電磁兼容的基本理論

1、電磁兼容的基本理論EMC 要求電 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EUTEUT騷擾源傳輸途徑敏感設(shè)備空間輻射的電磁波導(dǎo)線傳導(dǎo)的電壓電流 必須同時(shí)具備三個(gè)基本要素才會(huì)發(fā)生電磁干擾。如果去除了其中之一，就不會(huì)發(fā)生電磁干擾。所以，工程師的任務(wù)就是要決定哪一個(gè)因素是最容易消除的。 一般地說，在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，消除主要的射頻干擾源是最廉價(jià)有效的方法（稱為電磁抑制）。干擾源是產(chǎn)生初始波形的主動(dòng)因素。印制電路板必須設(shè)計(jì)成使產(chǎn)生的電磁能量只限于需要的裝配部件處。 電子設(shè)備的電磁兼容水平 1 電磁發(fā)射（EMI）：設(shè)備傳播的電磁干擾有輻射干擾和傳導(dǎo)干擾。2 電磁敏感度或抗擾

2、度（EMS） ：受影響設(shè)備或敏感設(shè)備所遭受的傷害效應(yīng)，包括電磁干擾EMI、靜電放電（ESD）和電力過電壓（EOS）等形式的傷害。此外,還要滿足特定用戶應(yīng)用環(huán)境下的要求 常見的電磁干擾源及特性 自然界的電磁干擾源：雷電放電、太陽黑子爆發(fā)、日輝和地球磁暴等 人為的電磁干擾源：連續(xù)干擾源 設(shè)備有很寬的頻譜,向空間輻射間接干擾源 與機(jī)械運(yùn)動(dòng)工作時(shí)產(chǎn)生的，輻射或傳導(dǎo)干擾脈沖干擾源 電磁瞬態(tài)過程,有關(guān)，如車，船和飛機(jī)的殼體與空氣中的塵粒、煙塵、雪片等摩擦起電。接觸干擾源 金屬的接觸面具有復(fù)阻抗特性，振動(dòng)、顛簸、撞擊時(shí)，接觸阻抗是可變的。外界強(qiáng)輻射場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于接觸阻抗的作用會(huì)產(chǎn)二次輻射。輻射頻譜為原

3、輻射頻譜加接觸阻抗變化的調(diào)制,產(chǎn)生附加頻率分量。停止運(yùn)動(dòng)時(shí)這種干擾便消逝。 典型的人為干擾源及特性點(diǎn)火系統(tǒng)：脈寬1毫微秒到數(shù)百毫微秒，30300兆赫間的頻帶內(nèi)最強(qiáng)，電性干擾可達(dá)500微伏/米，6080米輸電線系統(tǒng)：0.1到150KHz的范圍，輻射干擾的脈沖寬度較大為14KHZ到1GHZ重復(fù)頻率較低。電暈放電產(chǎn)生高頻振蕩，正半周的電暈有較強(qiáng)的放電并伴隨著發(fā)光。電感性設(shè)備：電動(dòng)機(jī)、電弧焊設(shè)備和變壓器等設(shè)備，不規(guī)則的脈沖流，頻譜約為10K到1G。開關(guān)器件和繼電器：伴隨著觸點(diǎn)開合著有氣體放電和電弧放電。電弧放電是觸點(diǎn)的金屬高溫汽化形成電流通路，沒有氣體也產(chǎn)生電弧放電。 電子設(shè)備內(nèi)部的干擾源TTL的開關(guān)

4、噪聲：開關(guān)電流，幾十到幾吉赫的高頻，產(chǎn)生的須狀噪聲約0.51.5伏，寬5-10納秒。TTL邏輯元件也極易受影響，2伏20納秒的噪聲就使TTL邏輯器件發(fā)生誤動(dòng)作。動(dòng)態(tài)RAM：DRAM利用電荷存儲(chǔ)數(shù)位信息，充放電電流的峰值為100MA，頻率可達(dá)，100MHz，電源線和接地線產(chǎn)生串?dāng)_和公共阻抗噪聲。電源和接地：電源投入的過渡過程，負(fù)載變化產(chǎn)生快速脈沖電流，經(jīng)電源和接地通路產(chǎn)生干擾。振蕩器體及變壓器：工作時(shí)會(huì)在周圍輻射高頻電磁波。靜電放電和I/O端的干擾：經(jīng)過信號(hào)線和連接器，外界的電磁干擾進(jìn)入電子設(shè)備，內(nèi)部干擾源向外輻射。傳輸途徑一. 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

5、. 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 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-地間電壓有用信號(hào)都是差模的，騷擾可能是差模的，也可能是共模的。1、分別接地產(chǎn)生共模干擾2、附近的強(qiáng)電磁環(huán)境產(chǎn)生共模干擾P、Q兩點(diǎn)存在電位差（UCM），產(chǎn)生共模電流Icm1,Icm2，Icm1，Icm2方向相同，大小不一，在Z1上產(chǎn)生了差模信號(hào)。空間輻射電磁波電場(chǎng)天線 高電壓小電流磁場(chǎng)天線 低電壓大電流根據(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)。設(shè)備內(nèi)每個(gè)電

6、路都可能是天線，機(jī)殼和電纜都可能是天線的一部分。設(shè)備內(nèi)天線示意圖信號(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；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；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)天線電場(chǎng)天線 磁場(chǎng)天線在實(shí)際電路中的存在形式及減少其影響的處理方法磁場(chǎng)天線的差模電流輻射平行雙線環(huán)路在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度減小差模電流輻射的措施盡量減小環(huán)路面積#鏡像層優(yōu)先選用地層，而不是電源層.#適當(dāng)選擇布線層進(jìn)行時(shí)鐘布線1 布線層（好）2 地層 3 布線層（最好）4 電源層5- 地層6 布線層（好） (a)某六層板的分層 1 布線層（好）2 地層3 電源層

7、4 布線層（一般） (b)四層板的分層圖4 多層印制板的分層 圖5四層板的時(shí)鐘線跨層布置#布線注意：時(shí)鐘線跨層時(shí)，必須加接地通孔A、B兩點(diǎn)打Via，A、B間在下布線層聯(lián)系，根據(jù)高頻信號(hào)的特性，可得到最小的環(huán)路的面積。 電場(chǎng)天線在實(shí)際電路中的存在形式及減少其影響的處理方法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：+Q-QVE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分析有一定難度。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

8、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)備輻射超標(biāo)的主要原因，機(jī)箱無法屏蔽。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（30230 MHz時(shí)為40 dBV/m）,則差模電流要求為20 mA，而共模電流只要8A，兩者相差2500倍。 產(chǎn)生

9、共模電流輻射的條件共模源-由差模源（有用信號(hào)源）驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生 基本驅(qū)動(dòng)模式： *電流驅(qū)動(dòng)模式 *電壓驅(qū)動(dòng)模式共模天線-不對(duì)稱振子 天線 *設(shè)備的外部連接線 *設(shè)備內(nèi)部印刷板的地線、電源面、機(jī) 殼、散熱片、金屬支撐架等等 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 共模源 不對(duì)稱電場(chǎng)天線。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。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、屏敝連接器改進(jìn)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布置抑制原理和注意事項(xiàng)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

10、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。共模濾波 器圖15 電源濾波器的典型結(jié)構(gòu)帶共模去耦器的插座采用屏蔽電纜和屏蔽連接器 如果要求傳輸信號(hào)的速率較高，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 。近場(chǎng)電磁耦合的抑制方法減小環(huán)路面積，避免環(huán)套環(huán)。不相容的電路應(yīng)遠(yuǎn)離。不相容的信號(hào)線不要平行走線。更不能綁扎在一起。分布在不同層上

11、的信號(hào)線走向應(yīng)相互垂直。 采用屏蔽的方法 屏蔽電纜：?jiǎn)味私拥?電場(chǎng)屏蔽 雙端接地-磁場(chǎng)屏蔽 雙絞線： 磁場(chǎng)屏蔽 導(dǎo)線的共阻抗耦合共電源阻抗耦合 解決辦法： #去耦電容； #減少供電線路阻抗； #不相容電路各自供電； 地環(huán)路干擾產(chǎn)生原因：地電位差 ，周圍強(qiáng)場(chǎng)。共模騷擾電流在負(fù)載上產(chǎn)生的差模騷擾電 壓，才能起到干擾作用。 地環(huán)路干擾的抑制采用平衡電路隔離變壓器共模扼流圈光電耦合器光纖傳輸敏感設(shè)備受干擾的基本原理設(shè)備內(nèi)的天線是互易的，既可發(fā)射，也可接受?？臻g電磁波的接收： 磁場(chǎng)天線： 電場(chǎng)天線： 對(duì)應(yīng)于EMS測(cè)量中的：RS，ESD等。導(dǎo)線傳導(dǎo)騷擾的接收：主要是以共模方式進(jìn)入的騷擾。 對(duì)應(yīng)于EMS測(cè)量中的：CS，EFT，浪涌等 敏感設(shè)備的抗干擾措施設(shè)備的抗干擾措施和抑制設(shè)備的電磁發(fā)射措施往往是互易的。正確的屏蔽、濾波、