻阻抗抗377/ 2到观测点距离 rE/HZW = Z0（2 D/ ）ZW = Z

5、0 = 377 I LAIZW = Z0（ /2 D)22偶极天线：只要两个体之间存在电位差，就偶极天线：只要两个体之间存在电位差，就构成了偶极天线。构成了偶极天线。环天线：只要存在电流环路，就形成了一个环天线：只要存在电流环路，就形成了一个环天线。环天线。23机箱机箱接地线接地线PCBVG主板主板电缆电缆子板子板笔记本笔记本PCB电缆电缆没接地的散热片没接地的散热片24251 用天线的概念看待设备中的导体用天线的概念看待设备中的导体,发现隐发现隐蔽的天线蔽的天线2 尽量消除这些具有天线性能的结构尽量消除这些具有天线性能的结构3 不能消除时，控制天线的辐射不能消除时，控制天线的辐射 减小环天线

6、的面积减小环天线的面积 减小两个导体之间的射频电压减小两个导体之间的射频电压26分贝的定义：分贝数分贝的定义：分贝数 10lgP2P1P1、P2 是两个功率数值，对于电流或电压，定义如下：是两个功率数值，对于电流或电压，定义如下：电压增益的分贝数电压增益的分贝数 20lgV2V1电流增益的分贝数电流增益的分贝数 20lgI2I127电压：电压：用用1V、1mV、1 V 为参考（例如：为参考（例如：1 V = 0dB V） 则单位为：则单位为：dBV、dBmV、dB V 等，等，电流：电流：用用1A、1mA、1 A 为参考，则：为参考，则：dBA、dBmA、dB A场强：场强：用用1V/m、1

7、V/m 为参考，则：为参考，则：dBV/m、dB V/m 等，等，功率：功率：用用1W、1mW 为参考，则：为参考，则：dBW、dBm等，等，289910.1SE = 20lg(100/1.1) 40dB 99110SE = ?如果把绿色辐射体去掉，屏蔽体的屏蔽效能是多少？如果把绿色辐射体去掉，屏蔽体的屏蔽效能是多少？29处理电磁干扰的问题必须熟悉频域分析：处理电磁干扰的问题必须熟悉频域分析：电磁兼容标准中大部分指标都是在频域中表示的电磁兼容标准中大部分指标都是在频域中表示的对电磁干扰的各种措施都与频率有关对电磁干扰的各种措施都与频率有关通过频率特征容易查找干扰源通过频率特征容易查找干扰源30

8、10203040506070809010k100k1M10M100M1G10G100GFrequency (Hz)Limit Level (dBV/m)24344489697918GFixed Wing External (2MHz to18 GHz)and HelicoptersFixed Wing Internal,25 meters Nose to TailFixed Wing Internal, 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心，做大电感量共模扼流圈的磁心154155SD1D2饱和电流： Imax = Bmax S (D1-D2)/2L电感量： L （nH）= 0.2 N2 r

9、S(mm) ln (D1/D2)电感量电感量厂家手册给出厂家手册给出 厂家经常给出每匝的电感量厂家经常给出每匝的电感量“AL”，则，则 L （nH）= AL N2 156157铁氧体电感（高损耗）铁氧体电感（高损耗）空心电感（高空心电感（高Q）158159160161162163164165166板上滤波器板上滤波器无屏蔽的场合无屏蔽的场合滤波器靠近被滤波导线的靠近器件或线路板一端。有屏蔽的场合：在屏蔽界面上有屏蔽的场合：在屏蔽界面上167滤波器要并排安装滤波器要并排安装线路板的干净地与金属机线路板的干净地与金属机箱或大金属板紧密搭接箱或大金属板紧密搭接为滤波设置干净地为滤波设置干净地在接口处

10、设置档板在接口处设置档板滤波器靠近接口滤波器靠近接口168容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短169屏蔽盒屏蔽盒馈通滤波器馈通滤波器连接器连接器滤波连接器滤波连接器虽然是最佳虽然是最佳选择，但是选择，但是当空间允许当空间允许时，也可以时，也可以这样：这样：170用于制造滤波连接器用于制造滤波连接器171滤波器与面板之滤波器与面板之间必须使用电磁间必须使用电磁密封衬垫！密封衬垫！172滤波器接地阻抗滤波器接地阻抗预期干扰电流路径预期干扰电流路径实际干扰电流路径实际干扰电流路径对接地没有把握时，对接地没有把握时，避免使用避免使用 形滤波器形滤波器！173

11、共模扼流圈共模扼流圈差模电容差模电容共模电容共模电容共模滤波电容受到漏电流的限制共模滤波电容受到漏电流的限制174175滤波器高频性能差滤波器高频性能好无滤波176或精心绕制或多个电感串联精心绕制或多个电感串联1770-1050 / 50 100 / 0.1 或或 0.1 / 100 频率频率插入损耗插入损耗解决办法：差模电感上并联电阻（解决办法：差模电感上并联电阻（50 1k)，差模电容上串联电阻（，差模电容上串联电阻（0.5 10）178179VQVQV180V181滤波器0.1100滤波器0.11000衰减50条件下的插入损耗0.1/100条件下的插入损耗插入损耗增益会暴露出来18218

12、3机箱内干扰机箱内干扰电源线泄漏严重电源线泄漏严重184机箱内干扰机箱内干扰被滤波器挡住被滤波器挡住被滤波器旁路掉被滤波器旁路掉面板滤波器面板滤波器电源线无泄漏电源线无泄漏185PCB滤波器滤波器输入线过长输入、输出耦合PCB186滤波器绝缘漆PCB滤波器通过细线接地，高频效果很差！接地线187滤波器PCB 滤波器直接接地尽量短 输入、输出线隔离滤波器安装在线路板上时，在电源线入口处增加一只高频共模滤波器电源PCB滤波电路188110VAC189220VAC110VAC190220VAC191220VAC192220VAC193电缆辐射电缆辐射场在导线中感应的噪声场在导线中感应的噪声电缆之间的

13、串扰电缆之间的串扰194电缆辐射电缆辐射场在导线中感应的噪声场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰电缆之间的串扰195I2CPI3I1CP尽管共模成份的比例很小，但是由于辐射环路大，尽管共模成份的比例很小，但是由于辐射环路大，仍然是主要的辐射因素仍然是主要的辐射因素196197不接地线不接地线接上地线接上地线你喜欢你喜欢电缆屏蔽层接地吗电缆屏蔽层接地吗 ?198VCM机箱内的所有信号都会通过电缆辐射！机箱内的所有信号都会通过电缆辐射！199电电 缆缆 辐辐 射射差模辐射差模辐射共模辐射共模辐射差模电流转变为共模电流差模电流转变为共模电流信号地上共模电压导致共模电流信号地上共模电压导致共模电流临近电

14、路的耦合产生共模电压，进而导致共模临近电路的耦合产生共模电压，进而导致共模电流电流工作电流回路形成的环路天线工作电流回路形成的环路天线200同轴电缆同轴电缆扁平电缆扁平电缆双绞线双绞线201减小共模电流减小共模电流回路面积回路面积减小减小共模电流共模电流增加共模电流回路的阻抗增加共模电流回路的阻抗共模电流滤波共模电流滤波减小共模电压减小共模电压屏蔽电缆屏蔽电缆电缆靠近地线面电缆靠近地线面线路板线路板屏蔽屏蔽其它其它202减小共模电流减小共模电流回路面积回路面积减小减小共模电流共模电流增加共模电流回路的阻抗增加共模电流回路的阻抗共模电流滤波共模电流滤波减小共模电压减小共模电压屏蔽电缆屏蔽电缆电缆

15、靠近地线面电缆靠近地线面线路板线路板屏蔽屏蔽其它其它203I2CPI3I1CP通过额外的地线板减小共模电流的回路面积通过额外的地线板减小共模电流的回路面积204CMCMDM思考题思考题16：用屏蔽的方法减小信号电缆的辐射时，最关键的因素是什么？：用屏蔽的方法减小信号电缆的辐射时，最关键的因素是什么？205CMCMCMCMDM206CMCMDMV辐射环路辐射环路VIZT = V / I207102 103 104 105 106 107 1080.0010.010.1110100100010000传输阻抗（传输阻抗（m /m）Hz铝箔铝箔单层编织单层编织最佳单层编织最佳单层编织双层编织双层编织双

16、层编织双层编织 + 一层一层 金属金属双层编织 + 双层金属实心铜实心铜208CM思考题思考题17：什么情况下屏蔽电缆的辐射比非屏蔽电缆辐射更强，为什：什么情况下屏蔽电缆的辐射比非屏蔽电缆辐射更强，为什么？么？209210211212213减小共模电流减小共模电流回路面积回路面积减小减小共模电流共模电流增加共模电流回路的阻抗增加共模电流回路的阻抗共模电流滤波共模电流滤波减小共模电压减小共模电压屏蔽电缆屏蔽电缆电缆靠近地线面电缆靠近地线面线路板线路板屏蔽屏蔽其它其它214线路板接地线路板接地线路板不接地线路板不接地CP较大较大CP较小较小频率频率MHz共模共模电流电流215PCBPCB共模回路共

17、模回路思考题思考题18：共模扼流圈的效果与什么因素有关？：共模扼流圈的效果与什么因素有关？216设原来电缆形成的共模回路阻抗为设原来电缆形成的共模回路阻抗为ZCM1，铁氧体，铁氧体的阻抗为的阻抗为ZL改善量改善量 = 20lg(E1 / E2) = 20lg ( ICM1 / ICM2 ) = 20lg(VCM / ZCM1) / (VCM / ZCM2) =20 lg ( ZCM2 / ZCM1) =20 lg ( 1+ ZL / ZCM1 ) dB217218219 i = 700 i = 4000220尽量靠近电缆端头尽量靠近电缆端头匝数多匝数多匝数少匝数少频率频率衰减衰减整根电缆穿过整

18、根电缆穿过 内径尽量小内径尽量小 长度尽量大长度尽量大 壁厚尽量大壁厚尽量大221减小共模电流减小共模电流回路面积回路面积减小减小共模电流共模电流增加共模电流回路的阻抗增加共模电流回路的阻抗共模电流滤波共模电流滤波减小共模电压减小共模电压屏蔽电缆屏蔽电缆电缆靠近地线面电缆靠近地线面线路板线路板屏蔽屏蔽其它其它222223电缆辐射电缆辐射场在导线中感应的噪声场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰电缆之间的串扰224信号线和回流线在一根电缆中信号线和回流线在一根电缆中用地线面作回流线用地线面作回流线共模电流共模电流差模电压差模电压不平衡不平衡直接产生差模电压直接产生差模电压Sh22510kHz 100

19、kHz 1MHz 10MHz 100MHz 1GHz 10GHz 0-10-20-30-40-50123ABCDEh = 0.5mS: A = 100m B = 30m C = 10m D = 3m E = 1m与与 S、h 无无关关dBV1V/m场强产生的电压场强产生的电压226电磁场V1V2I1I2VD平衡性好坏用共模抑制比表示： CMRR = 20lg ( VC / VD )VC 高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低227平衡电路屏蔽电缆共模扼流圈平衡电路CMRRCMRRff2282290V电缆长度电缆长度 /20，多点接地，多点接地230VN

20、VN ( d / dt ) = A ( dB / dt )磁通磁通 回路面积回路面积A感应电压感应电压当面积一定时当面积一定时231理想同轴线的信号电流与回流等效为在几何上重合，因此电缆上的回路面积为0，整个回路面积仅有两端的部分232VSVSVS只有两端接地的屏蔽层才能 屏蔽磁场2331001M1M1M100100每米18节(A)(B)(D)(E)(C)0271313281M1M1001002341001M1M1M100100每米18节(F)(G)(I)(J)(H)80557063771M1M100100235设：总电磁场为设：总电磁场为1000，其中磁场为，其中磁场为999，电场为，电场为

21、1，双绞线的磁场抑制效果为：双绞线的磁场抑制效果为：20lg(1000/230) 13 dB单端接地的屏蔽层的效果：单端接地的屏蔽层的效果：20lg(230/229) 0 dB双绞线双绞线单端接地屏单端接地屏蔽层蔽层236设：总电磁场为设：总电磁场为1000，其中磁场为，其中磁场为999，电场为，电场为1，双绞线的磁场抑制效果为：双绞线的磁场抑制效果为：20lg(1000/1.3) 58 dB单端接地的屏蔽层的效果：单端接地的屏蔽层的效果：20lg(1.3/0.3) 13 dB双绞线双绞线单端接地屏蔽层单端接地屏蔽层237电缆辐射电缆辐射场在导线中感应的噪声场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰电

22、缆之间的串扰238MCICICILILR0RLR2GR2L239ZSZL 10002： 电场耦合为主电场耦合为主3002 ZSZL 10002：取决于几何结构和频率：取决于几何结构和频率240C12C1GC2GRC1GC2GC12RVN V1V1j C12 / ( C12 + C2G)j + 1 / R ( C12 + C2G)V1VN241 R 1 / j ( C12 + C2G ) VN = V1 C12 / ( C12 + C2G ) 242耦合电压耦合电压VN = j RC12V1C12V1 (C12 + C2G)VN =1 / R (C12 + C2G)频率频率 243屏蔽层不接地：

23、屏蔽层不接地：VN = VS =V1 C1S / ( C1S + CSG ) ，与无屏蔽相同，与无屏蔽相同屏蔽层接地时：屏蔽层接地时：VN = VS = 0， 具有理想的屏蔽效果具有理想的屏蔽效果C1sC1GCsGC1GCSGC1sVsV1V1VsC2S244R 很大时：很大时：VN = V1 C12 / ( C12 + C2G + C2S ) C1sC1GCsGCSGC1sVNV1V1VNC2SC12C12C2GR 很小时：很小时：VN = j RC12 245定义：定义： 自感自感L 1 / I1 ， 互感互感 M 12 / I1 1 是电流是电流I1在回路在回路1中产生的磁通，中产生的磁

24、通， 12 是电流是电流I1在回路在回路2中产生的磁通中产生的磁通回路回路1回路回路2aba M = （ / 2 ）lnb2/（b2- a2） 减小减小M的方法：回路的方法：回路1用双绞线或同轴线，减小回路用双绞线或同轴线，减小回路2的面积，增加两的面积，增加两 个回路的距离个回路的距离246MR2RR1RR2VN d 12 / dt = d(MI1)/dt = M dI1 / dtR1I1VNI1VNV1V1247IN = j C12V1R2R1VVVN = j M12 I1R2R1电容耦合电感耦合248I1M1SM12关键看互感是否由于屏蔽措施而发生了改变关键看互感是否由于屏蔽措施而发生了

25、改变249M1SM12MS2+ - - +V12VS2导体1导体2屏蔽体V12 = j M12 I1 VS2 = j MS2 IS VN = V12 + VS2 I1IS求解这项求解这项250+ LS = / IS MS2 = / IS 因此：因此：LS = MS2 导体导体2屏蔽层屏蔽层VS2 = j MS2 I S = j MS2 ( V S / ZS) = j LS V S / ( j LS+RS ) = VS j / ( j +RS/LS)251VN = V12 + VS2 V12 = j M12I1 VS = j M1SI1因为：因为：M12 = M1S所以：所以：VS = j M1

26、2I1所以：所以：VS2 = j M12I1 j / ( j +RS / LS)VN = V12 - V12 j / ( j +RS / LS) = V12 (RS / LS) / ( j +RS / LS) V12 252VN M12 I1（Rs / Ls )VN j M12 I1VNRs / Ls 无屏蔽电缆无屏蔽电缆屏蔽效能屏蔽效能屏蔽电缆 lg 253254线路板的辐射线路板的辐射外界电磁场对线路板的干扰外界电磁场对线路板的干扰地线和电源线噪声地线和电源线噪声地线引起的公共阻抗耦合地线引起的公共阻抗耦合走线之间的串扰走线之间的串扰信号的反射（传输线效应）信号的反射（传输线效应）2552

27、56Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驱动电路被驱动电路ICCI驱动驱动I充电充电I放电放电IgVg257输出ICCVCCIgVg2581324寄生电容259L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 HWSL = ( L1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：若：L1 = L2L= ( L1 + M ) / 2MII260261电源线电感电源线电感L, V =L(di/dt)储能电容储能电容这个环路尽量小这个环路尽量小262尽量使电源线与地线靠近尽量使电源线与地线靠近263C = dI dt dVZf1/2 LC各参数含义：各参数含义：在

28、时间在时间dt内，电源线上出内，电源线上出现了瞬间电流现了瞬间电流dI，dI导致了导致了电源线上出现电压跌落电源线上出现电压跌落dV。 264电源电源地地铁氧体铁氧体注意铁氧体安装的位置注意铁氧体安装的位置接地线面接地线面细线细线粗线粗线用铁氧体增加用铁氧体增加电源端阻抗电源端阻抗用细线增加电用细线增加电源端阻抗源端阻抗265普通电容（1）三端电容（0.1）三端电容 + 铁氧体注意位置！266267268 插线电容插线电容 表贴电容表贴电容269差模辐射差模辐射共模辐射共模辐射电流环电流环杆天线杆天线270ZGZLVZC = ZG + ZL近场：近场：ZC 7.9 D f E = 7.96VA

29、 / D3 （ V/m） ZC 7.9 D f ， E = 63 I A f / D2 （ V/m） H = 7.96IA / D3 （ A/m）远场：远场： E = 1.3 I A f 2 /D （ V/m）环路面积环路面积 = AI271考虑地面反射时：考虑地面反射时： E = 2.6 I A f 2 /D （ V/m）272频谱包络线频谱包络线差模辐射频率特性线差模辐射频率特性线脉冲的差模辐射包络线脉冲的差模辐射包络线 1/ d 1/ tr40dB/decfff- 20dB/dec- 40dB/dec E = 2.6 I A f 2 /D EdB = 20lg（2.6 I A /D） +

30、40lg f 40dB/dec20dB/dec273逻辑 系列 上升时间 电流 不同时钟频率允许的面积（cm2 ） 4MHz 10 30 100 4000B 40 6 1000 400 74HC 6 20 50 45 18 6 74LS 6 50 20 18 7.2 2.4 74AC 3.5 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74F 3 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74AS 1.4 120 2 0.8 3 0.15 仅代表了一个环路的辐射情况，若有N个环路辐射，乘以 N 。因此，可能时，分散时钟频率。274E = 2.6 I A f 2 / D低通滤波器低通滤波器布线27

31、5276 1 10 100 1000 1 10 100 1000dB V/mdB V/m所有电路加电工作所有电路加电工作只有时钟电路加电工作只有时钟电路加电工作277L=20cm278L=10cmL=5cm27928068HC1174HC00AB连接连接A、BE时钟281282283284在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是EMC设计吗？设计吗？285220VAC共模干扰耦合路径共模干扰耦合路径286287288信号信号1电源层电源层地线层地线层信号信号2低频高频DC0.5 1 10 100 1G110地线面的阻抗，地线面的阻抗，m / 平方平方地线面具有很小的地线阻抗地线面具有很小的地线阻抗289模拟地模拟地数字地数字地A/D变换器L75mm2