电磁兼容

定义

一部接收机(装置,设备,系统)能在电磁环境中正常工作,且不对该环境中其它设备和系统产生不能承受的电磁干扰。

电磁兼容性

  1. 不对其它系统产生干扰
  2. 对其它系统的辐射不敏感
  3. 不对自身产生干扰
    电磁干扰三要素: 干扰源,耦合途径(耦合通道),受扰设备(受感器)

电磁兼容的两个方面:

  • EMI 电磁干扰:发射量有一个上限值{低频超标:往往由差模形成, 高频超标:往往由共模形成}
  • EMS 电磁敏感性:静电放电的测量
    EMC = EMI + EMS
    耦合:设备或电路之间的“电磁”联系,包括把电磁能量从一个设备(电路)传到另一个设备(电路)的含义。

电磁干扰耦合途径

  1. 传导性耦合:通过导体或传输线的引导来传输
  2. 辐射性耦合:通过空间方式来传输

电路性耦合

电容性耦合、电感性耦合、低频耦合、高频线间耦合
电路性耦合传导的基本原理:电路性传导耦合即共阻抗耦合,当两个电路回路的电流流经一个公共阻抗时,就会产生共阻抗耦合。

  1. 电路性传导耦合往往由导线(车体设计时视为0阻抗,而考虑射频EMI时,却存在阻抗,更为隐蔽就更值得注意)本身的阻抗所引起。
  2. 电路性传导耦合的量级可依据基尔霍夫定律对电路分析获得。
  3. 电路直接相关

低频线间耦合——电容性耦合

除了共阻抗所产生的电路耦合之外,由于相邻电路导线中的电容、互感等也会构成另外一类传导性的耦合途径。分为两种情况:

  • 频率较低时,线长<<λ时,传输线视为满足集总参数的方法。即:分别谈论其电容耦合与电感耦合。
  • 频率较高时,采用分布参数理论来分布传输线的干扰耦合。

电场耦合

若其中一个导体上的电荷变化 → 电场的分布变化 → 其它导体上(电流)变化。
这种联系叫做电场耦合

电容性耦合

所谓电容性耦合就是分析由于导线间电容形成的电路性耦合。
实质是电场的耦合,减小措施:

  1. 减小源的频率
  2. 增大回路阻抗
  3. 增大自身电容(离地面更近)
  4. 减小线间电容C??(增大线间距)
    为了减小电路间的电容性耦合,最有效的办法就是减小线间电容,具体措施就是增大线间距,这一类在高低电平或强弱设备互连线的设计中应特别注意。

低频线间耦合——电感性耦合

电感性耦合的本质是磁场耦合(存在一定回路),减少措施:

  1. 降低源频率
  2. 增大回路距离
  3. 最好是切断回路(不可实现),只可减小回路面积(离地面更近)
    2、3 都是改变回路互感
    法拉第电磁感应现象:如果在磁场中有一个由导线构成的闭合回路l,则当穿过由l限定的曲面S的磁通发生变化时,回路中就产生感应电动势,从而引起感应电流。

电容性耦合:是利用分压关系获得耦合至负载两端的干扰电压,属于并联关系。
电感性耦合:是利用互感现象耦合至回路中的干扰电压,此耦合电压串至敏感电路,故而最终对负载造成的影响与敏感回路的阻抗特性相关。

差模电流和共模电流

差模电流:在信号通道与返回通道上大小相等,方向相反
共模电流:在信号通道与返回通道中大小、方向均相等,往往与大地构成共模回路。

差模电流与差模辐射

差模信号主要携带数据或有用信号或工作电流。其信号的典型特征即大小相等,方向相反。
a、传导性耦合:两部分电流产生的电场相反,当位置适当时,其产生的电场相互抵消,干扰场小。
b、辐射发射:两部分电流所不能抵消的场即是差模电磁干扰。以自由空间中的电流环形天线来模拟差模回路所产生的辐射。
减小回路面积可以大大减小电路辐射场。
具体的,对于传输电缆,此问题并不是很突出,但对于印制板设计中,必须对布线设计、设置电源与负载位置进行合理设计,以减小回路面积。

共模电流

产生原因

  1. 两条信号传输通道不平行而造成的差模信号不是精确的地反相,电流不能完全抵消,则形成共模电流。
  2. 由于分布电容等分布参数的存在而造成非预期传输。
    特点:幅值小于差模电流,但由于共模发射回路面积大,频率高而辐射量级强;且此种类形成干扰更难抑制。

无论是对差模干扰还是共模干扰,其设计阶段的抑源基本原则就是设法减小回路面积;对于线-场耦合具有相同结论。

接地技术

接地:指电路或系统与“地”之间建立的低阻抗通路,其中一点通常是系统的一个电路,而另一点则是称之为“地”的参考点。
接地目的

  1. 提供安全地, 防止在设备机壳上由于各种原因造成的电荷积累。电压上升而造成的人身安全事故或引起的静电放电(火花放电)而打坏设备中的器件(尤其对于LC)。
  2. 提供基准电位(信号地), 指为设备或系统内部各种电路设置基准电位点,是线路电压的参考点。
  3. 提供低阻抗通路(泄放地), 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。
    地平面的要求
    一个好的接地系统,其上的电位:与线路中任何功能部分的电位相比较,都可以忽略不计。
  • 接地平面是零电位:可作为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点; 或地电位稳定,波动小
  • 接地平面的自身阻抗小:接地平面要有足够的长度、宽度、厚度,一般用铜板或者铜网等组成。
  • 作为“终极地”的地容量足够大
    接地不良可能使得
  1. 传导耦合干扰加剧
  2. 降低屏蔽效果
  3. 降低滤波效果
    EMC设计三大方面
    【屏蔽、滤波、接地】

信号线的接地方式

公用地线串联一点接地(串联形)

  • 优点:不存在地环路,不易受到磁场干扰,结构简单,敷设容易,应用广。
  • 缺点:公共阻抗影响大。
  • 运用范围:低频,同电平。

独立地线并联一点接地(分支)

  • 优点:不存在环形电路,不易受外界磁场干扰而产生地回路电流;某一地线受损,不影响其它电路;无公共阻抗耦合。
  • 缺点:地线可能过长,材料多,由于线间可能平行布置,易产生电容性耦合与电感性耦合

独立地线并联一点接地(格栅)

  • 优点:由于地线系统本身呈格栅形状,因而各单元电路或单元设备与地线网连接比较方便;若地线网中有个别地线断裂或脱焊对工作影响不大,可靠性高。
  • 缺点:存在地环路且环路很多,易受外界磁场干扰。

多点接地

系统接地法 — “四套法”电路接地系统

  1. 敏感设备地
  2. 不敏感信号地及大信号地(如末级放大器、大功率电路),工作电流较大,地电流可造成较大的地电位波动。因此,为防止它对其它电路产生干扰而独立接地。
  3. 干扰源地。(电动机,继电器,接触器)工作是产生火花或冲击电流,对电路产生严重干扰;除采用屏蔽隔离技术外,地线必须和电子电路分开。
  4. 机壳安全保护地。或称“金属件地线”。(若不采取绝缘隔离可能造成机壳耦合电流串扰至电路而产生干扰。)

地回路干扰产生的原因

  1. 由电路性耦合引起的接地电流
  2. 由电容耦合形成的地电流
  3. 由电磁耦合形成的地电流
    当存在地线回路(环路)或封闭壳体,易受到磁场耦合,而产生ε从而产生接地电流。
  4. 由接地体的天线效应而形成的地电流。
  5. 接地体的以外的其它导体,接收到场,感应为共模干扰的部分便形成地电流。
浮地

“浮地”是一种将电路或设备与公共接地平面或可能引起回路电流的公共导线进行隔离的办法。
这种方法的特点是各电路的接地面互相隔离而无公共的接地平面,因而可消除各级电路间的接地电位差的干扰。

  • 信号由源到负载的传输都必须构成一个回路
  • 信号由源到负载都必须有一个最低阻抗路径

EMI滤波器的设计与应用技术

滤波的目的:抑制电气、电子设备传导电磁干扰,提高电气、电子设备传导抗扰度水平,同时还可以保证设备整体或局部屏蔽功能。
滤波的实质:将信号频谱划分成有用频率分量和干扰频率分量两个频段,剔除干扰频率分量部分。
滤波的基本用途:是选择信号和抑制干扰。为实现这两大功能而设计的网络称为滤波器。

定义

滤波器是一种频率选择装置,它对某一个或几个频率范围(频带)内的信号给以很小的衰减,使这部分信号能顺利通过;对其它频率(频带)内的信号则给以很大衰减,从而尽可能地阻止这部分信号通过,而使其他频率的信号受到阻塞或衰减。

屏蔽设计技术

屏蔽是用导电或导磁材料制成的壳、板、套、筒等各种形状的屏蔽体,将电磁能限制在一定空间范围内的抑制辐射干扰的一种有效措施。由于辐射干扰在各个频段均可能发生,而各频段的屏蔽原理却各不相同,因而有必要先对屏蔽加以分类。

两类基本源的辐射场。(远、近场的划分)

电偶极子和磁偶极子是两类源的最基本形式。
把横向电场与横向磁场之比定义为纵向波阻抗。

对于电流元的近区场,其电场比磁场强得多,而对于小电流元的近区场,其磁场比电场强得多,因此两者波阻抗是不相同的。

高阻抗源(电场源):即源为高电压小电流时(例如电偶极子、直导线等)
低阻抗源(磁场源):即源为低压大电流时(例如磁偶极子、环形电流等)

电偶极子在近场的波阻抗为高阻抗。
磁偶极子在近场的波阻抗为低阻抗。

对于不同类型的场源,其电场分量和磁场分量总是同时存在的,只是在较低的频率范围内,干扰一般发生在近场。高阻抗电场源的近场主要为电场分量,低阻抗磁场源的近场主要为磁场分量。当频率增高时,干扰趋于远场,此时其电场分量和磁场分量均不可忽略。对于上述三种情况的屏蔽分别称为:电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。

屏蔽原理

电屏蔽的实质是减小两个设备(或两个电路、组件、元件)间电场感应的影响,它包括静电屏蔽和对高阻抗电场源的近区场(即低频时变电场)的屏蔽两部分内容。

屏蔽体必须选用导电性能好的材料,必须接地。
电屏蔽的实质是在保证良好接地的条件下,将干扰源发生的电力线终止于由良导体制成的屏蔽体,从而切断了干扰源与受感器之间的电力线交连。

磁屏蔽是用于抑制磁场耦合实现磁隔离技术措施,它包括低频屏蔽和高频屏蔽。
低频(100KHz以下)磁屏蔽材料通常是磁屏蔽体选用钢、铁、坡莫合金等高导磁率的铁磁性材料,其屏蔽原理是利用铁磁材料的高磁导率对干扰磁场进行分路。
磁力线一定是闭合的,因此磁屏蔽无法像电屏蔽那样,将磁力线终止于屏蔽体,而只能利用屏蔽体对磁力线(磁场)进行分流,来切断干扰源与受感器之间的磁力线交连。

高频磁场屏蔽采用的是低电阻率的良导体材料,如铜、铝等。其屏蔽原理是利用磁感应现象在屏蔽体壳表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽的目的,也就是说,利用了涡流反磁场,对于原干扰磁场的排斥作用,来抵消屏蔽体外的磁场。例如,将线圈置于良导体做成的屏蔽盒中,则线圈所产生的磁场将被限制在屏蔽盒内,同样外界磁场也将被屏蔽盒的涡流反磁场排斥而不能进入屏蔽盒内,从而达到对高频磁场屏蔽的目的。

电磁屏蔽是屏蔽辐射干扰源的远区场,即同时屏蔽电场和磁场的一种措施。

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