電磁兼容設(shè)計(jì)

1、電磁兼容設(shè)計(jì)電磁兼容設(shè)計(jì) 沙斐 北京交通大學(xué)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室 2005年11月 電磁兼容技術(shù)電磁兼容技術(shù)術(shù)語 n電磁騷擾emd（electromagnetic disturbance） 是“任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降級(jí) 或?qū)τ猩驘o生命物質(zhì)產(chǎn)生作用的電磁現(xiàn)象。 電磁騷擾可能是電磁噪聲、無用信號(hào)或傳播媒 價(jià)自身的變化”。 n電磁干擾emi（electromagnetic interference) 是“電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性 能的下降”。 n電磁兼容emc（electromagnetic compatibility)一般指電氣及電子設(shè)備在共同的 電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共

2、存狀態(tài)。 電磁兼容技術(shù)電磁兼容技術(shù)術(shù)語 n靜電放電（esd）有著不同靜電電壓的物體在 靠近或接解時(shí)引發(fā)的靜電荷轉(zhuǎn)移。 n受試設(shè)備eut（equipment under test）受試 設(shè)備（試樣）是“待試驗(yàn)或正在試驗(yàn)中的裝置、 設(shè)備、分系統(tǒng)或系統(tǒng)” n電磁敏感性ems（electromagnetic susceptibility）在存在電磁騷擾的情況下，裝 置、設(shè)備或系統(tǒng)不能避免性能降低的能力 emc要求 元器件電路設(shè)備系統(tǒng) 都必須互不干擾，正常工作， 達(dá)到電磁兼容 構(gòu)成干擾三要素 騷擾源騷擾源 傳輸途徑傳輸途徑 敏感設(shè)備敏感設(shè)備 空間輻射的電磁波空間輻射的電磁波 euteut 傳輸途徑傳輸途

3、徑 一、空間輻射 差模電流輻射和共模電流輻射 遠(yuǎn)場(chǎng) 電磁感應(yīng) 近場(chǎng) 電磁耦合 二、導(dǎo)線傳導(dǎo) 共阻抗耦合 共電源線 差模方式 共地線 差模方式 地環(huán)路干擾 地電位差 共模方式 周圍強(qiáng)場(chǎng) 共模方式 2 2 共模和差模共模和差模 差模電流：線-線電流：大小相等方向相反 差模電壓：線-線間電壓 共模電流：二線間方向相同 共模電壓：線-線間電壓 有用信號(hào)都是差模的，騷擾可能是差模的， 也可能是共模的。 圖2-15共模電流與差模電流的轉(zhuǎn)換 空間輻射電磁波空間輻射電磁波 n電場(chǎng)天線電場(chǎng)天線 高電壓小電流 n磁場(chǎng)場(chǎng)天線 低電壓大電流 n根據(jù)麥克斯韋方程，變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化 磁場(chǎng)，變化磁場(chǎng)產(chǎn)生變化電場(chǎng)。 n設(shè)備內(nèi)

4、每個(gè)電路都可能是天線，機(jī)殼和 電纜都可能是天線的一部分 波阻抗與距離的關(guān)系 設(shè)備內(nèi)天線示意圖設(shè)備內(nèi)天線示意圖 n信號(hào)源-傳輸線-負(fù)載組成電流環(huán)路，包括信號(hào)環(huán)路、電 源供電環(huán)路、輸入和輸出環(huán)路； n當(dāng)負(fù)載阻抗小、環(huán)路電流大、電壓低時(shí)相當(dāng)于磁場(chǎng)天 線； n當(dāng)負(fù)載阻抗大、環(huán)路電流小、電壓高時(shí)相當(dāng)于電場(chǎng)天 線。 磁場(chǎng)天線的差模電流輻射磁場(chǎng)天線的差模電流輻射 n平行雙線環(huán)路在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度 e：a，f2 例：a=1cm2,i=100ma,f=50mhz,測(cè)量距離r=3m e=40.8db(v/m) 40db(v/m) 超過gb9254規(guī)定的b級(jí)產(chǎn)品輻射限值。 1202ia r2 e=v/m 減小差模電

5、流輻射的措施減小差模電流輻射的措施 盡量 減少 環(huán)路 面積 圖6-42地線的梳形結(jié)構(gòu)和井字形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) （a)梳形結(jié)構(gòu)；（b）井字形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 圖6-38高速線不應(yīng)跨越地層隔縫 （a）地層中高速回流的可能途徑； （b）高速回流線由于地層隔縫引起的環(huán)路面積擴(kuò)大 頻率越高，輻射越強(qiáng)，盡量 減小有用信號(hào)的高次諧波成 分。 信息技術(shù)設(shè)備的工作信號(hào)是數(shù)字 脈沖信號(hào)，具有很寬的頻帶，從電 磁兼容角度應(yīng)該考慮的最高頻率為 時(shí)鐘脈沖的上升沿時(shí)間，即脈沖的 前沿越陡峭或脈沖的重復(fù)頻率越高， 則脈沖包含的高頻能量越大。 騷擾的頻譜分析騷擾的頻譜分析 矩形脈沖（矩形脈沖（1v，1s）的頻譜）的頻譜 騷擾的頻譜分析（續(xù)騷

6、擾的頻譜分析（續(xù)） 八種脈沖頻譜的比較 采取屏蔽方法采取屏蔽方法 機(jī)箱的屏蔽效能由孔縫直徑?jīng)Q定，機(jī) 箱孔縫等效于二次發(fā)射天線。 孔縫長(zhǎng)度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，漏 泄能量最大。 對(duì)于固定的孔縫長(zhǎng)度，頻率越高，泄 漏越嚴(yán)重。 機(jī)箱屏蔽的改進(jìn)機(jī)箱屏蔽的改進(jìn) 設(shè)計(jì)中使縫隙尺寸滿足要 商用設(shè)備：d/20,20db 軍用設(shè)備：d/50,28db 顯示窗可使用屏蔽玻璃； 接縫處應(yīng)良好搭接，縮短連接螺絲的 間距，可使用導(dǎo)電襯墊； 采用波導(dǎo)設(shè)計(jì)，通風(fēng)窗可使用波導(dǎo)管。 分布電容和分布電感分布電容和分布電感 任何二金屬間都存在分布電容和電感 各種傳輸線的分布參數(shù)各種傳輸線的分布參數(shù) 各種傳輸線的分布參數(shù)（續(xù)）各種傳

7、輸線的分布參數(shù)（續(xù)） 分布參數(shù)是固有的特性參數(shù)，只與二金屬的 物理尺寸、相對(duì)位置有關(guān)； 分布參數(shù)是造成emc問題的主要原因； 實(shí)際設(shè)備中，各種元器件、傳輸線、機(jī)箱間 的分布參數(shù)很難計(jì)算和測(cè)量，因此emc分析 有一定的難度。 lc=常數(shù)，特性阻抗z。= 電場(chǎng)天線的共模電流輻射 任何二點(diǎn)間有電位差就是共模源，如果二 點(diǎn)有引線出去就是共模天線。 當(dāng)頻率達(dá)到mhz級(jí)時(shí)nh的分布電感和pf級(jí) 的分布電容都將對(duì)共模輻射產(chǎn)生重要影響。 設(shè)備的共模天線的一極往往是印刷板的地 和機(jī)箱，另一極是連接電纜中的地線；由于 線間電容之間的耦合，整條電纜上都污染上 了共模電流。 連接電纜上的共模電流輻射往往是造成設(shè) 備輻

8、射超標(biāo)的主要原因，機(jī)箱無法屏蔽。 圖2-28 計(jì)算機(jī)在3m處的輻射噪聲 （a）沒有接外射線；（b）接上打印機(jī)線 共模電流輻射的判斷 連接電纜 短于 的輻射場(chǎng)強(qiáng)：e= ，e：i，f 4 il60 差模電流輻射和共模電流輻射的 比較示例 扁平饋線中抽取相鄰的兩根導(dǎo)線，線長(zhǎng)1米， 導(dǎo)線對(duì)上分別加以共模和差模電流，在離導(dǎo) 線對(duì)3米處按gb 9254規(guī)定測(cè)量騷擾場(chǎng)強(qiáng)。 實(shí)驗(yàn)表明如果該處場(chǎng)強(qiáng)要達(dá)到b類設(shè)備的限 值（30230mhz時(shí)為40dbv/m），則差模 電流要求為20ma，而共模電流只要8 a，兩 者相差2500倍 共模電流輻射的基本模式-電流 驅(qū)動(dòng)和電壓驅(qū)動(dòng) 1、電流驅(qū)動(dòng)模式： 信號(hào)電流環(huán)路電感共

9、模源不對(duì) 稱電場(chǎng)天線。 圖2-29電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生共模輻射原理圖 （a）原理圖；（b）等效天線 圖2-31電流驅(qū)動(dòng)方式實(shí)例圖 2-30分地引起的共模輻射 2、電壓驅(qū)動(dòng)模式； 信號(hào)電壓架空金屬對(duì)地的電位差（共模 源） 耦合電容c 不對(duì)稱電場(chǎng)天線 圖2-32電壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生 圖3-33電壓驅(qū)動(dòng)方式實(shí)例 共模輻射原理圖 圖7-26開關(guān)管和散熱片之間的靜電屏蔽 （a）接線示意圖；（b）實(shí)物圖 共模電流輻射的抑制方法 使用鐵氧體磁環(huán) 共模去耦電容 共模電源濾波器 采用屏蔽電纜、屏蔽連接器 改進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置 鐵氧體濾波器及其等效電路 圖17鐵氧體濾波器及其等效電路 抑制原理和注意事項(xiàng)抑制原理和注意事項(xiàng)

10、 鐵氧體磁環(huán)在高頻時(shí)呈電阻性，所以能消耗 高頻共模電流。 共模電流在連接線上是有一定分布的，因此 鐵氧體磁環(huán)應(yīng)放在電流較高的位置上，一般放 在連接線的引出處。 鐵氧體磁環(huán)是否起作用取決于共模天線的阻 抗。 專用專用emc地地 圖14emc地和共模去耦電容 帶共模去耦器的插座 圖6-3濾波連接器的結(jié)構(gòu) 共模濾波器共模濾波器 圖15電源濾波器的典型結(jié)構(gòu) 濾波器的正確安裝濾波器的正確安裝 圖16電源濾波器的正確安裝 采用屏蔽電纜和屏蔽連接器采用屏蔽電纜和屏蔽連接器 如果要求傳輸信號(hào)的速成率較高，邊 緣較陡，則串接濾波器就可能把有用 信號(hào)的高頻部分也濾掉，從而影響信 號(hào)的正常傳輸。這時(shí)就只能采用屏蔽 的方法。 屏蔽層應(yīng)保持電連續(xù)性和一致性，要 求電纜屏蔽層和連接器插頭的金屬外 殼要有360度的完整搭接，不能出現(xiàn) “豬尾巴”現(xiàn)象。 圖5-34屏蔽電纜接頭處的“豬尾巴效應(yīng)” 圖5-36多芯片屏蔽電纜的端 接 改進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置改進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置 印制電路板設(shè)計(jì) #盡量減小供電環(huán)路和信號(hào)環(huán)路的面積； #盡量減小回流地線的阻抗； #在pcb的上方不允許有任何電氣上沒有連 接并懸空的金屬存在等等。 各部件和電路的安排 相互連接線的布置 設(shè)備內(nèi)的近場(chǎng)電磁耦合 設(shè)備內(nèi)各個(gè)環(huán)路之間的電距離較短，一般 為近場(chǎng)，近場(chǎng)的場(chǎng)型