电磁兼容设计讲座

电磁兼容设计讲座可靠性部电磁兼容讲座系列定义z电磁兼容（EMC)：zElectromagneticCompatibilityz电磁干扰（EMI)：zElectromagneticInterferencez电磁敏感性（EMS〕：zElectromagneticSusceptibility为什么要考虑EMC？z国内外技术壁垒、强制要求z产品的可靠性EMI试验:(参照CISPR22/GB9254)§传导发射试验§辐射发射试验EMS试验(GB/T17626.系列)§静电放电抗扰性试验（.2）§射频电磁场辐射抗扰性试验（.3）§电快速瞬变脉冲群抗扰性试验（.4）§雷击浪涌抗扰性试验（.5）§射频场传导抗扰性试验（.6）§工频磁场抗扰性试验（.8）§电压瞬时跌落,短时中断和电压渐变的抗扰性试验（.11）何时解决EMC生产进程可采取的措施解决EMC的成本设计生产使用EMC三要素z干扰源z敏感设备z传播途径EMC设计z接地（Grounding)z屏蔽(Shielding)z滤波(Filtering)z内部设计（PCB板〕EMC设计三阶段z问题解决阶段z规范设计阶段z分析预测阶段接地(Grounding)z接地的目的一是防电击，一是去除干扰。可将接地分为两大类：z安全接地(SafetyGrounding)z信号接地安全接地(SafetyGrounding)z安全接地是指接大地(Earthing)，也就是将电气设备的外壳以低阻抗导体连接大地，当人员意外触及时不易遭受电击。信号接地z信号接地除提供参考点之外，同时还可以大量消除杂讯的干扰。由于杂讯本身的特性，考虑接地时有不同的处理方法：z单点接地z多点接地z复合式接地单点接地z系统或装备上仅有一点接地，分为：z串联单点接地；z并联单点接地；串联单点接地x若系统各线路或装备所产生或需要的能量变化太大，则不适用串联单点接地，因为高能量的线路或装备所产生大量的地电位会严重地影响低能量线路或装备的正常运作。并联单点接地x并联单点接地最大的缺点是耗时费料，由于接地线太多太长，以至增加各地阻抗，尤其在高频范围中更加严重。多点接地z在频率低于10MHz时，较适于单点接地。若在高频(10MHz)情况下，由于接地线的长度以及接地电路的影响，故单点接地无法达到去除干扰的效果，此时就得使用多点接地。此时接地线的长度亦应尽量缩短。下图各接地点可视为机壳或接地板：复合式接地z复合式单点接地将线路或装备加以归类，而同时使用串联与并联法，可同时兼顾降低杂讯以及减化施工与节省用料。机架系统的接地树（例〕背板背板背板背板背板工作地电源地保护地注意z由于频率的关系，无论何种接地方法均应尽量缩短接地线，否则其非但增加阻抗，同时更会产生辐射杂讯，因其作用有如天线，接地线的长度Lλ/20。z不论何种接地法，最大的困扰均起自于地电流的产生，因此去除接地环路就成了设计者的考验。接地环路下图即为接地环路的形成：打破接地环路的方法常用的电缆z双绞线z同轴电缆z带状电缆注意之一z接地线愈短愈好；z电缆屏蔽层终接时应环接；z电子线路中及低频使用时应规划不同的接地系统以配合不同之回路（Return）,如信号、屏蔽、电源、机壳或组架。唯这些回路最后可接在一起，然后以单点接地；z接地面应具有高传导性（Conductivity）；z线路中之元件若经常产生大量的急变电流，则该线路应备有单独的接地系统，或至少应备有单独之回路，以免影响其它线路。z低能量信号之接地应与其它接地隔离；z切忌双股电缆分开安装；注意之二z低频宜采用单点接地系统，高频应采用多点接地系统；z良好的接地系统；z减少由共同导体所引入的杂讯电压，尽量避免产生接地环路；z已接地的放大器接于未接地之电源，其输入导线之屏蔽应接于放大器之接地点。若未接地之放大器接于接地之电源，则输入导线之屏蔽应于电源端接地。高增益放大器之屏蔽应接于放大器之接地点；z若信号线路两端接地，则所产生的接地环路易受磁场及地电位差的干扰；z去除接地环路的方法有使用隔离变压器、光电耦合器、差动放大器、扼流圈。搭接的功能z搭接是在两金属之间建立一低阻抗通路，其目的在为电流提供一均称的结构体以避免干扰。z处理良好的搭接能彻底发挥屏蔽与滤波的功能，减少接地系统中的射频电位差，以及电流环路，并可防止静电产生，减少雷击与电磁脉冲的危险，同时能防止人员误遭电击。z然而未经仔细处理的搭接会增加干扰的程度，此诚不良之设计较不设计为害更甚。搭接的形态z直接搭接：即搭接体间之直接连接；z间接搭接：即搭接体间以金属导线相连，其适合于经常移动的装备，以及将安装防震垫〔ShockMounts〕的装备，间接搭接时应特别注意共振效应（ResonantEffect）,否则引入杂讯。z搭接的方法有熔接(Welding)、硬焊〔Brazing〕、软焊（Sweating）、砧接〔Swaging〕、铆接(Riveting)以及螺丝连接。搭接之处理z搭接时，金属面应予以清洁，不得有油漆或其它杂物，搭接完成后，可涂以油漆或施以其它之防蚀保护。此外，搭接时应考虑不同金属之电化效应，并应尽量减少接触盐水、汽油等，以防电能作用。z若电能特性相去甚远的两金属欲搭接在一起，应以介于其间的金属为垫圈置于该两金属间，金属电化次序z阳极端（最易受腐蚀）z第一类镁(Mg）；z第二类铝(AL）或铝合金；锌(Zn);镉(Cd);z第三类碳钢；铁(Fe)；铅(Pb）；锡(Sn）；z第四类镍(Ni）;铬(Cr）;不锈钢;z第五类铜(Cu);银(Ag);金(Au);白金(Pt);钛(Ti)。z阴极端(不易受腐蚀）铆接及螺纹搭接y铆接有均匀、省时的优点，但其使用弹性不如以螺钉搭接，且防蚀能力不如熔接、软硬焊。铆接时铆孔应与铆钉紧密接合，铆孔边不得有油漆。z螺纹搭接时应注意垫圈材料的选择及安放位置，通常均戴垫圈(LoadDistributionWasher)直接置于螺栓头（BoltHead）或壳帽之下，而锁紧垫圈（LockWasher）则应置于螺帽与均戴垫圈之间。此外，千万别将带齿锁紧垫圈置于两搭接金属之间。注意z要有效地达到搭接的功能，应使搭接的金属紧密地连接，连接面应均匀、干净，其间不得有非传导性之物质。固定时应防止变形、震动、摇摆。应尽量将类似金属相搭接，不得已时可使用垫圈。应尽量使用直接搭接，若情况不许可时得使用搭接线，惟使用搭接线时应考虑：z·线之长度愈短愈好，电感电容比愈小愈好；z·线之电化次序应低于搭接物；z·长宽比应小于5；z·应直接与搭接物相接；z·不得使用自攻螺纹（Self-TappingScrew）。屏蔽z屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。z屏蔽按其机理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。电场屏蔽的机理ABUCCCU211ABUCCCCU42'1'1'AABBC1C2UAUBUASC2C3C4图1：电场感应示意图图2：电场屏蔽作用的分析'BU电场屏蔽的设计要点z为了获得良好的电场屏蔽效果，注意以下几点是必要的：x屏蔽板以靠近受保护物为好，而且屏蔽板的接地必须良好。此举目的是增大C4的值；x屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显影响。例如，全封闭的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果，而开孔或带缝隙的屏蔽盒，其屏蔽效能都会受到不同程度的影响。此举主要是影响剩余电容C1′的值；x屏蔽板的材料以良导体为好，但对厚度并无要求，只要有足够强度就可以了。磁场屏蔽的机理z磁场屏蔽通常是对直流或甚低频磁场的屏蔽，其效果比对电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多，因此磁场屏蔽是个棘手的问题。z磁场屏蔽主要是依赖高导磁材料所具有的低磁阻，对磁通起着分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大大减弱。H1H0磁场屏蔽的机理磁场屏蔽的设计要点z提高磁场屏蔽效能的主要措施有：x选用高导磁率的材料，如坡莫合金；x增加屏蔽体的壁厚；x以上两条均是为了减少屏蔽体的磁阻；x被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上，以尽量减少通过被屏蔽物体体内的磁通；x注意磁屏蔽体的结构设计，凡接缝、通风孔等均可能增加磁屏蔽体的磁阻，从而降低屏蔽效果。为此，可以让缝隙或长条形通风孔循着磁场方向分布，这有利于屏蔽体在磁场方向的磁阻减小；磁场屏蔽的设计要点（续〕x对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构。对要屏蔽外部强磁场的，则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料，如硅钢等；而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等。反之，如果要屏蔽内部强磁场时，则材料排列次序要倒过来。在安装内外两层屏蔽体时，要注意彼此间的磁绝缘。当没有接地要求时，可用绝缘材料做支撑件。若需要接地时，可选用非铁磁材料（如铜、铝）做支撑件。但从屏蔽体能兼有防止电场感应的目的出发，一般还是要接地的。电磁场屏蔽的机理z电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收两种方式。H1/E1H0/E0电磁场屏蔽的机理电磁场屏蔽的机理（续〕z与前面已讲述的电场屏蔽及磁场屏蔽的机理不同，电磁屏蔽对于电磁波的衰减有三种不同的机理：x当电磁波在到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定厚度，只要求交界面上的不连续；x未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。这种物理过程被称为吸收；x在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，在遇到金属与空气不连续的交界面时，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。屏蔽效能的计算z屏蔽效能S＝A＋R＋B（dB）z上式中A为吸收损耗，R为反射损耗，B为正或负的修正项；当A大于15dB时，B可忽略不计，B是由屏蔽体内反射波所引起的。z上式中的各项可以视为相对于铜材料的导电系数σ和导磁率μ，频率f（Hz）以及所存在的各种物理参数的函数。z机柜（或屏蔽盒）之屏蔽结构材料x适用于底板和机壳的材料大多数是良导体，如铜、铝等，可以屏蔽电场，主要的屏蔽机理是反射而不是吸收。x对磁场的屏蔽需用铁磁材料，如高导磁率合金和铁。主要的屏蔽机理是吸收而不是反射。x在强电磁场环境中，要求材料能屏蔽电场和磁场两种成分，因此需要结构上完好的铁磁材料。屏蔽效率直接受材料厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。x对于塑料壳体，是在其内壁喷涂屏蔽层，或在汽塑时掺入金属纤维。屏蔽之搭接y清洁y氧化层y面接触y螺钉的距离y缝隙：导电衬垫y压力按优先等级排列的各种衬垫优先等级衬垫种类备注1金属网射频衬垫容易变形，压力为1.4kg/cm时，衰减为54dB。资料表明，频率较低时衰减最大。用于永久密封较好，不适用于开与关的面板。2铜镀合金有很高的导电性和很好的抗腐蚀性能。弹性好，最适合用于和活动面板配合。可制成指形条、螺旋和锯齿面。衰减性能常超过100dB。3导电橡胶适用于只需名义上连接和少量螺钉的地方。实现水汽密封和电气密封经150℃、48小时老化后，体电阻率为10~20mΩ/cm(max)。变形度限制值为25%。资料表明，频率较高时衰减为最大。4导电蒙布、泡沫衬垫在泡沫塑料上蒙一块镀银编织物，形成一个软衬垫，占去大部分疏松空间，主要为民用，适用于机柜和门板。穿孔x通风x导线插箱的屏蔽处理z面板：金属U形面板z面板之间加金属簧片z面板插针：定位＋ESD泄放z导轨上簧片：配合插针泄放ESDz金属之间的搭接：簧片/导电衬垫z搭接处导电氧化或电镀滤波滤波器的特性z插入损耗是在装置滤波器前后负载端所接收能量之差异z频率特性是在装置滤波器时插入损耗与频率之对应值。z阻抗匹配z额定电压、电流z绝缘电阻z尺寸、重量z使用环境z可靠性干扰的方式z共模干扰是指电源线对大地，或中线对大地之间的电位差。z差模干扰存在于电源相线与中线之间。滤波器的种类常用的电源滤波器滤波器的安装z首先，滤波器的外壳与设备的金属机壳要有可靠的接触。设备的金属机壳应该接大地。z其次，滤波器引线与安装位置也是很有讲究的问题。信号滤波z电容z磁珠z共模电感z三端滤波器印制电路板的电磁兼容性印制电路