电磁兼容设计技术

1为什么要掌握电磁兼容技术因为：•电子电路日益复杂，调试越来越难•电磁兼容标准强制实施•市场竞争日益激烈，开发周期越来越短2为什么要“调”电路信号畸变不能达到预期的功能信号本身失真•反射•损耗串扰地线、电源噪声外界干扰（辐射、传导）电磁兼容设计信号完整性3电磁兼容设计是必须的电路图产品4设备之间的干扰也不容忽视开关电源数字脉冲电路数字视频设备220AC5怎样对付这些干扰问题屏蔽接地滤波选什么材料屏蔽体怎样接地屏蔽效能取决于什么因素地线与干扰有什么关系应该怎样设计地线怎样实现有效的滤波为什么滤波并不有效6一个干扰的例子RS105，脉冲电磁场试验7消除干扰的措施与结果共模滤波电容滤波的测试结果滤波的软件仿真结果8实践电磁兼容技术课程特点：注重物理概念和应用背景，避免空洞理论和复杂公式内容实用，立竿见影培养解决电磁干扰的综合能力（基本理论、分析方法、问题解决能力等）9课程内容•电磁兼容要求（标准）与试验方法•地线造成的干扰问题与解决方法•电磁屏蔽与搭接•电磁干扰滤波技术•电缆设计•线路板设计10•对电磁兼容技术有全面的了解•掌握接地、滤波、屏蔽等关键技术•在产品电磁兼容设计方面有明确的思路•使产品顺利通过电磁兼容试验•具备进一步学习的能力通过学习本课程要达到：11第一章预备知识与基本概念12电路之间的干扰模拟电路控制电路（处理器）信号处理电源13电容耦合电场VN=VS[ZL/(ZC+ZL)]ZLVSVN容抗：ZC=1/jC14电感耦合I1VN15公共阻抗耦合数字电路模拟电路VN16传导性干扰模拟电路数字电路17天线接收天线：将天线上的电磁波变成端口上的电压辐射天线：将端口上的电压变成电磁波VV18基本天线结构环天线偶极天线单极天线VVV19环天线产生的辐射近场区内（D〈/2）:H=IA/(4D3)A/mE=Z0IA/(2D2)V/m远场区内（D〉/2）:H=IA/(2D)A/mE=Z0IA/(2D)V/mAID20导线的辐射近场区内:H=IL/(4D2)A/mE=Z0IL/(82D3)V/m远场区内:H=IL/(2D)A/mE=Z0IL/(2D)V/mILD21波阻抗的概念波阻抗377/2到观测点距离rE/HZW=Z0（2D/）ZW=Z0=377ILAIZW=Z0（/2D)22寄生天线偶极天线：只要两个体之间存在电位差，就构成了偶极天线。环天线：只要存在电流环路，就形成了一个环天线。23常见等效偶极(单极)天线机箱接地线PCBVG主板电缆子板笔记本PCB电缆没接地的散热片24常见环天线25用天线的概念处理问题1用天线的概念看待设备中的导体,发现隐蔽的天线2尽量消除这些具有天线性能的结构3不能消除时，控制天线的辐射•减小环天线的面积•减小两个导体之间的射频电压26分贝(dB)的概念分贝的定义：分贝数＝10lgP2P1P1、P2是两个功率数值，对于电流或电压，定义如下：电压增益的分贝数＝20lgV2V1电流增益的分贝数＝20lgI2I127用分贝表示的物理量电压：用1V、1mV、1V为参考（例如：1V=0dBV）则单位为：dBV、dBmV、dBV等，电流：用1A、1mA、1A为参考，则：dBA、dBmA、dBA场强：用1V/m、1V/m为参考，则：dBV/m、dBV/m等，功率：用1W、1mW为参考，则：dBW、dBm等，28“分贝”仅表示相对概念9910.1SE=20lg(100/1.1)40dB99110SE=?如果把绿色辐射体去掉，屏蔽体的屏蔽效能是多少？29频域分析处理电磁干扰的问题必须熟悉频域分析：•电磁兼容标准中大部分指标都是在频域中表示的•对电磁干扰的各种措施都与频率有关•通过频率特征容易查找干扰源30频域中表示的辐射发射限值31时域—频域变换时域周期信号离散的谱线时域非周期信号连续频谱tft付立叶级数付立叶变换32脉冲信号的频谱trdAV(f)=2AdSin(fd)fdSin(ftr)ftr(V/MHz)tr、d的单位s，f的单位MHz，A的单位V33脉冲频谱的化简V(f)=2AdSin(fd)fdSin(ftr)ftr(V/MHz)•仅考虑最大值，sinX=1•不考虑相位，仅考虑绝对值•当X趋于0时，sinX/X=1V(f)=2AdV(f)=2AfV(f)=2A2f2trf很小f较小f较大34脉冲频谱的包络线（对数坐标）20lg(2Ad)20lg(2A/)–20lgf20lg(2A/2tr)–40lgfdBV/MHzlg(f)1/d1/tr35周期性脉冲信号的频谱trTdACn=2A(d+tr)TSin[n(d+tr)/T]n(d+tr)/TSin(ntr/T)ntr/T36脉冲信号的频谱包络线-20dB/dec-40dB/dec20lg(2Ad/T)dBVlg(f)1/d1/tr37上升沿越陡高频越丰富38扩谱时钟39扩频时钟的效果40频谱分析仪幅度频率扫描速率（时间）分辨带宽频率范围41第二章地线干扰与接地技术•为什么要地线•地环路问题与解决方法•公共阻抗耦合问题与解决方法•各种接地方法42安全地220V0V+++++43信号地•电路工程师：地线是电位参考点•EMC工程师：地线是信号电流流回信号源的低阻抗路径44地线引发干扰问题的原因V=IR地线电压地线是等电位的假设不成立电流走最小阻抗路径我们并不知道地电流的确切路径地电流失去控制45地线电位示意图2mV200mV2mV~10mV10mV~20mV20mV~100mV100mV~200mV46理解地线阻抗地线阻抗导线阻抗回路阻抗决定了地线电位差决定了实际地线电流47导线的阻抗Z=RAC+jLL1H/m=1/(frr)1/2RAC=0.076rf1/2RDCr电流深度0.37II趋肤效应48导线的阻抗频率Hzd=0.65cm10cm1md=0.27cm10cm1md=0.06cm10cm1md=0.04cm10cm1m10Hz51.45173273.28m5.29m52.9m13.3m133m1k4297.14m6328.91m5.34m53.9m14m144m100k42.6m712m54m828m71.6m1.090.3m1.071M426m7.12540m8.28714m10783m10.65M2.1335.52.741.33.57503.865310M4.2671.25.482.87.141007.710650M21.33562741435.750038.5530100M42.65471.477150M63.981107115高频时，导线的直径作用减小49金属条与导线的阻抗比较00.10.20.30.40.50.612345678910S/W金属条阻抗/导线阻抗50电流回路的阻抗~LRIZ=R+jLL=/IA~51地线问题－地环路IGVGVN地环路I1I252隔离变压器屏蔽层只能接2点！C2VG12C1屏蔽CPVGVSVNRL53光隔离器发送发送接收接收RLRLVGVSVSVG光耦器件Cp54共模扼流圈的作用VsR1R1RLLVGIN1IN2ISVS+VN=R1/LVN/VGRL/（RS+RL）Mf55平衡电路对地环路干扰的抑制VGRS1VS1RS2RL2RL1VS2IN1IN2ISVL56地线问题－公共阻抗耦合电路1电路2地电流1地电流2公共地阻抗V~~~改进1改进257接地方式种类信号接地方式并联单点接地串联单点接地混合接地多点接地单点接地58单点接地123123串联单点接地优点：简单缺点：公共阻抗耦合并联单点接地优点：无公共阻抗耦合缺点：接地线过多I1I2I3I1I2I3ABCABCR1R2R359串联单点、并联单点混合接地模拟电路1模拟电路2模拟电路3数字逻辑控制电路数字信息处理电路继电器驱动电路马达驱动电路60线路板上的地线噪声模拟数字61长地线的阻抗设备Z0=(L/C)1/2RRLLCCFP1=1/2(LC)1/2ZP=(L)2/RRACRDC串联谐振并联谐振62多点接地R1R2R3L1L2L3电路1电路2电路3地线阻抗一定保持很小，避免公共阻抗耦合镀银（减小表面电阻）良好搭接（减小地线阻抗）宽金属板（减小电感）63混合接地~Vs地电流Rs~Vs安全接地Rs安全接地地环路电流64放大器屏蔽壳的接地C1SC3SC2SC1SC3SC2S等效电路65接地位置不当造成的干扰稳压电源稳压电源火灾报警器火灾报警器66第三章电磁屏蔽技术•屏蔽材料的选择•实际屏蔽体的设计67电磁屏蔽屏蔽前的场强E1屏蔽后的场强E2对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽,电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量:SE=20lg(E1/E2)dB68实心材料屏蔽效能的计算入射波场强距离吸收损耗AR1R2SE＝R1＋R2＋A＋B＝R＋A＋BB69吸收损耗的计算t入射电磁波E0剩余电磁波E1E1=E0e-t/A＝20lg(E0/E1)=20lg(et/)dB0.37E0A＝8.69(t/)dBA=3.34tfrrdB70趋肤深度举例71反射损耗R＝20lgZW4Zs反射损耗与波阻抗有关，波阻抗越高，则反射损耗越大。ZS=3.6810-7fr/r远场：377近场：取决于源的阻抗同一种材料的阻抗随频率变72不同电磁波的反射损耗远场:R＝20lg3774Zs4500Zs=屏蔽体阻抗，D=屏蔽体到源的距离（m）f=电磁波的频率（MHz）2DfDfZsZs电场:R＝20lg磁场:R＝20lgdB73影响反射损耗的因素1500.1k1k10k100k1M10M100M平面波3108/2rfR(dB)靠近辐射源r=30m靠近辐射源74综合屏蔽效能(0.5mm铝板)150250平面波00.1k1k10k100k1M10M高频时电磁波种类的影响很小屏蔽效能（dB）频率75多次反射修正因子的计算电磁波在屏蔽体内多次反射，会引起附加的电磁泄漏，因此要对前面的计算进行修正。B=20lg(1-e-2t/)说明：•B为负值，其作用是减小屏蔽效能•当趋肤深度与屏蔽体的厚度相当时，可以忽略•对于电场波，可以忽略76怎样屏蔽低频磁场？低频磁场低频磁场吸收损耗小反射损耗小高导电材料高导磁材料高导电材料77高导磁率材料的磁旁路效果H0H1H0RsR0H1R0RsSE=1+R0/RS78低频磁场屏蔽产品79磁屏蔽材料的频率特性151015坡莫合金金属镍钢冷轧钢0.010.11.010100kHzr10380磁导率随场强的变化磁通密度B磁场强度H饱和起始磁导率最大磁导率=B/H81强磁场的屏蔽高导磁率材料：饱和低导磁率材料：屏效不够低导磁率材料高导磁率材料82加工的影响20406080100101001k10k跌落前跌落后83良好电磁屏蔽的关键因素屏蔽体导电连续没有穿过屏蔽体的导体屏蔽效能高的屏蔽体不要忘记：选择适当的屏蔽材料你知道吗：与屏蔽体接地与否无关84实际屏蔽体的问题通风口显示窗键盘指示灯电缆插座调节旋钮实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等电源线缝隙85远场区孔洞的屏蔽效能LLSE=100–20lgL–20lgf+20lg（1+2.3lg(L/H))=0dB若L/2H86孔洞在近场区的屏蔽效能若ZC（7.9/Df）：（说明是电场源）SE=48+20lgZC–20lgLf+20lg(1+2.3lg(L/H))若ZC（7.9/Df）：（说明是磁场源）SE=20lg(D/L)+20lg(1+2.3lg(L/H))（注意：对于磁场源，屏效与频率无关！）87缝隙的泄漏低频起主要作用高频起主要作用88缝隙的处理电磁密封衬垫缝隙89电磁密封衬垫的种类•金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的)•导电橡胶(不同导电填充物的)•指形簧片(不同表面涂覆层的)•螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的)•导电布90指形簧片91螺旋管电磁密封衬垫92电磁密封衬垫的主要参数屏蔽效能(关系到总体屏