电磁兼容的基本原理

电磁兼容的基本原理2.1电磁兼容的基本概念2.1.1有关电磁兼容的定义电磁兼容性(ElectromagneticCompatibility—EMC)（1）国家标准GB/T4365-1995《电磁术语》的定义：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。（2）美国电气电子工程师协会(IEEE)的定义：一个装置能在其所处的电磁环境中满意地工作同时又不向该环境及同一环境中的其他装置排放超过允许范围的电磁扰动。（3）国际电工技术委员会(IEC)的定义：电磁兼容是设备的一种能力。它在其电磁环境中能完成它的功能，而不至于在其环境中产生不允许的干扰。上述三个定义虽然措辞不同，但都可概括为两个方面：（1）设备或系统承受电磁骚扰时，能正常工作；（2）设备工作时，不产生超过规定值的电磁骚扰。其它术语电磁骚扰(E1ectromagneticDisturbance)：可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命、无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁干扰(E1ectromagneticInterference—EMI)：由电磁骚扰引起的设备、系统或传播通道的性能下降。电磁骚扰和电磁干扰比较：两个词语过去经常混用，但两者之间有明显的区别——前者是指电磁能量的发射过程，后者则强调电磁骚扰造成的结果。抗扰性(ImmunityofDisturbance)：装置、设备或系统面临电磁骚扰而不降低运行性能的能力。电磁敏感性(E1ectromagneticSusceptibility—EMS)：在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。电磁敏感性与抗扰性比较：同一性能的正反两个不同说法，敏感性高意味着抗扰性能低。有关发射电平、抗扰性电平、发射限值和兼容性电平等之间的关系电磁干扰三要素电磁兼容就是研究电磁干扰（E1ectromagneticInterference—EMI）问题。电路受干扰的程度可用下式描述：/IWCS电磁干扰三要素：式中，S为电路受干扰的程度；W为骚扰源的强度；C为骚扰源通过某种途径到达被干扰处的耦合因素；I为被干扰电路的抗干扰性能。对于任何一个干扰现象，必然存在电磁干扰的三要素，且缺一不可。因此，在系统设计、制造、安装和调试中，消除三要素中的任何一个，干扰即可消除。电磁兼容设计的基本出发点就在于破坏上述三个条件中的一个或几个。电磁干扰现象开关电源数字脉冲电路数字视频设备220AC产生电磁干扰的条件1.突然变化的电压或电流，即dV/dt或dI/dt很大2.辐射天线或传导导体当电压或电流发生迅速变化时，就会产生电磁辐射现象，导致电磁干扰。因此，最近电磁干扰问题日益突出的主要原因之一就是脉冲电路（数字电路、脉冲电源）的大量应用。凡是存在这种电压或电流突然变化的地方，都要考虑电磁干扰问题。2.2电磁骚扰源1)从来源分：自然骚扰和人为骚扰。2)从骚扰属性分：功能性骚扰和非功能性骚扰。3)从耦合方式分：传导骚扰和辐射骚扰。4)从频谱宽度分：宽带骚扰和窄带骚扰。5)从频率范围分：6)甚低频骚扰(30Hz以下)、7)工频与音频骚扰(50Hz及其谐波)、8)载频骚扰(10kHz一300kHz)、9)射频及视频骚扰(300kHz一300MHz)、10)微波骚扰(300MHz一100GHz)。由于大自然现象所造成的各种骚扰源。包括：(1)雷电(2)太阳噪声(3)物质本身固有的噪声人为骚扰源常见的产生骚扰的设备有：(1)无线电通信设备(2)工业、科学、医疗设备(3)电力系统(4)点火系统自然骚扰源无论是自然的或人为的电磁骚扰源，按其构成威胁的程度均可分为4类：雷电、强电磁脉冲、静电放电和开关操作。(5)家用电器、电动工具及电气照明(6)信息技术设备(7)静电放电常见骚扰源雷电脉冲电路ESD无线通信感性负载通断直流电机、变频调速器在时域中，信号表示为其量值随时间变化的函数。它比较符合人们的观察习惯，可用示波器显示信号波形。在频域中，信号表示为其幅值、相位随频率变化的函数。电磁兼容标准的限值是在频域中规定的，可用频谱分析仪测量信号频谱。时域信号和频域信号可以相互转换：时域→频域：傅里叶变换-j-de)()(ttfωAt-jde)(21)(ωωAπtfωt频域→时域：傅里叶反变换时域和频域处理电磁干扰的问题时，更加关心的干扰信号的频谱。电磁兼容标准中大部分指标都是在频域中表示的，为便于与标准对比，往往要采用频域分析。对电磁干扰的各种措施都与频率有关，如滤波器的截止频率。通过频率特征容易查找干扰源。电磁兼容问题的分析侧重于干扰在特定频率上的能量分布，对时间、相位问题关注很少。频域中表示的辐射发射限值脉冲波形由正弦波组成脉冲信号的频谱时域周期信号离散的谱线tf付立叶级数时域非周期信号连续频谱t付立叶变换脉冲信号是最容易产生的一类干扰信号，因此应该熟悉它的频谱。周期脉冲的频谱是离散的，相邻谱线间距是脉冲重复频率。非周期脉冲的频谱是连续的，频谱密度用傅里叶变换求出。非周期梯形脉冲信号的频谱trdAV(f)=2AdSin(fd)fdSin(ftr)ftr(V/MHz)tr、d的单位s，f的单位MHz，A的单位V以数字电路中常见的梯形波为例，先考虑单个脉冲（非周期）的情况脉冲频谱的化简V(f)=2AdSin(fd)fdSin(ftr)ftr(V/MHz)•仅考虑干扰最强的情况，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很小接近于0f较小f较大简化条件上式中两个分式的值均为1sin(πfd)=1,sin(πftr)/πftr=1两个正弦值=1脉冲频谱的包络线（对数坐标）20lg(2A/2tr)–40lgf20lg(2Ad)20lg(2A/)–20lgfdBV/MHzlg(f)f=1/df=1/tr两个拐点分别在1/d和1/tr。在1/d以下，包络线为水平线。在1/d和1/tr之间，包络线以每十倍频程20dB的速率下降。1/tr以上，以每十倍频程40dB的速率下降。信号90%以上的能量分布在0~1/tr的频率内，所以1/tr称为脉冲信号带宽。上升时间tr越短，带宽越宽。(问题：这和教材中的结论一样吗？）周期性脉冲信号的频谱trTdACn=2AdTSin[nd/T]nd/TSin(ntr/T)ntr/T周期脉冲信号的频谱包络线-20dB/dec-40dB/dec20lg(2Ad/T)dBVlg(f)1/d1/tr上升沿越陡高频越丰富适当延长梯形波的上升时间和下降时间，则该信号的高频谐波分量可大为减小。静电放电＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋放电电流I以往所关注的静电危害，主要是静电电压对器件造成的损坏。然而，在EMC研究中，主要关注静电放电过程所形成的干扰。因为放电电流上升沿短，幅度高，所以会产生强度大，频谱宽的电磁场。上升沿为1ns的脉冲，带宽可达300MHz。将传播方式按耦合机理分类：传导耦合（公共阻抗耦合）：电路中的骚扰电压或电流通过公共电路（如公用的导线、元器件等）流通到另一个电路中的耦合方式。其特点是电路间至少有两个电气连接节点。磁场耦合（电感耦合）：一个电路中的骚扰电流通过链接磁通（互感）在另一个回路中感应电动势，以传播骚扰的耦合方式。电场耦合（电容耦合）：一个电路中导体的骚扰电压通过与其临近的另一个电路的导体之间的相互电容耦合产生骚扰电流。辐射耦合：电磁骚扰在空间以电磁波的形式传播，耦合至被干扰电路。2.3电磁骚扰的传播电荷的移动形成电流（传导电流IC），它在导体中流动。电场的变化也形成电流（位移电流ID），它在空间流动。如何掌握电流流通路径？①任何电流都要返回其源；②电流总是沿着最小阻抗路径走。电流流通路径电路的感抗在电流通过时，它的路径受电路阻抗的影响，载流导线除了有电阻之外，还有电感和电容。在高频情况下，其感抗值远大于电阻值，这在电路分析时必须考虑进来。电路的阻抗：Z=R+j(XL-XC)，其中感抗XL=ωL一个单层密绕空心长直螺线管，匝数为N，长为l，截面积为A，则它的自感系数为20NLAl（μ0为真空中的磁导率）可见，其它条件不变时，回路的面积越大，感抗越大。电感：L=/IA哪条是最小阻抗路径？当施加的信号为低频信号时（比如1KHz），回路的阻抗主要取决于电阻，因此绝大部分电流将从路径2流过。当施加的信号为高频信号时，回路的阻抗主要取决于电感，因此绝大部分电流将从路径1流过。在考虑电磁辐射问题时，所涉及到的大多数信号的频率较高。电流返回路径走哪里？若两个电路共用一段电路，其中一个电路中有骚扰电流流过时，在该段公共电路（阻抗）上产生的骚扰电压就会影响到另一个电路，产生传导耦合或公共阻抗耦合。电路1在电路2的负载ZL2上产生干扰电压))((2211212LSLSLCSLZZZZZZUU传导耦合（假设ZcZs1+ZL1和Zs2+ZL2）公共地阻抗耦合图中两个电路公用了一段地线，由于地线是有阻抗的，因此电路的电流流过地线时，会在地线上产生电压，从而对电路2形成干扰。公共电源阻抗耦合虽然电路1和电路2是并联的，但由于供电母线阻抗（公共电源阻抗）ZC1、ZC2的存在，使得电路1和电路2互相影响。导线的阻抗通常情况下，导线的阻抗被忽略。但在研究电磁兼容性问题时必须考虑。任何导体都有内电感（区别于前面提到的电流回路形成的外电感）。因此导线的阻抗由电阻和内电感形成的感抗两部分组成。直流电阻：DClRA（ρ为电阻率）为什么高频电路中导线的交、直流电阻不等？趋肤效应在高频电路中，由于导体内部出现涡流，使导体横截面上的电流分布不均匀，而是集中在导体表面附近，这种现象称为趋肤效应。趋肤效应使导体的有效截面积减小，等效电阻增加。=1/(f)1/2r电流深度0.37II趋肤效应（渗透深度）交流电阻：0.076ACDCRrfR截面半径越大，则导体表面积越大，交流电阻越小。对非圆导体r=截面周长/2π连接导线的模型a)实际电路b)低频等效电路c)高频等效电路①尽量减少与骚扰源回路的公共部分。②采取滤波措施。为减小传导耦合的影响，应采取如下措施：典型的磁场耦合器件就是变压器。当骚扰源为低电压、大电流时，它对周围电路的影响，主要表现为磁场耦合干扰。一般的磁场耦合是指骚扰源产生的骚扰磁场与被干扰回路存在磁通交链，从而在被干扰回路中感应电动势。回路固定不变，磁通密度按正弦规律变化时SNtuSBdddcosjSBωUN例如，一个长5cm、宽3cm的矩形回路处于f=150kHz、H=2A/m的磁场中，且磁场垂直于回路平面，则回路中的感应电压为3.55mV。磁场耦合两个电路间的磁场耦合被干扰电路中的负载上的干扰电压)/(j22212LSLLZZZIMU磁场耦合不需要直接的电连接，当骚扰信号的频率高（电流随时间变化快），被干扰电路回路面积大（互感大），被干扰电路的负载阻抗远大于其源阻抗时，磁场耦合严重。为减小磁场耦合的影响，应采取如下措施：①降低骚扰电流的频率；②减小回路之间的互感；③减小被干扰回路的负载阻抗。为减小互感，可减小回路面积；增大回路间的距离；避免回路面平行布置；采取屏蔽措施。减小磁场耦合的措施当骚扰源为高电压、小电流时，它对周围导体、电路的影响，主要表现为电场耦合干扰。骚扰源通过电容耦合作用于被干扰电路，在导线2上产生的干扰电压为电场耦合a)实际电路b)等效电路2222112jLSLSNZZZZUωCU在导线2上产生的干扰电压为通常情况下则12222212222212)()(j1)(jUZZZZCCωZZZZωCULSLSGLSLSNSGLSGLUCZZCZU1111111j||j||)(12122222GLSLSCCωZZZZ2222112jLSLSNZZZZUωCU通过电容耦合产生的干扰电压与骚扰源的频率、骚扰电压