第二章-电磁干扰源和耦合途径及设计考虑

1电磁兼容ElectromagneticCompatibility（EMC）华中科技大学电子与信息系桂良启[e-mail]李青侠[e-mail]2第二章电磁干扰源和耦合途径以及电磁兼容设计的考虑3第二章电磁干扰源和耦合途径电磁干扰源电磁干扰的耦合途径传导耦合•传导耦合的基本原理•典型传导耦合的分析辐射耦合•电磁辐射基本理论•辐射耦合方式4干扰产生的三要素􀂄干扰源􀂄耦合途径􀂄敏感设备干扰源：天然、人为Source(Emitter)Transfer(CouplingPath)Receptor(Receiver)5干扰源6常见干扰源雷电NEMP(核电磁脉冲)脉冲电路ESD感性负载通断直流电机、变频调速器无线通信7天然干扰源雷电（30MHz以下）宇宙噪声（太阳辐射10MHz-30GHz银河系无线电辐射150MHz-200MHz）磁暴地震8人为干扰源通信广播：电视，广播，各种通信台站电力；发电机，变压器，电力线工业：各种电动机，电焊机，加热器，机床，控制器，计算机，搅拌机，继电器交通：电动机车，导航系统,汽车点火装置（10MHz-100MHz）医疗：电子医疗器械，X射线，办公：计算机，键盘，打印机，复印机，日光灯家电：微波炉，风扇，吸尘器，冰箱军事：核爆炸（核电磁脉冲NEMP强度达100kV/m），电子武器系统内干扰源：开关电源*，脉冲数字线路，散热片，振荡器及各种电子线路，对另一部分线路产生干扰9电磁干扰的耦合途径10电磁干扰的耦合途径传导耦合传导传输必须在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接，干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器，产生干扰。辐射耦合辐射传输是以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的有：天线对天线耦合、场对线的耦合、线对线的耦合等11不同学术观点对耦合途径的划分：电阻性直接耦合传导耦合公共地阻抗耦合公共电源内阻耦合电阻性耦合近场效应电感性耦合辐射耦合天线对天线耦合远场辐射场对线耦合电导性直接传导耦合电阻性电感性公共阻抗传导耦合公共地阻抗耦合共电源耦合转移阻抗耦合天线对天线辐射耦合场对电缆导线对导线电阻性耦合传导耦合电容性耦合电感性耦合导线对导线间的耦合辐射耦合天线对天线场对导线12传导耦合的基本原理按原理划分：电阻性耦合电感性耦合电容性耦合13电阻性耦合过电压利用共同的阻抗部件从干扰源通过电路连接耦合进入被干扰体（线路及设备）。上升特性非常陡直的电源诱发过电压，其数值主要取决于电感量和电流的变化速率，根据公式可得：UL=L·di/dt这一瞬态过电压可以通过均压等电位汇流排耦合进入相连的线路。14电感性耦合根据感应定律，进入一根导线的电感耦合通过另一根载流导线的磁场发生。直接电感耦合的电涌使得在受影响的导线中产生了有高变化率di/dt的浪涌电流。同时，相应的强磁场在此导线周围建立（变压器的初级绕组功能）。在其他导线中，例如在此磁场范围内的信号传输导线中，感应出一个电压或浪涌电压（变压器的次级绕组功能）。浪涌电压沿着该导线到达所连接的设备。15电容性耦合电容性耦合始终通过有高电位差的两个点之间的电场发生。在导体和设备的导电部件中，常会产生高电势，在接闪器和其他有较低电势的部件（例如建筑物中来自电源或信号传输的导线）之间会产生一个变化的电场。因这两者之间的电势总是趋于平衡，所以有电荷的转移。这将导致在受影响的导线和与之连接的设备中电压上升或浪涌电压的产生。16电磁辐射的基本理论电磁辐射：辐射传播是导体干扰源将能量以电磁波的形式向周围空间射出。一根导线流过高频电流，它的周围产生交变的电场和磁场，如图示。17导线通过高频电流：18电磁波概念以电磁波动方式传播的电磁场又称电磁波。从辐射源到周围空间的电磁波可分为两部分：•一部分是在波源附近传播的近区感应场；•在感应场以外空间的远区辐射场；远近场区分的分界点：19基本天线结构环天线偶极天线缝隙天线V20偶极天线的演变-------+++++++VV传输线单极天线辐射很小辐射同偶极辐射高于单极21常见的等效天线机箱接地线PCBVG主板电缆子板笔记本PCB电缆没接地散热片22电、磁偶极天线图2-1求电基本振子的场所采用的球坐标系统23（一）电偶极天线公式：24（二）磁偶极天线公式：图2-2求磁基本振子的场所采用的坐标系统25磁偶极天线公式：26（三）波阻抗、远近场概念与区分远近场的分界点工程中，实际的辐射干扰源大致分为两类：•类似于对称振子天线的非闭合载流导线辐射源•类似于变压器绕组的闭合载流导线辐射源。27辐射源的场分布由于电偶极子和磁偶极子是上述两类源的最基本形式，实际的辐射源在空间某点产生的场，均可由若干个基本源的场叠加而成。通过对电偶极子和磁偶极子所产生的场进行分析，就可得出实际辐射源的远近场及波阻抗和远、近场的场特性，从而为屏蔽分类提供良好的理论依据。28等效远近场划分远近场的划分是根据两类基本源的场随1/r（r为场点至源点的距离）的变化而确定的，为远、近场的分界点，两类源在远近场的场特征及传播特性均有所不同。2r29等效远近场划分表3给出了两种场源在远、近场的能量密度。从表中可以看出，两类源的近场有很大的区别，电偶极子的近场能量主要为电场分量，可忽略磁场分量；磁偶极子的近场能量主要为磁场分量，可忽略电场分量；两类源在远场时，电场、磁场分量均必须同时考虑。30屏蔽分类依据上述分析可以进行以下分类：31电磁场的性质一般常以为近场区，为远场区。因此场区的划分不是单纯决定于距波源的距离R，还决定于波长或频率。由电偶极子天线公式可以推导出近场区特性：电场分量和磁场分量在相位上相差90°，在数值上两者比值具有阻抗的量纲，称为波阻抗。r6r6fECZEHH32近场区特性对于电偶极子近场的波阻抗为：对于磁偶极子近场的波阻抗为：0011||2CCEZjrHZfr00||2CCEjrZHfrZ33近场区特性不同性质场区的波阻抗如图所示：34电磁场性质电偶极子近区的波阻抗大于磁偶极子近区的波阻抗，因为前者以电场为主，故称为容性耦合高阻抗场；而后者以磁场为主，又称感性耦合低阻抗场。35远场区特性远场区中电磁场只有两个互相垂直的场强分量，在传播方向上没有场强分量，因此称为平面电磁波。电场分量和磁场分量在空间上相互垂直，在时间上同相位。在幅值上相比等于常数377。在远场区中，电场与磁场的强度分布与距场源的距离r成反比的减小。可见在辐射场中，场强变化不像感应场中对距离r那么敏感。EHEH36辐射耦合方式任何干扰必须是电磁能量进入接收电路才能产生危害，电磁波进入接收电路的问题，就是辐射的耦合问题。耦合途径：•天线耦合•导线感应耦合•闭合回路耦合37天线耦合天线耦合就是经过天线将电磁波接收。他实质上就是电磁波在导体中的感应效应。38场对导线的感应耦合设备电缆线最容易受到干扰源辐射场的耦合而感应出干扰电压（或电流），沿导线进入设备形成辐射干扰。又分为开路或闭合回路耦合。39电磁兼容设计的考虑40电磁兼容性设计的一般概念电磁兼容是靠周密有效的设计实现的，不是通过实验测试实现的。设计级别：☆电路组件级设计☆设备级设计☆分系统级设计☆系统级设计☆系统间级设计41设计方法概述早期的设计采用“问题解决法”，它是一种“出现什么问题，解决什么问题”的经验方法。随着标准和规范的完善和发展，出现了比较合理的“规范法”，它以设备和系统遵循的标准所规定的极限值为计算基础，为设计提供了预见性和综合性。与功能型设计同步并行展开的“系统法”。42设计准则费效比综合平衡原则电路结构封装屏蔽滤波软件成本措施概念设计产品市场阶段43系统级设计原则要以全寿命周期考虑为基础以系统可能遇到的最恶劣的电磁环境电平作为系统设计的基点立足于全寿命周期获得电磁兼容状态来选用设备，确定布局和技术控制状态，选择材料，结构和工艺44电磁兼容性设计的基本参数电磁敏感阈值：系统，分系统或设备不能正常工作的干扰临界电平。敏感度门限值：是指敏感设备受电磁干扰所呈现的不希望有响应的最小电平。电磁干扰值：设备或系统在电磁环境中收到的无用信号电平值。电磁发射极限：它是允许干扰源设备或分系统在工作时给周围环境带来的电磁发射电平值。45电磁兼容性设计的考虑元器件选择电路选择滤波技术应用接地和搭接设计屏蔽技术应用电路布局和设备布局规划导线的分类和敷设