EMC设计与测试讲义

1、EMC设计与测试,二一一年三月一十八日,目 录,什么是EMC？ EMC研究内容 共模干扰和差模干扰 共模干扰原理分析 共模干扰的抑制 电缆的EMC分析 屏蔽与EMC 隔离变压器 滤波与抑制,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,什么是EMC,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,电磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility），是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。 国际电工委员会标准IEC对电磁兼容的定义是：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。 EMC 包括EMI(interf

2、erence)和EMS(susceptibility),也就是电磁干扰和电磁抗干扰。 EMI，电磁干扰度，描述一产品对其他产品的电磁辐射干扰程度，是否会影响其周围环境或同一电气环境内的其它电子或电气产品的正常工作。 EMS，电磁抗干扰度，描述一电子或电气产品是否会受其周围环境或同一电气环境内其它电子或电气产品的干扰而影响其自身的正常工作。,EMC研究内容,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,EMI电磁干扰: 从电源线传导出来的电磁骚扰 从信号线、控制线传导出来的骚扰 从产品壳体（包括产品中的所有电缆）辐射出来的骚扰 从电源端口传导出来的谐波电流 电源端口产生的电压波动和闪烁测量 EMS电磁抗扰度

3、性能 静电放电 电源端口的电快速瞬变脉冲群 信号线、控制线端口的电快速瞬变脉冲群 电源端口的浪涌和雷击从空间传递给产品壳体的电磁辐射 电源端口的传入的传导干扰电源端口的电压跌落与中断,共模干扰和差模干扰,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,什么叫共模干扰和差模干扰？ 共模干扰(也叫接地干扰)- 指任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差. 差模干扰(也叫串模干扰)- 指任何两个载流导体之间的不希望有的电位差. 电压电流的变化通过导线传输时有二种形态,我们将此称做“共模”和“差模”。设备的电源线、信号线与其它设备或外围设备相互交换的通讯线路，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电力或信号。

4、但在这两根导线之外通常还有第三导体，这就是“地线（参考线）”。干扰电压和电流分为两种:一种是两根导线分别做为往返线路传输;另一种是两根导线做去路,地线做返回路传输.前者叫“差模”,后者叫“共模” 。通俗地说，凡是来自电源火线（HOT）(或正端（L+）)而经由零线（NEUTRAL）（或负端（M）返回的杂讯称为差模杂讯。凡是来自电源火线（HOT）(或正端（L+）)或零线NEUTRAL）或负端（M）而经由地线（GND）返回的杂讯,称为共模杂讯。 通常，线路上，干扰电压的差模分量和共模分量同时存在，而且由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转化。 电磁干扰主要为共模干扰；共模问题是疑难问题。,共

5、模干扰和差模干扰,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,共模干扰和差模干扰产生的原因？ 共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压有时较大，采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。而由静电放电及浪涌产生的电压则高达几千伏到上万伏。 共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换

6、共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。,共模差模干扰原理分析,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,差模信号又称为对称信号，在两线电缆传输回路，每一线对地电压用符号V1和V2来表示。差模信号分量是VDIFF。纯差模信号是：V1=V2；其大小相等，相位差180；VDIFF=V1V2，因为V1和V2对地是对称的，所以地线上没有电流流过，差模信号的电路如图1所示。所有的差模电流（IDIFF）全流过负载。差模干扰侵入往返两条信号线，方向与信号电流方向一致，其一种是由信号源产生，另一种是传输过程中由电磁感应产生，它和信号串在一起且同相位，这种干扰一般比较难以抑制。 共模信号又

7、称为对地感应信号或不对称信号，共模信号分量是VCOM，纯共模信号是：VCOM=V1=V2；大小相等，相位差为0；V3=0。共模信号的电路如图2所示。干扰信号侵入线路和接地之间，干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路；原则上讲，这种干扰是比较容易消除的。在实际电路中由于线路阻抗不平衡，使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干扰。,共模差模干扰原理分析,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,左图为浮地线路板及信号线。信号线1接共模干扰放电测试信号发生器（电压4KV，持续时间5-50ns。C1、C2为线路板及信号张耦合对地平面电容。线路板上线通过共模干扰电流且信号线2受信号线1产生共模信号的干扰

8、。 共模电流计算：Iext=Cdv/dt C1c10pF C250pF I1=C1dv/dt=10pF4KV/5ns=8A I2=C1dv/dt=50pF4KV/5ns=40A,电路板共模信号的产生,共模干扰的抑制,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,EMC设计三要素为接地、屏蔽、滤波、，接地最为关键。接地不正确将造成滤波和屏蔽性能降低。 对于具有整机屏蔽设计的设备，接地点应与屏蔽体相连，而且要保证屏蔽与接地点等电位。 解决电缆辐射问题可以从两个形成辐射的下面两个必要条件入手： 共模天线，如一极是设备的外部接线端，另一极是设备内部PCB的接线等。 共模驱动源，如两个金属体之间RF电位差。,沈阳大

9、陆激光柔性制造技术有限公司,前面图中将电路板的工作地接至参考接地板可抑制共模干扰。接地点应接至信号线入口处（见图1） 。如果接地点不正确，将使共模电流流过电路板产生共模干扰（见图2）。 那些流过共模电流的连接器应该集中放置在一个电路板的同一侧，这样可以使共模电流不流过整个电路板及其工作地（GND），分散的电路板中放置连接器意味着EMC风险的增加。 内部IO：必须保证产品中的排线或产品内部互连与各个电路板之间的连接器避免有共模电流流过。,共模干扰的抑制,接地方法：,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,电路板中的排线连接,信号线应尽量接在同一电路板的同一端，电路板间用排线连接时应将接信号线电路板的靠

10、近信号线端工作地接地（见图）。,共模干扰的抑制,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,金属外壳的接地,共模干扰的抑制,图1中，接地线首先进入金属壳内接至内部电路接线端子，再接至金属壳。内部接地线受电路共膜干扰，传至外部接地线成为了发射天线。反之外部接地线亦可成为接收天线干扰内部电路 图2修改后，接地经先接金属外壳再接内部接地线。辐射无法传出（入）金属壳，共膜干扰被抑制。 因此，金属机壳产品接地需先接金属外壳再接内部接地设备。,共模干扰的抑制,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,控制器外接控制电源线，接地线较长，电源与控制器分别接地，则可在电源线上产生共模干扰（见图1）。 解决方法为改为图2方式接地，

11、其中接地线与电源线距离应较短（小于5mm），则可抑制共模干扰。,接地环路的传导骚扰：,电缆的EMC设计分析,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,产品中的电缆都是天线 电缆与天线一样，当波长（与电缆导体的长度比拟时，会发生谐振。这时信号几乎可以100%转换成电磁场；同样，电缆处于磁场中时，也可以成为接收天线，它与频率的关系与其成为辐射发射天线时一样。这样，电缆上会感应出噪声电压。 电缆长度正好为电缆中传输信号波长的1/4时，便是一个将信号转变成场地的极好的转换器； 电子产品的接地线也一样，不管你是否接地，只要长度与工作信号频率的波长可以比拟，都是辐射发射或接收辐射的天线。 电磁场在导线中感应出的电

12、压是以共模形式为主。这些电压，如果对于的是屏蔽电缆，那么干扰信号直接注入到屏蔽层上，否则直接注入到电缆中各个信号上。,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,辐射估算 工程中，频率F30MHz，并且辐射源与测量接收天线的距离D 1m时估算产品中电缆成为天线时所产生的辐射强度： 当L/2时，有： E9.63ILF/D 当L/2时，有： E60I/D E：辐射源在测量处产生的场强，单位uV/m I：流过电缆的共模电流，单位uA F：辐射源的信号频率，单位MHz L：电缆长度，单位m D：辐射源到测量天线的距离，单位m,电缆的EMC设计分析,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,电缆（连接器）中共模电流的抑制

13、 电缆要成为天线，需要一定的长度，而且电缆端口进行抗扰度和传导骚扰测试的电缆长度为3米，因此理论上在产品电缆设计时，只要在满足使用要求的前提下，可以尽量使用短的电缆，避免电缆成为天线，并免去在部分的EMC测试； 增加共模电流回路的阻抗，因为在共模电压一定的情况下，增加共模电流路径的阻抗可以减小共模电流； 低通滤波器滤波； 电缆屏蔽,电缆的EMC设计分析,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,实际工程中应用 增加共模电流回路的阻抗： 可用ui=850的镍锌铁氧体环（磁环）增加共模电流回路的阻抗。 电缆屏蔽： 将注入到电缆的共模干扰电流通过屏蔽层引导到大地（接地设备）或PCB板中的工作地（浮地设备），

14、使屏蔽层中的信号和电缆接口电路免受外界干扰。 将信号线中的EMI信号包在屏蔽层内，保证电缆屏蔽层上也没有EMI共模电流。 平衡电路： 平衡电路中的两个导体及与其连接的所有电路对地或其它导体有相同的阻抗； 平衡电路中的两个导体几何尺寸相同，并且靠得很近，因此可以认为是处于同一场强； 它们相对于任何参照物体的阻抗都相等，因此它们上面感应的电流是相同的，在导体两端相对于参考的电压也是相同的。,电缆的EMC设计分析,屏蔽与EMC,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的辐射。 屏蔽体的设计方式分析 屏蔽设计往往与搭接联

15、系在一起。搭接即在两金属表面之间构造一个低阻抗的电气连接。 屏蔽设计的关键是电连续性 对于屏蔽体必须有： 孔缝长边与流过屏蔽体的共模电流方向平行 孔缝的最大尺寸不能超过两种情况的最小尺寸： 电路最大工作频率波长的1/100 当这个屏蔽体有共模干扰电流流过时，长度小于0.15m。 严禁屏蔽电缆直穿屏蔽体（电费屏蔽层一定要与屏蔽体做360度搭接）,隔离变压器,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,带屏蔽层的变压器 由于共模干扰是一种相对大地的干扰，所以它主要通过变压器绕组间的耦合电容来传递。如果在初、次级之间插入屏蔽层，并使之良好接地，便能使干扰电压通过屏蔽层旁路掉，从而减小输出端的干扰电压。屏蔽层对

16、变压器的能量传输并无不良影响，但影响了绕组间的耦合电容。图中画出了带屏蔽层的隔离变压器的共模干扰通路。其中，C1为初级绕组与屏蔽层之间的分布电容；C2为次级烧组与屏蔽层之间的分布电容；Z1为屏蔽层接地阻抗；Z2为负载对地阻抗；e1为初级干扰（共模型）电压；e2为次级干扰（共模型）电压。,滤波与抑制,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,滤波一般采用滤波器件、电源滤波器或滤波电路、 。 滤波器件包括电容、磁珠、电感等。其中滤波电容为主要的滤波器件。 电容器的EMC分析 所有电容都包含一个LCR电路，包括一电容、一个寄生电感和一个寄生电阻。寄生电感会与电容产生串联谐振，即自谐振，在自谐振频率f0处，去

17、耦电容呈现的阻抗最小，去耦效果最好。有下面公式： 对频率f高于f0的噪声成份，去耦电容呈电感性，阻抗随频率的升高而变大，使去耦或旁路作用大大下降。实践中，应根据噪声的最高频率fmax来选择去耦电容的自谐振频率f0，即根据干扰信号频率合理选择滤波电容的大小。,滤波与抑制,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,电源滤波器 电源滤波器安装在线路的输入端。 典型的电源滤波器为交流电源滤波器，如图所示。其中，L1和L2的线圈同方向绕在同一磁芯上，这两个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是互相抵消的，因此不会引起磁芯的饱和；而对于共模电流则可以反映为很大的电感，以便获得最大的滤波效果，所以又称为“共模电感”

18、。 图中CX电容用来衰减差模干扰，CY电容用于衰减共模干扰，R用于消除滤波器中可能出现的静电积累。电源滤波器主要用于抑制30 MHz以下频率范围的噪声，而对于，而对谐波高频的脉冲干扰不起作用。,滤波与抑制,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,差模滤波器 由于隔离变压器及共模交流滤波器对于30M以上的高频干扰影响不大，因此，在电源的输入端须加入一线差模滤波器电路。 差模滤波器的设计如图所示。差模滤波器可滤除电源中的高频干扰，还可将共模电流传输中由于传输电路不平衡而转换成的差模干扰信号滤波。,滤波与抑制,沈阳大陆激光柔性制造技术有限公司,吸波器件对于瞬态干扰，如浪涌电流、雷击等，需采用压敏电阻、TVS等吸波器件进行滤除。 压敏电阻器、瞬态电压抑制管（Transient Voltage Suppressor，TVS管）等吸波器件有共同的特点，即在阈值电压以下呈现高阻抗，而一旦超过阈值电压，阻抗便急剧下降，因此对尖峰电压有一定的抑制作 用。 其中TVS管是一种二极管形式的高效能保护器件，它具有响应时间快（10-12秒量级）、瞬态功率大、漏电流低、击