【学习】第二章电磁干扰及对策电磁兼容

1、.1第二章 电磁干扰及对策方春恩方春恩 .2主要内容：主要内容：一、干扰噪声的认识（三要素）一、干扰噪声的认识（三要素） 干扰源干扰源 耦合途径耦合途径 接收器接收器 二、电磁耦合干扰分析方法二、电磁耦合干扰分析方法三、抑制技术与措施三、抑制技术与措施第一节第一节 电磁干扰的产生电磁干扰的产生.31 干扰噪声的认识干扰噪声的认识干扰源干扰源耦合通道耦合通道敏感接收器敏感接收器干扰源：干扰源：n本征噪声源、人为噪声源、自然界干扰源本征噪声源、人为噪声源、自然界干扰源n电磁干扰，光电干扰，机械干扰（摩擦起电、导体电磁干扰，光电干扰，机械干扰（摩擦起电、导体在磁场中运动、压电效应、震颤效应），其它噪

2、声在磁场中运动、压电效应、震颤效应），其它噪声（电化学作用的化学湿电池，温度变化等）（电化学作用的化学湿电池，温度变化等） .4电子系统受到外部电磁干扰电子系统受到外部电磁干扰.5电子设备的干扰对其它电路系统的影响电子设备的干扰对其它电路系统的影响.6电子系统内部不同电路单元之间电子系统内部不同电路单元之间相互影响的几种形式相互影响的几种形式电场耦合电场耦合磁场耦合磁场耦合公共阻抗公共阻抗.72、耦合途径、耦合途径n传导耦合传导耦合：通过导体（导线）将噪声耦合进电路中。：通过导体（导线）将噪声耦合进电路中。 最典型的例子是噪声通过电源线传入电路。最典型的例子是噪声通过电源线传入电路。n公共阻抗

3、耦合公共阻抗耦合：来自不同电路的电流流经一个公共：来自不同电路的电流流经一个公共阻抗时，就会产生公共阻抗噪声耦合。阻抗时，就会产生公共阻抗噪声耦合。n电磁场耦合电磁场耦合：只要电荷发生移动，所有的电路元件、：只要电荷发生移动，所有的电路元件、导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。近导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。近场时，分别考虑电场和磁场；远场时，电磁联合辐场时，分别考虑电场和磁场；远场时，电磁联合辐射。射。.8共地阻抗耦合共地阻抗耦合.9共源阻抗耦合共源阻抗耦合.10电磁场耦合分析方法电磁场耦合分析方法电容性耦合电容性耦合 ZiCmENUNABnimimNEZCjZCjU1Ni

4、mNEZCjU互感耦合互感耦合 NNMIjUUNMIN.11漏电耦合漏电耦合 NimiNEZRZUUNRmENBAZi.12低频电磁干扰的电路等效近似分析技术（集总参数元件低频电磁干扰的电路等效近似分析技术（集总参数元件,消除空间变消除空间变量）量）电场被限定在电容器内部：电场被限定在电容器内部：关注电压关注电压磁场被限定在电感器内部：磁场被限定在电感器内部：关注电流关注电流电路尺寸相对波长很小电路尺寸相对波长很小.13AB导线是导线是50Hz的的220V电源线，电源线，Vi有效值有效值C=2PFdu/dt=2V/s分布电容分布电容C=2PF近似可得近似可得IC du/dt=4ARi=10k,

5、Vi=40mV.14电流电流磁场磁场电磁感应电磁感应互感模型互感模型: v=Mdi/dt .15高频电磁辐射耦合高频电磁辐射耦合n电磁波波长电磁波波长:=波速波速V/频率频率f，波速与传播介，波速与传播介质有关；质有关；n 在空气中大约在空气中大约3108m/s，1MHz信号的信号的波长波长300m，n 1GHz， =0.3m.n 近场和远场近场和远场: 源、介质、距离源、介质、距离r=/2为分为分界点界点近场近场感应场感应场远场远场辐射场辐射场.16三、抑制电磁干扰的主要技术三、抑制电磁干扰的主要技术o消除或抑制噪声源消除或抑制噪声源 o破坏干扰的耦合通道破坏干扰的耦合通道 o消除接收电路对

6、干扰的敏感性消除接收电路对干扰的敏感性 o采用软件抑制干扰采用软件抑制干扰 .17第二节 干扰滤波技术n 干扰滤波在EMC设计中作用n 差模干扰和共模干扰 n 常用滤波电路n 怎样制作有效的滤波器n 正确使用滤波器.18滤波器的作用信号滤波器电源滤波器切断干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同构成完善的干扰防护。.19满足电源线干扰发射和抗扰度要求.20满足抗扰度及设备辐射发射要求信号线滤波器信号线滤波器干扰源干扰源.21共模和差模电流.22共模/差模干扰的产生VVICMICMICMIDM.23开关电源噪声 50Hz的奇次谐波（的奇次谐波（1、3、5、7 ） 开关频率的基频和谐波（开关频率

7、的基频和谐波（1MHz以下差模为主，以下差模为主，1MHz以上共模为主）以上共模为主）.24干扰滤波器的种类衰减衰减衰减衰减低通带通高通带阻3dB截止频率.25低通滤波器类型CTL反.26电路与插入损耗的关系20406080100 fc 10fc 100fc 1000fc 5阶阶 4阶阶 3阶阶 2阶阶 1阶阶20N/十倍频程十倍频程6N/倍频程倍频程插入损耗插入损耗dB.27确定滤波器阶数50 100欲衰减欲衰减20dB4 6=24 20至少至少4阶滤波器阶滤波器10 1001 20 = 201阶滤波器就可以了阶滤波器就可以了为了保险，可用为了保险，可用2阶阶欲衰减欲衰减20dBL、C的数值

8、决定截止频率的数值决定截止频率阶数决定过渡带的陡度阶数决定过渡带的陡度.28根据阻抗选用滤波电路 源阻抗源阻抗 电路结构电路结构 负载阻抗负载阻抗 高高 C、 、多级、多级 高高 高高 、多级、多级 低低 低低 反反 、多级反、多级反 高高 低低 L、多级、多级L 低低 规律：电容对高阻，电感对低阻规律：电容对高阻，电感对低阻.29插入损耗的估算Fco = 1/(2 Rp C)ZLZs、ZL并联并联CIL = 20 lg( CRp)ILIL = 20 lg( L/Rs)Fco = Rs/(2 L）Zs、ZL串联串联ZsLZsZL.30器件参数的确定LCRR L = R / 2FC C = 1

9、/ 2RFC对于T形（多级T）和 形（多级）电路，最外边的电感或电容取 L/2 和 C/2，中间的不变。.31实际电容器的特性ZC实际电容理想电容f引线长的陶瓷电容器 电容量 谐振频率(MHZ) 1 F 1.7 0.1 F 4 0.01F 12.6 3300 pF 19.3 1100 pF 33 680 pF 42.5 330 pF 601/2 LCCL.32陶瓷电容谐振频率1nf1M100k10110k1k10010Hz 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G阻阻抗抗 100pf10nf100nf10f1f10mf100f1m10cm1cm1mm.33表面贴装电容的阻抗

10、特性.34温度对陶瓷电容容量的影响0-551255-150-55125-10-5COGX7R-6020-3090-300Y5V30% C% C% C.35电压对陶瓷电容容量的影响COGX7RY5V200-20-40-60-800 20 40 60 80 100 %额定电压（额定电压（Vdc）% C.36实际电感器的特性ZL理想电感实际电感f 电感量 （H） 谐振频率 (MHZ) 3.4 45 8.8 28 68 5.7 125 2.6 500 1.2 绕在铁粉芯上的电感1/2 LCLC.37电感寄生电容的来源每圈之间的电容每圈之间的电容 CTT导线与磁芯之间的电容导线与磁芯之间的电容CTC磁芯

11、为导体时，磁芯为导体时，CTC为主要因素，为主要因素，磁芯为非导体时，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。为主要因素。.38克服电容非理想性的方法衰减电容并联 LC并联 电感并联小电容大电容大电容并联电容频率大容量小容量.39三端电容器的原理引线电感与电容引线电感与电容一起构成了一个一起构成了一个T形低通滤波器形低通滤波器在引线上安装两在引线上安装两个磁珠滤波效果个磁珠滤波效果更好更好地线电感起地线电感起着不良作用着不良作用三端电容普通电容普通电容 30 70 1GHz206040.40三端电容的正确使用接地点要求：接地点要求：1 干净地干净地2 与机箱或其它较大与机箱或其它较大 的金属件的金属

12、件射频搭接射频搭接.41三端电容器的不足寄生电容造成输入寄生电容造成输入端、输出端耦合端、输出端耦合接地电感造成旁接地电感造成旁路效果下降路效果下降.42穿心电容更胜一筹金属板隔离金属板隔离输入输出端输入输出端一周接地一周接地电感很小电感很小.43穿心电容的插入损耗插入损耗插入损耗频率频率1GHz普通电容普通电容理想电容理想电容穿心电容穿心电容.44穿心电容、馈通滤波器以穿心电容为基以穿心电容为基础的馈通滤波器础的馈通滤波器广泛应用于广泛应用于RF滤滤波波.45馈通滤波器使用注意事项 必须安装在金属板上，并在一周接地 最好焊接，螺纹安装时要使用带齿垫片 焊接时间不能过长 上紧螺纹时扭矩不能过大

13、.46线路板上使用馈通滤波器线路板地线面线路板地线面上面上面底面底面.47磁芯对电感寄生电容的影响铁粉芯铁粉芯 C = 4.28pf C = 3.48pf 19% 铁氧体（锰锌）铁氧体（锰锌） C = 51pf C = 49pf 4%.48减小电感寄生电容的方法然后：然后：起始端与终止端远离（夹角大于起始端与终止端远离（夹角大于40度）度）尽量单层绕制，并增加匝间距离尽量单层绕制，并增加匝间距离多层绕制时，多层绕制时， 采用采用“渐进渐进”方式绕，不要来回绕方式绕，不要来回绕1. 分组绕制分组绕制 （要求高时，用大电感和小电感串联起（要求高时，用大电感和小电感串联起来使用）来使用）如果磁芯是导

14、体，首先：如果磁芯是导体，首先：用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离.49共模扼流圈共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因此磁共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因此磁芯不会饱和。芯不会饱和。.50电感磁芯的选用铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低，作差模扼流圈的磁芯铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低，作差模扼流圈的磁芯铁氧体：最常用铁氧体：最常用锰锌：锰锌： r = 500 10000，R = 0.1100 m镍锌：镍锌： r = 10 100，R = 1k 1M m超微晶：超微晶： r 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心，做大电感量

15、共模扼流圈的磁心.51干扰抑制用铁氧体Z = jL + R RZLR(f)1MHz 10MHz 100MHz 1000MHz.52铁氧体磁环使用方面的一些问题1 10 100 100012545001250600300个30个0.1 1 10 100 1000匝1匝无偏置有偏置.53低通滤波器对脉冲信号的影响.54信号滤波器的安装位置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.55板上滤波器的注意事项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

16、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.56面板上滤波的简易（临时）方法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.57电缆滤波的方法屏蔽盒屏蔽盒馈通滤波器馈通滤波器连接器连接器.58自制面板滤波器滤波电路可以按照需要设计，滤波电路可以按照需要设计，但是至少有一级馈通滤波器但是至少有一级馈通滤波器连接器按照需要选择，也可以是引线连接器按照需要选择，也可以是引线锡焊，保证完全隔离锡焊，保证完全隔离螺纹盲孔.59面板安装滤波器注意事项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

17、密封衬垫！密封衬垫！.60使用形滤波器的注意事项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.61电源线滤波器的基本电路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.62电源线滤波器的特性损耗频率频率理想滤波器特性理想滤波器特性实际滤波器特性实际滤波器特性一般产品说明书上给出的数据是50条件下的测试结果。30MHz越来越受到关注越来越受到关注.63高频滤波性能的重要性滤波器高频性能差滤波器高频性能好无滤波.64改善滤波器高频特性的方法或精心绕制或多个电感串联精心绕制或多个电感串联.6

18、5滤波器安装在线路板的问题机箱内干扰机箱内干扰电源线泄漏严重电源线泄漏严重.66线路板上滤波的改进方法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.67电源线滤波器的错误安装PCB滤波器滤波器输入线过长输入、输出耦合PCB.68电源线滤波器的错误安装滤波器绝缘漆PCB滤波器通过细线接地，高频效果很差！接地线.69滤波器的正确安装滤波器PCB电源PCB滤波电路.70n第三节 电磁屏蔽技术 屏蔽材料的选择 实际屏蔽体的设计.71电磁屏蔽屏蔽前的场强E1屏蔽后的场强E2对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽,电磁屏蔽作用的大小用屏蔽

19、效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB .72实心材料屏蔽效能的计算入射波场强距离吸收损耗AR1R2SE R1 R2 AB R ABB.73波阻抗的概念波阻抗电场为主电场为主 E 1/ r3 H 1 / r2磁场为主磁场为主 H 1/ r3 E 1/ r2平面波平面波 E 1/ r H 1/ r377/ 2到观测点距离 rE/H.74吸收损耗的计算t入射电磁波E0剩余电磁波E1E1 = E0e-t/ A 20 lg ( E0 / E1 ) = 20 lg ( e t / ) dB0 A 8.69 ( t / ) dBA = 3.34 t f rr dB.75趋肤深度举例.

20、76反射损耗 R 20 lgZW4 Zs反射损耗与波阻抗有关，波阻抗越高，则反射损耗越反射损耗与波阻抗有关，波阻抗越高，则反射损耗越大。大。ZS = 3.68 10-7 f r/r远场：377近场：取决于源的阻抗同一种材料的阻抗随频率变.77不同电磁波的反射损耗远场: R 20 lg3774 Zs4500Zs = 屏蔽体阻抗， D = 屏蔽体到源的距离（m）f = 电磁波的频率（MHz）2 D fD f Zs Zs电场: R 20 lg磁场: R 20 lgdB.78影响反射损耗的因素150 0.1k 1k 10k 100k 1M 10M 100M平面波3 108 / 2rfR(dB)r =

21、30 m 电场r = 1 m靠近辐射源r = 30 m磁场 r = 1 m靠近辐射源.79综合屏蔽效能 (0.5mm铝板)150250平面波平面波00.1k 1k 10k 100k 1M 10M高频时高频时电磁波种类电磁波种类的影响很小的影响很小电场波电场波 r = 0.5 m磁场波磁场波 r = 0.5 m屏蔽效能（dB）频率.80怎样屏蔽低频磁场？低频磁场低频磁场吸收损耗小反射损耗小高导电材料高导磁材料高导电材料.81高导磁率材料的磁旁路效果H0H1H0RsR0H1R0RsSE = 1 + R0/RS.82低频磁场屏蔽产品.83磁屏蔽材料的频率特性151015坡莫合金坡莫合金 金属金属镍钢

22、镍钢冷轧钢冷轧钢 0.01 0.1 1.0 10 100 kHzr 103.84磁导率随场强的变化磁通密度 B 磁场强度 H饱和起始磁导率最大磁导率 = B / H.85强磁场的屏蔽高导磁率材料：饱和低导磁率材料：屏效不够低导磁率材料低导磁率材料高导磁率材料.86良好电磁屏蔽的关键因素屏蔽体屏蔽体导电连续导电连续没有穿过屏没有穿过屏蔽体的导体蔽体的导体屏蔽效能高的屏蔽体屏蔽效能高的屏蔽体不要忘记：不要忘记：选择适当的屏蔽材料你知道吗：与屏蔽体接地与否无关.87实际屏蔽体的问题通风口显示窗键盘指示灯电缆插座调节旋钮实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、

23、电源线等电源线缝隙.88远场区孔洞的屏蔽效能LLSE = 100 20lgL 20lg f + 20lg（1 + 2.3lg(L/H) = 0 dB 若 L / 2H.89孔洞在近场区的屏蔽效能若若ZC （）：（说明是电场源）（）：（说明是电场源）SE = 48 + 20lg ZC 20lg L f + 20lg ( 1 + 2.3lg (L/H) )若若ZC （）：（说明是磁场源）（）：（说明是磁场源）SE = 20lg ( D/L) + 20lg (1 + 2.3lg (L/H) ) （注意：对于磁场源，屏效与频率无关！）（注意：对于磁场源，屏效与频率无关！）.90缝隙的泄漏低频起主要作用

24、低频起主要作用高频起主要作用高频起主要作用.91缝隙的处理电磁密封衬垫缝隙.92电磁密封衬垫的种类 金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的)导电橡胶(不同导电填充物的)指形簧片(不同表面涂覆层的)螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的)导电布.93指形簧片.94螺旋管电磁密封衬垫.95电磁密封衬垫的安装方法绝缘漆环境密封.96显示窗/器件的处理隔离舱滤波器屏蔽窗滤波器.97操作器件的处理屏蔽体上开小孔屏蔽体上栽上截止波导管用隔离舱将操作器件隔离出.98贯通导体的处理.99屏蔽电缆穿过屏蔽机箱的方法在内部可将电缆延伸在内部可将电缆延伸表面做导电清洁处理，保持表面做导电清洁处理，保持360度连接度连接注意防腐

25、注意防腐屏蔽互套屏蔽互套屏蔽体边界屏蔽体边界屏蔽电缆屏蔽电缆与电缆套与电缆套360度搭接度搭接.100搭接 电子设备中，金属部件之间的低阻抗连接称为搭接。例如：电缆屏蔽层与机箱之间搭接屏蔽体上不同部分之间的搭接 滤波器与机箱之间的搭接 不同机箱之间的地线搭接.101搭接不良的滤波器滤波器接地阻抗预期干扰电流路径实际干扰电流路径.102搭接不良的机箱VI航天飞行器上的搭接阻抗要小于!.103不同的搭接条.104频率不同搭接方式不同.105第四节瞬态脉冲干扰的抑制.106瞬态干扰对设备的威胁电快速脉冲浪涌静电放电静电放电电源端口信号端口浪涌电快速脉冲静电放电.107感性负载断开时产生的干扰20 2

26、00 VdctVLI0VdcVLt电源回路中的电流（电压）C对应的对应的EMC实验：实验：EFT特点：脉冲串特点：脉冲串.108两种触点击穿导通机理气隙上的电压击穿电压击穿电压维持电压320V0.08mm 接触点距离 阳极(+)阴极()电子流辉光放电辉光放电 气体电离气体电离弧光放电弧光放电 金属气化金属气化.109浪涌产生的原因一般小于一般小于75kA最大可达最大可达300kAI导体周围产导体周围产生强磁场生强磁场对应对应EMC实验：浪涌实验：浪涌特点：能量大特点：能量大.110静电放电现象放电电流放电电流 I1ns100nsIt对应对应EMC实验：实验：ESD特点：频率范围宽特点：频率范围

27、宽.111瞬态干扰的频谱A 2A 1/1/ tr时间时间频率频率瞬态类型瞬态类型 tr 1/ 1/ tr A 2A ESD 1ns 30ns 10MHz 320MHz 30A 1.8 A/MHz浪涌浪涌 .112消除感性负载干扰RRCLLLRL.113瞬态干扰抑制原理分压法：分压法：正温度系数电阻正温度系数电阻电电 阻阻电电 感感电电 容容分流法：分流法：负温度系数电阻负温度系数电阻（压敏电阻）（压敏电阻）瞬态抑制二极管瞬态抑制二极管气体放电管气体放电管低通滤波器：截止频率小于低通滤波器：截止频率小于1 / .114低通滤波器对瞬态干扰的作用fILf+fCOfCOAf输入脉冲频谱输入脉冲频谱滤波器特性滤波器特性输出脉冲频谱输