电磁兼容的概念及其发展历史

1PCB电磁兼容设计论文学校：华北电力大学专业：电子班级：0902姓名：经权学号：2009030202132第一章电磁兼容的概念及其相关标准介绍第一节电磁兼容的概念1．电磁兼容定义（ElectromagneticCompatibility即EMC）1.1.1国军标（GJB72A-2002）中给出电磁兼容的定义是：设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能并且互相不会影响各自正常工作的共存状态。包括以下两个方面：a）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现设计的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级；b）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常地工作且不会给环境（或其他设备）带来不可接受的电磁干扰。安全裕度——敏感度门限与环境中的实际干扰影响下性能降级或不能完成规定任务的特性。1.1.2名词解释电磁骚扰——任何可能引起装置、设备或系统性能低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。注：电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。电磁干扰（EMI）——电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。又可解释为：任何可能中断、阻碍，甚至降低、限制无线电通信或其他电子设备性能的传导或辐射的电磁能量。辐射干扰——任何源自部件、天线、电缆、互连线的电磁辐射，以电场、磁场形式（或兼而有之）存在，并导致性能降级的不希望有的电磁能量。传导干扰——沿着导体传输的不希望有的电磁能量，通常用电压或电流来定义。电磁脉冲（EMP）——核爆炸或雷电放电时，在核设施或周围介质中存在光子散射，由此产生的康普顿反冲电子和光电子所导致新的电磁辐射。由电磁脉冲所产生的电场、磁场可能会与电子或电子系统耦合产生破坏性的电压和电流浪涌。浪涌——沿线路或电路传播的电流、电压或功率的瞬态波。其特征最先快速上3升后缓慢下降。浪涌由开关切换、雷电放电、核爆炸引起。静电放电（ESD）——不同静电电位的物体靠近或直接接触时产生的电荷转移。串扰——通过与其他传输线路的电场（容性）或磁场（感性）耦合，在自身传输线路中引入的一种不希望有的信号扰动。串扰耦合——有以下两种定义：a）对于从一个信道传输到另一个信道的干扰功率的度量；b）存在于两个或多个不同信道之间、电路组件或元件之间的不希望有的信号耦合。抑制——通过滤波、接地、搭接、屏蔽和吸收，或这些技术的组合，以减小或消除不希望有的发射。射频——在电磁频谱中介于音频和红外线之间、用于无线电发射的频率。目前应用的射频范围大约是9KHz—3000GHz（3THz）。电磁敏感性（EMS）——设备、器件或系统因电干扰可能导致工作性能降级的特性。辐射发射（RE）——以电场形式，通过空间传播的有用或无用的电磁能量。传导发射（CE）——沿金属导体传播的电磁发射。此类导体可以是电源线、信号线及一个非专门设置、偶然的导体辐射敏感度（RS）——对造成设备、分系统、系统性能降级的辐射干扰场强的度量。传导敏感度（CS）——当引起设备呈现不希望有的响应式性能降级时，对电源线、信号或控制线上的干扰信号电流或电压的度量。第二节电磁兼容的相关标准介绍1.电磁兼容设计的目的1）设备内部的电路相互不产生干扰，达到预期功能；2）设备产生的电磁干扰强度低于特定的极限值；43）设备对外界的电磁干扰有一定的抵抗力。另外，EMC还有一个研究内容——防止信息泄漏，即：TEMPEST技术。TEMPEST是指电子信息设备通过电磁能量发射产生了信息的泄漏发射。2.电磁兼容标准概述2.1电磁兼容标准可以分为四级1）基础标准——涉及EMC术语、电磁环境、EMC测量设备规范和EMC测量方法，是编制其它各级EMC标准的基础。2）通用标准——给通用环境中的所有产品提出一系列最低的电磁兼容性要求，通用标准给出的试验环境、试验要求可以成为产品标准和专用产品标准的编制导则。3）产品类标准——根据特定产品类别而制订的电磁兼容性能的测试标准，它包含产品的电磁骚扰发射和产品的抗扰度要求两方面的内容。4）专用产品标准——通常不单独形成电磁兼容标准，而以专门条款包含在产品的通用技术条件中。专用产品标准对电磁兼容的要求与相应的产品类标准相一致，在考虑了产品的特殊性后，可增加试验项目和对电磁兼容性能要求作某些改变，对产品的电磁兼容性要求更加明确。2.2主要制订电磁兼容标准的组织和标准介绍随着科学技术的发展，世界上许多国家和许多组织都制定了电磁兼容的标准和规范，具有权威性和广泛影响的是CISPR、IEC、CENLEC、MIL、FCC、GB等标准，另外有些国家的保密局还制定了TEMPEST标准，它是研究信息泄漏的标准。1）国际电工委员会（IEC）：国际上的标准化组织，其下有三个组织与EMC有关。a、ACEC（电磁兼容咨询委员会）：承担电磁兼容国际标准化研究工作。b、CISPR（国际无线电干扰特别委员会）：为了促进国际贸易，CISPR于1934年确定了射频干扰的测量方法，1985年对信息技术设备制定了新的发射标准，许多欧洲国家将这个标准作为自己国家的标准。目前设有七个分会。c、TC77（第77技术委员会）：与CISPR并列的涉及电磁兼容的组织。52）FCC(联邦通信委员会)：主要制订美国民用标准。3）MIL-STD(美国军用标准)：主要制订美国军用标准。4）CENELEC（欧洲电工标准化委员会）：由欧共体委员会授权制订欧洲标准EN。EN标准引用了很多CISPR和IEC标准。5）GB（中国国家标准）：基本采用CISPR和IEC标准。6）GJB（中国军用标准）：基本采用美国军用标准。如GJB151A-97/GJB152A-97等同于美军标MIL-STD-461D/MIL-STD-462D。3.电磁兼容标准的内容3.1电磁兼容标准对设备的要求有两个方面1）一个是工作时不会对外界产生不良的电磁干扰影响，另一个是不能对外界的电磁干扰过度敏感，前一个方面的要求称为干扰发射要求，后一个方面的要求称为敏感度要求。2）能量传播的途径电磁能量从设备内传出或从外界传入设备的途径只有两个，一个是以电磁波的形式从空间传播，另一个是以电流的形式沿导线传播。因此，电磁干扰发射可以分为:传导发射和辐射发射，敏感度也可分为传导敏感度和辐射敏感度。各种电磁兼容标准测试的内容包括:传导发射、辐射发射、传导敏感度、辐射敏感度。电磁兼容的结构体系和相互之间的关系如下图1-2-1：6电磁兼容标准干扰发射敏感度传导辐射电源线信号/控制线天线端口电场磁场传导辐射电源线/信号线射频瞬态天线端口电场磁场静电放电图1-2-17第一章电磁兼容的设计第一节电磁兼容的三要素1．电磁兼容的三要素系统要发生电磁兼容性问题，必须存在三个因素。首先，要有产生电磁干扰的源头，要有即电磁干扰源；其次，有了源头，还有能够传播这个干扰源的相关路径，即耦合途径；最后，还要有对传播过来的干扰敏感的接受者，即敏感设备。所以，在解决电磁兼容问题时，要从这三个因素入手，对症下药，消除其中某一个因素，就能解决电磁兼容问题。干扰源传播路径敏感设备第二节板极电磁兼容的设计1．新能源汽车领部件开发流程在描述PCB板极EMC设计之前，先看一下一款新的汽车零部件开发大概需要需要的几个流程。结合实际经验，目前新能源汽车零部件的开发流程如下2-2-1：8系统需求定义原理图设计PCB绘制EMC测试板极调试系统调试结构设计①②③④⑤⑥图2-2-1由图2-2-1可见，在新能源汽车上，开发一款新的零部件大概需要6个流程，在6个流程中，EMC测试最后一道关卡，EMC测试的情况直接决定着产品的开发进度。在整个系统的开发过程中，由于可能存在对EMC认识的不足，从而忽略对EMC的相关设计，造成最后产品EMC测试通不过。从2-2-1可以看出，EMC设计在结构设计阶段就应该开始考虑，还有后面的PCB板设计是EMC设计需要考虑的第二道关卡。往往在测试的时候，发现实验不能通过，经过观察实验数据和现象，发现是由于PCB板绘制时出现了问题，而且通过对现有板子处理后发现还是不能通过，那么就只能重复③到④之间的程序，重新绘制PCB。假设PCB绘制到出图大概需要1周，那么这一周就可以看作是由于在PCB绘制时考虑不周到，缺乏EMC设计在PCB绘制阶段的认识。如果产品要急着上市或者是逼近交给客户的期限，由此可见会造成多么大的影响。2．EMC在PCBLAYOUT中应该注意的一般问题2．1接地电气设备从安全的角度考虑，接地是十分必要的。从电路工作的角度看，接地也是必要的。地的传统定义为：地线就是电路中的等电位参考点，它为系统中的所有电路提供一个电位基准。但是一般情况下事与愿违：上面关于地线的定义，更确切的说，是我们在设计电路时的假设或愿望。实际的地线上各点的电位是不相同的。这样，我们设计电路的假设（前提）就被破坏了，电路也就不能正常工作了。这就是地线造成的电磁干扰现象。新定义：如上所述，传统定义仅给出了地线应该具有的等电位状态，并没有反映真9实地线的情况。因此用这个定义无法分析实际的电磁兼容问题。新的定义将地线定义为信号流回源的低阻抗路径。这个定义突出了电流的流动。当电流流过有限阻抗时，必然会导致电压降低，因此这个定义反映了实际地线上的电位情况。2．2接地方式信号地通常分为单点接地，多点接地和混合接地等种类。单点接地：所有电路的地线接到公共地线的同一点，进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。多点接地：所有电路的地线接到公共地线的不同点，一般电路就近接地。混合接地：在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下有不同的阻抗的特性，使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。交流电源电缆中的地线一般仅可用作安全地，不能用作信号地，两个电源接地点之间的电压通常有数百mV，小信号电路在这种条件下根本无法工作。2.2.1单点接地单点接地有两种形式，一种是串联单点接地，另一种是并联单点接地。串联单点接地中，许多电路之间有公共阻抗，因此相互之间由公共阻抗耦合产生的干扰十分严重。10123123I1I2I3I1I2I3ABCABCR1R2R3串联单点接地并联单点接地公共阻抗耦合：当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，就发生了公共阻抗耦合。我们在放大器中，级与级之间的一种耦合方式是“阻容”耦合方式，这就是一种利用公共阻抗进行信号耦合的应用。在这里上一级的输出与下一级的输入共用一个阻抗，如下图。由于地线就是信号的回流线，因此当两个电路共用一段地线时，彼此也会相互影响。一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响，即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制，另一个电路的信号就耦合进了前一个电路。对于两个共用电源的电路也存在这个问题。解决的方法是对每个电路分别供电，或加解耦电路。放大器级间公共地线耦合问题：图中的放大器前后级之间由于共用了一段地线，结果，后级放大器的信号耦合进了前级的输入端，如果满足一定的相位关系，就形成了正反馈，造成放大器自激。解决方法：可以有两个方法，一个是改变电源的位置，使它靠近后级放大器（功率较大），这样，后级较大的地线电流就不会经过前11级的地线了。另一个方法是后级放大器单独通过一根地线连接到电源，这实际是改成了并联单点接地结构。如下图。~改进方法1改进方法2说明：有一个概念要清楚，这就是放大器（或类似电路）的电源电流（经过地线）是放大器输出功率的源泉，放大器的实质是用小信号来对直流电源调制，得到功率较大的信号。因此，共用直流电源的路径上的公共阻抗都会造成耦合干扰。串联单点接地的干扰：A点的电位是：VA=(I1+I2+I3)R1B点的电位是：VB=(I1+I2+I3)R1+(I2+I3)R2C点的电位是：VC=(I1+I2+I3)R1+(I2+I3)R2+I3R3从公式中可以看出，A、B、C各点的电位是受电路工作电流影响的，随各电路的地线电流而变化。尤其是C点的电位，十分不稳定。这种接地方式虽然有很大的问题，却是实际中最常见的，因为它十分简单。但在大功率和小功率电路混合的系统中，切忌使用，因为大功率电路中的地线电流会影响小功率电路的正常工作。另外，最敏感的电路要放在Ａ点，