电磁兼容基本理论(整理)

基本概念EMC要求元器件电路设备系统都必须互不干扰，正常工作，达到电磁兼容。构成干扰三要素EUTEUT骚扰源传输途径敏感设备空间辐射的电磁波导线传导的电压电流•必须同时具备三个基本要素才会发生电磁干扰。如果去除了其中之一，就不会发生电磁干扰。所以，工程师的任务就是要决定哪一个因素是最容易消除的。•一般地说，在设计印制电路板时，消除主要的射频干扰源是最廉价有效的方法（称为电磁抑制）。干扰源是产生初始波形的主动因素。印制电路板必须设计成使产生的电磁能量只限于需要的装配部件处。电子设备的电磁兼容水平1电磁发射（EMI）：设备传播的电磁干扰有辐射干扰和传导干扰。2电磁敏感度或抗扰度（EMS）：受影响设备或敏感设备所遭受的伤害效应，包括电磁干扰EMI、静电放电（ESD）和电力过电压（EOS）等形式的伤害。此外,还要满足特定用户应用环境下的要求常见的电磁干扰源及特性·自然界的电磁干扰源：雷电放电、太阳黑子爆发、日辉和地球磁暴等·人为的电磁干扰源：连续干扰源—设备有很宽的频谱,向空间辐射间接干扰源—与机械运动工作时产生的，辐射或传导干扰脉冲干扰源—电磁瞬态过程,有关，如车，船和飞机的壳体与空气中的尘粒、烟尘、雪片等摩擦起电。接触干扰源—金属的接触面具有复阻抗特性，振动、颠簸、撞击时，接触阻抗是可变的。外界强辐射场产生感应电流，由于接触阻抗的作用会产二次辐射。辐射频谱为原辐射频谱加接触阻抗变化的调制,产生附加频率分量。停止运动时这种干扰便消逝。典型的人为干扰源及特性点火系统：脉宽1毫微秒到数百毫微秒，30~300兆赫间的频带内最强，电性干扰可达500微伏/米，60~80米输电线系统：0.1到150KHz的范围，辐射干扰的脉冲宽度较大为14KHZ到1GHZ重复频率较低。电晕放电产生高频振荡，正半周的电晕有较强的放电并伴随着发光。电感性设备：电动机、电弧焊设备和变压器等设备，不规则的脉冲流，频谱约为10K到1G。开关器件和继电器：伴随着触点开合着有气体放电和电弧放电。电弧放电是触点的金属高温汽化形成电流通路，没有气体也产生电弧放电。电子设备内部的干扰源TTL的开关噪声：开关电流，几十到几吉赫的高频，产生的须状噪声约0.5~1.5伏，宽5-10纳秒。TTL逻辑元件也极易受影响，2伏20纳秒的噪声就使TTL逻辑器件发生误动作。动态RAM：DRAM利用电荷存储数位信息，充放电电流的峰值为100MA，频率可达，100MHz，电源线和接地线产生串扰和公共阻抗噪声。电源和接地：电源投入的过渡过程，负载变化产生快速脉冲电流，经电源和接地通路产生干扰。振荡器体及变压器：工作时会在周围辐射高频电磁波。静电放电和I/O端的干扰：经过信号线和连接器，外界的电磁干扰进入电子设备，内部干扰源向外辐射。传输途径•一.空间辐射差模电流辐射和共模电流辐射远场电磁感应近场电磁耦合•二.导线传导共阻抗耦合共电源线差模方式共地线差模方式地环路干扰地电位差共模方式周围强场共模方式22共模和差模•差模电流：线-线电流：大小相等方向相反差模电压：线-线间电压•共模电流：二线间方向相同共模电压：线-地间电压•有用信号都是差模的，骚扰可能是差模的，也可能是共模的。1、分别接地产生共模干扰2、附近的强电磁环境产生共模干扰P、Q两点存在电位差（UCM），产生共模电流Icm1,Icm2，Icm1，Icm2方向相同，大小不一，在Z1上产生了差模信号。空间辐射电磁波•电场天线高电压小电流•磁场天线低电压大电流•根据麦克斯韦方程，变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场。•设备内每个电路都可能是天线，机壳和电缆都可能是天线的一部分。设备内天线示意图•信号源－传输线－负载组成电流环路，包括信号环路、电源供电环路、输入和输出环路；•当负载阻抗小、环路电流大、电压低时相当于磁场天线；•当负载阻抗大、环路电流小、电压高时相当于电场天线。磁场天线电场天线磁场天线在实际电路中的存在形式及减少其影响的处理方法磁场天线的差模电流辐射•平行双线环路在远场时的电场强度2222120E/,,,1,100,50340.8/40/BIAVmEAfrAcmImAfMHzrmEdBVmdBVm例：，测量距离超过GB9254规定的级产品辐射限值。减小差模电流辐射的措施•尽量减小环路面积#镜像层优先选用地层，而不是电源层.#适当选择布线层进行时钟布线1———————布线层（好）2———————地层3———————布线层（最好）4———————电源层5————-———地层6———————布线层（好）(a)某六层板的分层1————————布线层（好）2————————地层3————————电源层4————————布线层（一般）(b)四层板的分层图4多层印制板的分层图5四层板的时钟线跨层布置ICIC1234AB上布线层地层电源层下布线层#布线注意：时钟线跨层时，必须加接地通孔A、B两点打Via，A、B间在下布线层联系，根据高频信号的特性，可得到最小的环路的面积。电场天线在实际电路中的存在形式及减少其影响的处理方法分布电容和分布电感•任何二金属间都存在分布电容和电感：.CC1,ccQVdQdtidvdtdvdtdvicdtVZZjc.直流：交流：正弦：I+Q-QVE..,LLLIddteLdidtdidtdieLdtVIZZjL•分布参数是固有的特性参数，只与二金属的物理尺寸、相对位置有关；•分布参数是造成EMC问题的主要原因；•实际设备中，各种元器件、传输线、机箱间的分布参数很难计算和测量，因此EMC分析有一定难度。0LZCLC常数,特性阻抗＝电场天线的共模电流辐射•任何二点间有电位差就是共模源，如果二点有引线出去就是共模天线。•当频率达到MHz级时nH的分布电感和pF级的分布电容都将对共模辐射产生重要影响。•设备的共模天线的一极往往是印刷板的地和机箱，另一极是连接电缆中的地线；由于线间电容之间的耦合，整条电缆上都污染上了共模电流。•连接电缆上的共模电流辐射往往是造成设备辐射超标的主要原因，机箱无法屏蔽。差模电流辐射和共模电流辐射的比较示例•扁平馈线中抽取相邻的两根导线，线长1米，导线对上分别加以共模和差模电流，在离导线对3米处按GB9254规定测量骚扰场强。•实验表明如果该处场强要达到B类设备的限值（30～230MHz时为40dBμV/m）,则差模电流要求为20mA，而共模电流只要8μA，两者相差2500倍。产生共模电流辐射的条件•共模源--由差模源（有用信号源）驱动产生基本驱动模式：*电流驱动模式*电压驱动模式•共模天线--不对称振子天线*设备的外部连接线*设备内部印刷板的地线、电源面、机壳、散热片、金属支撑架等等共模电流辐射的基本模式--电流驱动和电压驱动1、电流驱动模式：信号电流环路电感共模源不对称电场天线。2、电压驱动模式：信号电压架空金属对地的电位差（共模源）耦合电容C不对称电场天线。共模电流辐射的抑制方法•使用铁氧体磁环•共模去耦电容•共模电源滤波器•采用屏蔽电缆、屏敝连接器•改进产品内部结构的设计与布置抑制原理和注意事项•铁氧体磁环在高频时呈电阻性，所以能消耗高频共模电流。•共模电流在连接线上是有一定分布的，因此铁氧体磁环应放在电流较高的位置上，一般放在连接线的引出处。•铁氧体磁环是否起作用取决于共模天线的阻抗。共模滤波器图15电源滤波器的典型结构带共模去耦器的插座采用屏蔽电缆和屏蔽连接器•如果要求传输信号的速率较高，边缘较陡，则串接滤波器就可能把有用信号的高频部分也滤掉，从而影响信号的正常传输。这时就只能采用屏蔽的方法。•屏蔽层应保持电连续性和一致性，要求电缆屏蔽层和连接器插头的金属外壳要有360度的完整搭接，不能出现“猪尾巴”现象。近场电磁耦合的抑制方法•减小环路面积，避免环套环。•不相容的电路应远离。不相容的信号线不要平行走线。更不能绑扎在一起。分布在不同层上的信号线走向应相互垂直。•采用屏蔽的方法屏蔽电缆：单端接地-电场屏蔽双端接地-磁场屏蔽双绞线：磁场屏蔽导线的共阻抗耦合•共电源阻抗耦合•解决办法：#去耦电容；#减少供电线路阻抗；#不相容电路各自供电；地环路干扰•产生原因：地电位差，周围强场。•共模骚扰电流在负载上产生的差模骚扰电压，才能起到干扰作用。地环路干扰的抑制•采用平衡电路•隔离变压器•共模扼流圈•光电耦合器•光纤传输敏感设备受干扰的基本原理•设备内的天线是互易的，既可发射，也可接受。•空间电磁波的接收：磁场天线：电场天线：对应于EMS测量中的：RS，ESD等。•导线传导骚扰的接收：主要是以共模方式进入的骚扰。对应于EMS测量中的：CS，EFT，浪涌等cos2fBAe有效长度Ele敏感设备的抗干扰措施•设备的抗干扰措施和抑制设备的电磁发射措施往往是互易的。•正确的屏蔽、滤波、接地、平衡、隔离措施起到的作用是双向的。•正确的电路设计和布线，使设备内的电场天线和磁场天线既减少了向外发射也减弱了对干扰的接收。信息技术设备的工作信号是数字脉冲信号，具有很宽的频带，从电磁兼容角度应该考虑的最高频率为时钟频率的10倍或者为1/πtr,tr为脉冲的上升沿时间，即脉冲的前沿越陡峭或脉冲的重复频率越高，则脉冲包含的高频能量越大。PCB设计