电磁兼容理论

电磁兼容理论第1页，共138页，2023年，2月20日，星期一电磁干扰现象开关电源数字脉冲电路数字视频设备220AC第2页，共138页，2023年，2月20日，星期一常见干扰现象雷电NEMP脉冲电路ESD无线通信感性负载通断直流电机、变频调速器第3页，共138页，2023年，2月20日，星期一电磁兼容标准分析环境中的各种电磁干扰分析设备受电磁干扰的机理编成电磁兼容标准保证各类电子设备的正常工作及良好的电磁环境第4页，共138页，2023年，2月20日，星期一电磁兼容标准的内容电磁兼容标准干扰发射敏感度传导辐射传导辐射电源线信号/控制线天线端口电场磁场

电源线/信号线射频瞬态天线端口电场磁场静电放电第5页，共138页，2023年，2月20日，星期一产生电磁干扰的条件突然变化的电压或电流，即dV/dt或dI/dt很大辐射天线或传导导体设计中，遇到电压、电流的突然变化，需要考虑潜在的电磁干扰问题第6页，共138页，2023年，2月20日，星期一基本天线结构环天线偶极天线缝隙天线V第7页，共138页，2023年，2月20日，星期一偶极天线的演变-------+++++++VV传输线单极天线辐射很小辐射同偶极辐射高于单极第8页，共138页，2023年，2月20日，星期一常见的等效天线机箱接地线PCBVG主板电缆子板笔记本PCB电缆没接地散热片第9页，共138页，2023年，2月20日，星期一典型电磁兼容试验项目辐射发射（电场、磁场）辐射抗扰度（电场、磁场）传导发射（射频发射、电源谐波）传导抗扰度（射频、电快速脉冲、浪涌）静电放电（直接、感应）第10页，共138页，2023年，2月20日，星期一电磁兼容试验的基本原则与实际使用条件、状态相同用最坏结果作为测试结果连接状态、电缆种类、长度安装平台、基座接地状态工作状态、负载情况EUT处于最大发射状态EUT处于最敏感状态EUT的方向第11页，共138页，2023年，2月20日，星期一开关电源上的电磁兼容控制电路第12页，共138页，2023年，2月20日，星期一开关电源的两种干扰

50Hz的奇次谐波（3、5、7）

开关频率的基频和谐波（1MHz以下差模为主，1MHz以上共模为主）第13页，共138页，2023年，2月20日，星期一第14页，共138页，2023年，2月20日，星期一电磁兼容试验场地电磁发射试验敏感度或抗扰度试验：开阔场（民用标准）屏蔽暗室(半无反射室)可在普通环境中，但是注意对周围设备的影响第15页，共138页，2023年，2月20日，星期一辐射发射测试EUT旋转找最大面0.8m1~4m1、3、10、30米屏蔽墙测试仪第16页，共138页，2023年，2月20日，星期一开阔场地要求长轴20米椭圆区内无金属物体

金属地平面短轴17.32米天线与受试件距离10米不同的天线在1~4米高度内变化，找出各种极化方向下的最强辐射值受试件放在0.8米高的木桌上第17页，共138页，2023年，2月20日，星期一开阔场实景第18页，共138页，2023年，2月20日，星期一电磁屏蔽室电源滤波器通风板电缆接线板通风板第19页，共138页，2023年，2月20日，星期一电磁兼容试验室的结构带风扇的通风板

主室辅助室2辅助室1可拆卸的滤波板或观察窗射频测试仪器柜电源滤波器屏蔽门刀口结构第20页，共138页，2023年，2月20日，星期一半无反射室实景高度扫描天线杆天线金属地板转台上的受试件第21页，共138页，2023年，2月20日，星期一测量电磁干扰的天线第22页，共138页，2023年，2月20日，星期一传导发射测试第23页，共138页，2023年，2月20日，星期一LISN或AMN第24页，共138页，2023年，2月20日，星期一谐波限制第25页，共138页，2023年，2月20日，星期一电源谐波测量第26页，共138页，2023年，2月20日，星期一谐波测量仪第27页，共138页，2023年，2月20日，星期一分贝(dB)的概念分贝的定义：分贝数＝10lgP2P1P1、P2是两个功率数值，对于电流或电压，定义如下：电压增益的分贝数＝20lgV2V1电流增益的分贝数＝20lgI2I1第28页，共138页，2023年，2月20日，星期一用分贝表示的物理量电压：用1V、1mV、1V为参考（例如：1V=0dBV）则单位为：dBV、dBmV、dBV等，电流：用1A、1mA、1A为参考，则：dBA、dBmA、dBA场强：用1V/m、1V/m为参考，则：dBV/m、dBV/m等，功率：用1W、1mW为参考，则：dBW、dBm等，第29页，共138页，2023年，2月20日，星期一脉冲信号的频谱T1/d1/trdtr谐波幅度（电压或电流）频率（对数）-20dB/dec-40dB/decAV(orI)=2A(d+tr)/TV(orI)=0.64A/TfV(orI)=0.2A/Ttrf2第30页，共138页，2023年，2月20日，星期一第二部分电磁屏蔽技术第31页，共138页，2023年，2月20日，星期一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效能度量:SE=20lg(E1/E2)dB第32页，共138页，2023年，2月20日，星期一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＋A＋B＝R＋A＋BB第33页，共138页，2023年，2月20日，星期一波阻抗的概念波阻抗电场为主E1/r3H1/r2磁场为主H1/r3E1/r2平面波E1/rH1/r377/2到观测点距离rE/H第34页，共138页，2023年，2月20日，星期一吸收损耗的计算t入射电磁波E0剩余电磁波E1E1=E0e-t/

A＝20lg(E0/E1)=20lg(et/)dB0.37E0

A＝8.69(t/)dBA=3.34tfrrdB第35页，共138页，2023年，2月20日，星期一反射损耗的计算远场:R＝20lg3774Zs4500Zs=屏蔽体阻抗，D=屏蔽体到源的距离（m）f=电磁波的频率（MHz）2DfDfZsZs电场:R＝20lg磁场:R＝20lgdB第36页，共138页，2023年，2月20日，星期一影响反射损耗的因素1500.1k1k10k100k1M10M100M平面波3108/2rfR(dB)r=30m电场r=1m靠近辐射源r=30m磁场r=1m靠近辐射源第37页，共138页，2023年，2月20日，星期一综合屏蔽效能(0.5mm铝板)150250平面波00.1k1k10k100k1M10M高频时电磁波种类的影响很小电场波r=0.5m磁场波r=0.5m屏蔽效能（dB）频率第38页，共138页，2023年，2月20日，星期一多次反射修正因子的计算电磁波在屏蔽体内多次反射，会引起附加的电磁泄漏，因此要对前面的计算进行修正。B=20lg(1-e-2t/)说明：B为负值，其作用是减小屏蔽效能当趋肤深度与屏蔽体的厚度相当时，可以忽略对于电场波，可以忽略第39页，共138页，2023年，2月20日，星期一怎样屏蔽低频磁场？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第40页，共138页，2023年，2月20日，星期一高导磁率材料的磁旁路效果H0H1H0RsR0H1R0Rs第41页，共138页，2023年，2月20日，星期一磁屏蔽材料的频率特性151015坡莫合金金属镍钢冷轧钢0.010.11.010100kHzr103第42页，共138页，2023年，2月20日，星期一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第43页，共138页，2023年，2月20日，星期一良好电磁屏蔽的关键因素屏蔽体导电连续没有穿过屏蔽体的导体屏蔽效能高的屏蔽体不要忘记：选择适当的屏蔽材料你知道吗：与屏蔽体接地与否无关第44页，共138页，2023年，2月20日，星期一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、电源线等电源线缝隙第45页，共138页，2023年，2月20日，星期一远场区孔洞的屏蔽效能LLSE=100–20lgL–20lgf+20lg（1+2.3lg(L/H))=0dB若L

/2H第46页，共138页，2023年，2月20日，星期一孔洞在近场区的屏蔽效能若ZC

（7.9/Df）：SE=48+20lgZC–20lgLf+20lg(1+2.3lg(L/H))若ZC

（7.9/Df）：SE=20lg(D/L)+20lg(1+2.3lg(L/H))第47页，共138页，2023年，2月20日，星期一缝隙的泄漏第48页，共138页，2023年，2月20日，星期一缝隙的处理电磁密封衬垫缝隙第49页，共138页，2023年，2月20日，星期一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)导电布第50页，共138页，2023年，2月20日，星期一电磁密封衬垫的主要参数屏蔽效能回弹力最小密封压力最大形变量压缩永久形变电化学相容性第51页，共138页，2023年，2月20日，星期一电磁密封衬垫的安装方法绝缘漆环境密封第52页，共138页，2023年，2月20日，星期一截止波导管损耗频率fc截止频率频率高的电磁波能通过波导管，频率低的电磁波损耗很大！工作在截止区的波导管叫截止波导。截止区第53页，共138页，2023年，2月20日，星期一截止波导管的屏效截止波导管屏蔽效能=反射损耗：远场区计算公式近场区计算公式+吸收损耗圆形截止波导：32t/d矩形截止波导：27.2t/l孔洞计算屏蔽效能公式第54页，共138页，2023年，2月20日，星期一截止波导管的设计步骤孔洞的泄漏不能满足屏蔽要求SE确定截止波导管的截面形状确定要屏蔽的最高的频率f确定波导管的截止频率fc计算截止波导管的截面尺寸由SE确定截止波导管的长度5f第55页，共138页，2023年，2月20日，星期一通风口的处理穿孔金属板截止波导通风板第56页，共138页，2023年，2月20日，星期一贯通导体的处理第57页，共138页，2023年，2月20日，星期一第三部分

干扰滤波技术第58页，共138页，2023年，2月20日，星期一满足电源线干扰发射和抗扰度要求第59页，共138页，2023年，2月20日，星期一电缆是主要辐射源第60页，共138页，2023年，2月20日，星期一用滤波消除辐射第61页，共138页，2023年，2月20日，星期一共模和差模电流~~第62页，共138页，2023年，2月20日，星期一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截止频率第63页，共138页，2023年，2月20日，星期一低通滤波器类型CTL反第64页，共138页，2023年，2月20日，星期一滤波器的插入损耗滤波器~~V1V2IL=20lg（V1/V2）第65页，共138页，2023年，2月20日，星期一器件数与插入损耗的关系20406080100

fc10fc100fc1000fc

5阶

4阶

3阶

2阶

1阶20N/十倍频程6N/倍频程插入损耗dB第66页，共138页，2023年，2月20日，星期一电路阻抗对滤波特性的影响三端电容铁氧体第67页，共138页，2023年，2月20日，星期一插入损耗的估算Fco=1/(2RpC)ZL~Zs、ZL并联CIL=20lg(CRp)ILIL=20lg(L/Rs)Fco=Rs/(2L）Zs、ZL串联~ZsLZsZL第68页，共138页，2023年，2月20日，星期一器件参数的确定LCRRL=R/2FCC=1/2RFC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。第69页，共138页，2023年，2月20日，星期一实际电容器的特性ZC实际电容理想电容f引线长1.6mm的陶瓷电容器电容量谐振频率(MHZ)1F1.70.1F40.01F12.6

3300pF19.31100pF33680pF42.5330pF601/2LCCLR电感电阻第70页，共138页，2023年，2月20日，星期一表面贴装电容的阻抗特性第71页，共138页，2023年，2月20日，星期一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并联电容频率大容量小容量第72页，共138页，2023年，2月20日，星期一三端电容器的原理引线电感与电容一起构成了一个T形低通滤波器在引线上安装两个磁珠滤波效果更好地线电感起着不良作用三端电容普通电容30701GHz206040第73页，共138页，2023年，2月20日，星期一第74页，共138页，2023年，2月20日，星期一三端电容的正确使用接地点要求：1干净地2与机箱或其它较大的金属件射频搭接第75页，共138页，2023年，2月20日，星期一三端电容器的不足寄生电容造成输入端、输出端耦合接地电感造成旁路效果下降第76页，共138页，2023年，2月20日，星期一穿心电容更胜一筹金属板隔离输入输出端一周接地电感很小第77页，共138页，2023年，2月20日，星期一穿心电容的特性第78页，共138页，2023年，2月20日，星期一穿心电容、馈通滤波器以穿心电容为基础的馈通滤波器广泛应用于RF滤波第79页，共138页，2023年，2月20日，星期一平板滤波阵列用于制造滤波连接器第80页，共138页，2023年，2月20日，星期一线路板上使用馈通滤波器线路板地线面上面底面第81页，共138页，2023年，2月20日，星期一实际电感器的特性ZL理想电感实际电感f电感量（H）谐振频率

(MHZ)3.4458.828685.7

1252.65001.2绕在铁粉芯上的电感1/2LCLC第82页，共138页，2023年，2月20日，星期一电感寄生电容的来源每圈之间的电容CTT导线与磁芯之间的电容CTC磁芯为导体时，CTC为主要因素，磁芯为非导体时，CTT为主要因素。第83页，共138页，2023年，2月20日，星期一磁芯对电感寄生电容的影响铁粉芯C=4.28pfC=3.48pf19%铁氧体（锰锌）C=51pfC=49pf4%第84页，共138页，2023年，2月20日，星期一减小电感寄生电容的方法然后：起始端与终止端远离（夹角大于40度）尽量单层绕制，并增加匝间距离多层绕制时，采用“渐进”方式绕，不要来回绕分组绕制（要求高时，用大电感和小电感串联起来使用）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第85页，共138页，2023年，2月20日，星期一克服电感寄生电容的方法尽量单层串联后减小第86页，共138页，2023年，2月20日，星期一电感量与饱和电流的计算SD1D2饱和电流：Imax=BmaxS(D1-D2)/2L电感量：L（nH）=0.2N2rS(mm)ln(D1/D2)电感量厂家手册给出厂家经常给出每匝的电感量“AL”，则L（nH）=ALN2第87页，共138页，2023年，2月20日，星期一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，因此磁芯不会饱和。有意增加漏磁，利用差模电感第88页，共138页，2023年，2月20日，星期一铁氧体磁芯Z=jL+R

RZLR(f)1MHz10MHz100MHz1000MHz第89页，共138页，2023年，2月20日，星期一电源线滤波器的基本电路共模扼流圈差模电容共模电容共模电容第90页，共138页，2023年，2月20日，星期一注意滤波器的高频特性第91页，共138页，2023年，2月20日，星期一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第92页，共138页，2023年，2月20日，星期一改善滤波器高频特性的方法或精心绕制或多个电感串联第93页，共138页，2023年，2月20日，星期一器件距离对高频性能的影响第94页，共138页，2023年，2月20日，星期一滤波器安装在线路板的问题机箱内干扰电源线泄漏严重第95页，共138页，2023年，2月20日，星期一线路板上滤波的改进方法机箱内干扰被滤波器挡住被滤波器旁路掉面板滤波器电源线无泄漏第96页，共138页，2023年，2月20日，星期一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第97页，共138页，2023年，2月20日，星期一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！接地线第98页，共138页，2023年，2月20日，星期一滤波器的正确安装滤波器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滤波电路第99页，共138页，2023年，2月20日，星期一这样试一试机箱外机箱内屏蔽箱第100页，共138页，2023年，2月20日，星期一使用形滤波器的注意事项滤波器接地阻抗预期干扰电流路径实际干扰电流路径第101页，共138页，2023年，2月20日，星期一插入增益问题0-1050/50100/0.1或0.1/100频率插入损耗解决办法：差模电感上并联电阻（50~1k)，差模电容上串联电阻（0.5~10）第102页，共138页，2023年，2月20日，星期一选择滤波器的保险方法滤波器~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第103页，共138页，2023年，2月20日，星期一低通滤波器对瞬态干扰的作用fILf+fCOfCOAf输入脉冲频谱滤波器特性输出脉冲频谱2A2A第104页，共138页，2023年，2月20日，星期一低通滤波器抑制脉冲的效果低通滤波器第105页，共138页，2023年，2月20日，星期一瞬态干扰抑制器件浪涌电压压敏电阻瞬态抑制二极管气体放电管2205001000钳位不紧电流容量不大有跟随电流第106页，共138页，2023年，2月20日，星期一气体放电管的跟随电流跟随电流寄生电容小电流容量大不可用在直流的场合！第107页，共138页，2023年，2月20日，星期一放电管与压敏电阻组合优点：没有跟随电流没有漏电流钳位电压低用低通滤波器消除第108页，共138页，2023年，2月20日，星期一作用在开关电源上的浪涌开关电源等效电路6kV,3kA1.250s浪涌波形020406080100s0426kV0321kA浪涌电压电源上电压流进电源的电流第109页，共138页，2023年，2月20日，星期一浪涌抑制器件的保护作用开关电源等效电路6kV,3kA1.250s浪涌波形020406080100s0426kV0321kA浪涌电压抑制后的电压流进电源的电流流进抑制器的电流大部分电流流进了电源第110页，共138页，2023年，2月20日，星期一第四部分

PCB的电磁兼容设计

第111页，共138页，2023年，2月20日，星期一走线是主要辐射源第112页，共138页，2023年，2月20日，星期一脉冲信号的频谱T1/d1/trdtr谐波幅度（电压或电流）频率（对数）-20dB/dec-40dB/decAV(orI)=2A(d+tr)/TV(orI)=0.64A/TfV(orI)=0.2A/Ttrf2第113页，共138页，2023年，2月20日，星期一脉冲波形由正弦波组成第114页，共138页，2023年，2月20日，星期一上升沿越陡高频越丰富第115页，共138页，2023年，2月20日，星期一时钟频率越高辐射越强第116页，共138页，2023年，2月20日，星期一扩频时钟第117页，共138页，2023年，2月20日，星期一扩谱时钟第118页，共138页，2023年，2月20日，星期一扩频时钟的效果第119页，共138页，2023年，2月20日，星期一线路板的两种辐射机理差模辐射共模辐射第120页，共138页，2023年，2月20日，星期一电流环路产生的辐射近场区内:H=IA/(4D3)A/m

E=Z0IA/(2D2)V/mZW=Z0（2D/）远场区内:H=IA/(2D)A/m

E=Z0

IA/(2D)V/mZW=Z0=377式中：I=环路电流（A），A=环路面积（m2），D=观测点到环路的距离（m），Z0=自由空间的阻抗（377）=电流频率所对应的波长（m）第121页，共138页，2023年，2月20日，星期一导线的辐射近场区内:H=IL/(4D2)A/m

E=Z0IL/(82D3)V/mZW=Z0（2D/）远场区内:H=IL/(2D)A/m

E=Z0IL/(2D)V/m式中：I=导线中的电流（A），L=导线长度（m），D=观测点到环路的距离（m），Z0=自由空间的阻抗（377）=电流频率所对应的波长（m）第122页，共138页，2023年，2月20日，星期一实际电路的辐射ZGZLVZC=ZG+ZL近场：ZC7.9DfE=7.96VA/D3（V/m）ZC7.9Df，E=63IAf/D2（V/m）H=7.96IA/D3（A/m）远场：E=1.3IAf2/D（V/m）考虑地面反射时：E=2.6IAf2/D（V/m）环路面积=A~I第123页，共138页，2023年，2月20日，星期一脉冲信号差模辐射的频谱频谱包络线差模辐射频率特性线脉冲的差模辐射包络线

1/d1/tr40dB/decfff-20dB/dec-40dB/dec第124页，共138页，2023年，2月20日，星期一不同逻辑电路为了满足EMI指标要求

所允许的环路面积第125页，共138页，2023年，2月20日，星期一如何减小差模辐射？E=2.6IAf2/D低通滤波器布线第126页，共138页，2023年，2月20日，星期一电流回路的阻抗~LRIZ=R+jLL=/I

A~第127页，共138页，2023年，2月20日，星期一单层或双层板如何