《电子产品电磁兼容和安规设计》第1章

《电子产品电磁兼容和安规设计》《电子产品电磁兼容和安规设计》《电子产品电磁兼容和安规设计》1.1电磁兼容与电磁干扰•电磁兼容源于英文ELECTROMAGNETICCOMPATIBILITY缩写为EMC。•国际电工委员会对电磁兼容的定义为：“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”。可见电磁兼容的概念包括两个部分，一是设备能够抵抗所接受到的干扰而正常工作；另一个是设备所发射的电磁干扰不能影响其它设备的正常工作。电磁兼容•EMC(electromagneticcompatibility)•电磁兼容－指的是一个产品和其它产品共存于特定的电磁环境中，而不会引起其它产品或者自身性能下降或损坏的能力。电磁干扰EMI(electromagneticinterference)电磁干扰：电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。•电磁骚扰：任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。常见的电磁干扰1、在开着的电脑前拨打手机，会发现显示器屏幕出现抖动。2、电视机处于待机状态（STANDBY），一阵雷电后电视机自动开机了。3、汽车点火系统的电磁干扰现象。4、在飞机起飞、降落的过程中使用手机、手提电脑等电子设备，会使飞机的导航设备失效。电磁干扰对人类社会的危害1电磁干扰是无线电的大敌在50年代，一部50W的短波电台通信距离可达1000km；到了80年代，一部250W的短波电台通信距离一般小于500km电磁干扰妨碍民航事件：大功率寻呼发射机干扰广州机场与飞行在航线上的飞机间的无线电通信联络指挥调度，危及飞行安全，不得不关闭一个繁忙扇面，使90多个航班不能正常运行，大批旅客滞留机场，给繁忙的春运造成损失。以上两例说明电磁干扰是无线电通信的大敌。电磁干扰对人类社会的危害2电磁干扰刺激功率竞赛，加剧电磁污染无线电通信需要一定的信号噪声比，电磁干扰大，信噪比就会下降，使无线电通信距离变短。为保证一定的通信距离，只好增大发射机功率，以保证接收机所需要的信噪比。问题：人类会不会陷入“发射机功率增大和数量增多→电磁干扰场强增大→信噪比下降→再次增大和增多发射机功率和数目”的恶性循环?这确实是一个值得注意的。电磁干扰危害的加剧，可能会刺激发射机功率和数目竞赛，复又导致更严重的电磁污染。电磁干扰对人类社会的危害3电磁干扰日益社会化飞机起降时地处飞机下面的武昌城区电视图像抖动，几万户居民长期遭受电磁干扰之苦；新建居民小区或花园楼房安装了电子防盗报警系统，该系统开关电源产生的电磁干扰使附近休闲在家的人无法收听收音机。使用大功率无绳电话、手机、家用游戏机等能发射电磁波的电子装置时，电视屏幕上会出现讨厌的明暗条纹、雪花、闪烁和抖动；病房内使用手机很容易引起电子心脏起搏器停搏、输液泵电子开关误动作，中断病人输液等，直接危及病人的安全；冬天使用电热毯的孕妇因受到电热毯的电磁辐射容易造成流产。电磁干扰日趋社会化，给人们的和平生活带来不安和危险。电磁干扰对人类社会的危害4电磁干扰对人的制约与限制电磁干扰对人的制约与限制是在人类重大活动中显露出来的。例如，我国某海滨疗养地新建了一个电视转播台，由于该台对附近飞机场有严重干扰，尚未正式启用，就被责令拆毁；沿海某地新建海岸电台因对国际安全遇险系统有严重电磁干扰，不得不重新改建他处。又如瑞典、美国曾出现过电磁干扰导致误关闭核电站事故。瑞典奥斯卡斯哈门的一座核电站，1998年曾因移动电话电磁辐射引起监视仪表混乱，误认为放射物质增多而自行停止运行。电磁干扰对军事行动的制约与限制早在60年代就已十分突出了。例如越战期间，美舰艇导弹处于战备状态或舰载飞机起飞着舰时，必须关闭某些搜索雷达和通信发射机，以避免电磁干扰危害导弹和飞机的安全。卫星通信安装到舰船上使用时往往必须关闭某些雷达，以避免雷达干扰卫星通信。1.1.3电磁兼容技术的发展及电磁兼容认证1.电磁兼容技术的发展电磁干扰是人们早就发现的电磁现象，它几乎跟电磁效应的现象同时被发现。1888年德国物理学家赫兹首创了天线，第一次把电磁波辐射到自由空间，同时又成功地接收到电磁波，用实验证实了电磁波的存在，从此开始了对电磁干扰问题的实验研究。1889年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使干扰问题的研究开始走向工程化和产业化。20世纪以来，由于电气电子技术的发展和应用，随着通信、广播等无线电事业的发展，人们逐渐认识到需要对各种电磁干扰进行控制，特别是工业发达国家格外重视控制干扰，他们成立了国家级以及国际间的组织，并发布了一些标准和规范性文件。20世纪40年代为了解决飞机通信系统受到电磁干扰造成飞行事故的问题，开始较为系统地进行电磁兼容(ElectromagneticCompatibility，EMC)技术的研究。60年代以来，现代电子技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高集成度和高可靠性方向发展，其应用范围越来越广，渗透到了整个社会的每一个角落。70年代，电磁兼容技术逐渐成为非常活跃的学科领域之一。较大规模的国际性电磁兼容学术会议，每年召开一次。美国最有影响的电子电气工程师协会IEEE的权威杂志，专门设有EMC分册。80年代，美国、德国、日本、前苏联和法国等经济发达国家在电磁兼容研究和应用方面达到了很高的水平。主要研究和应用的内容包括电磁兼容标准和规范、分析设计和预测、试验测量、开发屏蔽导电材料、培训教育和管理等。20世纪80年代以来，国内电磁兼容学术组织纷纷成立，学术活动频繁开展，1987年召开了第一届全国性电磁兼容性学术会议，1990年在北京成功地举办了第一次国际电磁兼容性学术会议，标志着我国电磁兼容学科的迅速发展并开始参与世界交流。20世纪90年代以来，随着我国国民经济和高科技产业的迅速发展，在航空、航天、通信和电子等部门，电磁兼容技术受到格外重视，并投入了较大的财力和人力建立了一批电磁兼容性试验测试中心，引进了许多先进的电磁干扰及敏感度自动测试系统和试验设备。我们探讨信息电子设备的电磁泄漏及防护问题时，面临以下一些新的课题需要研究解决。(1)由于集成电路集成度的不断增加(如今已进入亚微米量级)，芯片上的线条更窄，线条更多，层数增加且间距更小，因而相互串扰也增加。新材料的应用也给研究工作增加了难度。(2)纳米技术将成为新世纪的电子热点，从材料到元器件甚至到一个组件的运行机理、检测方法都会有根本性的变化，对这类元器件的EMC设计需要重新认识，要寻求新的测试手段。(3)防电磁泄漏和抗干扰的新材料研制一直是人们关注的热点之一。(4)现有的测量标准及规范都局限于电磁特性的幅度信息，不涉及相位、极化及其他信息成分，在一定程度上限制了信息电子系统的EMC/EMI的分析和检测。(5)EMC/EMI的测试使用天线或探头，在近区弱场测量中，国内已有的场强仪都存在探头扰动待测场的问题，很难定量消除引入的测量误差，需要开发新的光电探头。探头的小型化和微型化及智能化也需进一步开发。关于制订电磁兼容标准的组织和标准的介绍IEC（国际电工委员会）：有两个平行的组织制订EMC标准，CISPR和TC77。•CISPR（国际无线电干扰特别委员会）：1934年成立。目前有七个分会：A分会（无线电干扰测量方法与统计方法）、B分会（工、科、医射频设备的无线电干扰）、C分会（电力线、高压设备和电牵引系统的无线电干扰）、D分会（机动车和内燃机的无线电干扰）、E分会（无线接收设备干扰特性）、F分会（家电、电动工具、照明设备及类似电器的无线电干扰）、G分会（信息设备的无线电干扰）。•ITU-T（国际电信联盟电信标准委员会）•CCIR（国际无线电咨询委员会）•URSI（国际无线电科学联盟）•IEEEEMC-S（跨国电气电子工程学会电磁兼容专业学会）•IWCS（国际电线电缆学术讨论会）2.电磁兼容技术的认证开展电磁兼容认证的重要性1969年联合国人类发展大会上就将电磁波列为环境污染源之一，随着社会的发展，电磁污染必将越来越严重，从保护环境出发必须加以防治。实施电磁兼容认证可有效地抑制用电设备的电磁干扰，保护和净化电磁环境。产品的电磁兼容性能直接影响到产品性能指标的实现和提高。实施电磁兼容认证可提高产品的技术水平和竞争力，促进企业的技术进步。我国实施电磁兼容认证可适应国际发展趋势，有效保护国内市场。电磁兼容认证的技术要求电磁兼容认证执行标准，涵盖了电磁干扰和抗扰度两个方面的内容，产品根据认证执行标准，满足相应的限值要求。增强电磁兼容认证意识，提高产品竞争力企业应增强电磁兼容认证意识，适应政府当前目标实现的需要，通过认证提高产品的质量和竞争力，促进企业的技术进步，在新的竞争中处于有利的地位。认证&标准常见的认证•强制性产品认证：中国：CCC美国：FCC欧盟：CE•自愿性产品认证：自愿性UL或ETLCCC•CCC中国强制认证2003-08-01实施，取代CCEE、CCIB•家电产品认证标准GB4343-1995（测量方法和允许值）•家电产品认证标准GB4343.2-1999（抗扰度）CE&FCC•欧盟CE规定的标准测试要求最为严格，测试项目最多，包括电磁干扰、电磁抗扰度两部分，一般而言，能通过CE认证基本上能通过CCC认证。•美国FCC认证采用的标准与中国3C、欧盟CE不同，而且产品工作电压不同，通过FCC认证的产品，并不一定满足3C认证和CE认证中的电磁兼容要求。认证标识电磁兼容和认证的关系•电磁兼容是其中之一•产品试验•产品跟踪试验•工厂初次检查•工厂跟踪检查(每年一次）•特殊检查EMC相关的测量标准欧盟（EU）早在80年代就已作出决定，凡是投放到欧洲经济区（EEA—EuropeanEconomicArea）的产品必须要有CE标志。标准基本上可以分为两类：产品电磁骚扰特性测量标准和产品抗扰性试验标准。1.2电磁兼容的基本概念•电磁环境electromagneticenvironment：存在于给定场所的所有电磁现象的总合。•电磁噪声electromagneticnoise：一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能对有用信号叠加或组合。•干扰信号interferingsignal：损害有用信号接收的信号。•电磁骚扰electromagneticdisturbance：任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。•电磁干扰electromagneticinterference(EMI)：电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。•电磁发射electromagneticemission：从源向外发出电磁能的现象。•电磁辐射electromagneticradiation：包括a)能量以电磁波形式由源发射到空间的现象。b)能量以电磁波形式在空间传播EMC结构图EMC电磁相容EMI电磁干扰EMS电磁耐受（抗扰度）CE传导性干扰RE辐射性干扰CS传导抗扰度RS辐射抗扰度电磁兼容的工程方法1测试修改法2系统设计法可采取的措施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1.4电磁干扰三要素干扰源、耦合通道及被干扰对象必须有干扰源、被干扰对象及耦合通道的同时存在才能构成EMC问题。干扰源应该说在条件合适的前提下，任何消耗能量的仪器、设备都有可能成为干扰源。1、根据干扰的成因，可以将干扰源分为：自然电磁干扰源和人为电磁干扰源。电磁干扰源自然电磁干扰源人为电磁干扰源大气干扰、雷电干扰、宇宙干扰、热噪音功能性干扰源非功能性干扰源无线电广播、电视、无线通信、雷达导航输电线、电气化铁路、车辆点火系统、开关系统、工业、科学、医疗设备、家用电器、办公设备2、自然电磁干扰自然电磁干扰主要指的是宇宙干扰、大气干扰、热噪声和沉积静电干扰。•宇宙干扰是来自宇宙的背景噪声、太阳无线电噪声以及天体、星座发射的无线电噪声。太阳的的干扰频率从10MHz到几十GHz。宇宙干扰最为明显的频率范围为20MHz～500MHz，主要的干扰对象为航天飞行器以及通过卫星传播的通信信号和广播信号。•除宇宙干扰外，大气干扰