電磁兼容的基本理論

1、電磁兼容的基本理論EMC 要求電 路設 備系 統(tǒng) 都必須互不干擾，正常工作，達到電磁兼容。構成干擾三要素EUTEUT騷擾源傳輸途徑敏感設備空間輻射的電磁波導線傳導的電壓電流 必須同時具備三個基本要素才會發(fā)生電磁干擾。如果去除了其中之一，就不會發(fā)生電磁干擾。所以，工程師的任務就是要決定哪一個因素是最容易消除的。 一般地說，在設計印制電路板時，消除主要的射頻干擾源是最廉價有效的方法（稱為電磁抑制）。干擾源是產(chǎn)生初始波形的主動因素。印制電路板必須設計成使產(chǎn)生的電磁能量只限于需要的裝配部件處。 電子設備的電磁兼容水平 1 電磁發(fā)射（EMI）：設備傳播的電磁干擾有輻射干擾和傳導干擾。2 電磁敏感度或抗擾

2、度（EMS） ：受影響設備或敏感設備所遭受的傷害效應，包括電磁干擾EMI、靜電放電（ESD）和電力過電壓（EOS）等形式的傷害。此外,還要滿足特定用戶應用環(huán)境下的要求 常見的電磁干擾源及特性 自然界的電磁干擾源：雷電放電、太陽黑子爆發(fā)、日輝和地球磁暴等 人為的電磁干擾源：連續(xù)干擾源 設備有很寬的頻譜,向空間輻射間接干擾源 與機械運動工作時產(chǎn)生的，輻射或傳導干擾脈沖干擾源 電磁瞬態(tài)過程,有關，如車，船和飛機的殼體與空氣中的塵粒、煙塵、雪片等摩擦起電。接觸干擾源 金屬的接觸面具有復阻抗特性，振動、顛簸、撞擊時，接觸阻抗是可變的。外界強輻射場產(chǎn)生感應電流，由于接觸阻抗的作用會產(chǎn)二次輻射。輻射頻譜為原

3、輻射頻譜加接觸阻抗變化的調(diào)制,產(chǎn)生附加頻率分量。停止運動時這種干擾便消逝。 典型的人為干擾源及特性點火系統(tǒng)：脈寬1毫微秒到數(shù)百毫微秒，30300兆赫間的頻帶內(nèi)最強，電性干擾可達500微伏/米，6080米輸電線系統(tǒng)：0.1到150KHz的范圍，輻射干擾的脈沖寬度較大為14KHZ到1GHZ重復頻率較低。電暈放電產(chǎn)生高頻振蕩，正半周的電暈有較強的放電并伴隨著發(fā)光。電感性設備：電動機、電弧焊設備和變壓器等設備，不規(guī)則的脈沖流，頻譜約為10K到1G。開關器件和繼電器：伴隨著觸點開合著有氣體放電和電弧放電。電弧放電是觸點的金屬高溫汽化形成電流通路，沒有氣體也產(chǎn)生電弧放電。 電子設備內(nèi)部的干擾源TTL的開關

4、噪聲：開關電流，幾十到幾吉赫的高頻，產(chǎn)生的須狀噪聲約0.51.5伏，寬5-10納秒。TTL邏輯元件也極易受影響，2伏20納秒的噪聲就使TTL邏輯器件發(fā)生誤動作。動態(tài)RAM：DRAM利用電荷存儲數(shù)位信息，充放電電流的峰值為100MA，頻率可達，100MHz，電源線和接地線產(chǎn)生串擾和公共阻抗噪聲。電源和接地：電源投入的過渡過程，負載變化產(chǎn)生快速脈沖電流，經(jīng)電源和接地通路產(chǎn)生干擾。振蕩器體及變壓器：工作時會在周圍輻射高頻電磁波。靜電放電和I/O端的干擾：經(jīng)過信號線和連接器，外界的電磁干擾進入電子設備，內(nèi)部干擾源向外輻射。傳輸途徑一. 空間輻射 差模電流輻射和共模電流輻射遠場 電磁感應近場 電磁耦合二

5、. 導線傳導共阻抗耦合 共電源線 差模方式 共地線 差模方式地環(huán)路干擾 地電位差 共模方式 周圍強場 共模方式 共模和差模差模電流：線-線電流：大小相等方向相反 差模電壓：線-線間電壓共模電流：二線間方向相同 共模電壓：線-地間電壓有用信號都是差模的，騷擾可能是差模的，也可能是共模的。1、分別接地產(chǎn)生共模干擾2、附近的強電磁環(huán)境產(chǎn)生共模干擾P、Q兩點存在電位差（UCM），產(chǎn)生共模電流Icm1,Icm2，Icm1，Icm2方向相同，大小不一，在Z1上產(chǎn)生了差模信號。空間輻射電磁波電場天線 高電壓小電流磁場天線 低電壓大電流根據(jù)麥克斯韋方程，變化電場產(chǎn)生變化磁場，變化磁場產(chǎn)生變化電場。設備內(nèi)每個電

6、路都可能是天線，機殼和電纜都可能是天線的一部分。設備內(nèi)天線示意圖信號源傳輸線負載組成電流環(huán)路，包括信號環(huán)路、電源供電環(huán)路、輸入和輸出環(huán)路；當負載阻抗小、環(huán)路電流大、電壓低時相當于磁場天線；當負載阻抗大、環(huán)路電流小、電壓高時相當于電場天線。磁場天線電場天線 磁場天線在實際電路中的存在形式及減少其影響的處理方法磁場天線的差模電流輻射平行雙線環(huán)路在遠場時的電場強度減小差模電流輻射的措施盡量減小環(huán)路面積#鏡像層優(yōu)先選用地層，而不是電源層.#適當選擇布線層進行時鐘布線1 布線層（好）2 地層 3 布線層（最好）4 電源層5- 地層6 布線層（好） (a)某六層板的分層 1 布線層（好）2 地層3 電源層

7、4 布線層（一般） (b)四層板的分層圖4 多層印制板的分層 圖5四層板的時鐘線跨層布置#布線注意：時鐘線跨層時，必須加接地通孔A、B兩點打Via，A、B間在下布線層聯(lián)系，根據(jù)高頻信號的特性，可得到最小的環(huán)路的面積。 電場天線在實際電路中的存在形式及減少其影響的處理方法分布電容和分布電感任何二金屬間都存在分布電容和電感：+Q-QVE分布參數(shù)是固有的特性參數(shù)，只與二金屬的物理尺寸、相對位置有關；分布參數(shù)是造成EMC問題的主要原因；實際設備中，各種元器件、傳輸線、機箱間的分布參數(shù)很難計算和測量，因此EMC分析有一定難度。電場天線的共模電流輻射任何二點間有電位差就是共模源，如果二點有引線出去就是共模

8、天線。當頻率達到MHz級時nH的分布電感和pF級的分布電容都將對共模輻射產(chǎn)生重要影響 。設備的共模天線的一極往往是印刷板的地和機箱，另一極是連接電纜中的地線；由于線間電容之間的耦合，整條電纜上都污染上了共模電流。連接電纜上的共模電流輻射往往是造成設備輻射超標的主要原因，機箱無法屏蔽。差模電流輻射和共模電流輻射的比較示例扁平饋線中抽取相鄰的兩根導線，線長1米，導線對上分別加以共模和差模電流，在離導線對3米處按GB 9254規(guī)定測量騷擾場強。實驗表明如果該處場強要達到B類設備的限值（30230 MHz時為40 dBV/m）,則差模電流要求為20 mA，而共模電流只要8A，兩者相差2500倍。 產(chǎn)生

9、共模電流輻射的條件共模源-由差模源（有用信號源）驅(qū)動產(chǎn)生 基本驅(qū)動模式： *電流驅(qū)動模式 *電壓驅(qū)動模式共模天線-不對稱振子 天線 *設備的外部連接線 *設備內(nèi)部印刷板的地線、電源面、機 殼、散熱片、金屬支撐架等等 共模電流輻射的基本模式-電流驅(qū)動和電壓驅(qū)動1、電流驅(qū)動模式： 信號電流 環(huán)路電感 共模源 不對稱電場天線。2、電壓驅(qū)動模式： 信號電壓 架空金屬對地的電位差（共模源） 耦合電容C 不對稱電場天線。共模電流輻射的抑制方法使用鐵氧體磁環(huán)共模去耦電容共模電源濾波器 采用屏蔽電纜、屏敝連接器改進產(chǎn)品內(nèi)部結構的設計與布置抑制原理和注意事項鐵氧體磁環(huán)在高頻時呈電阻性，所以能消耗高頻共模電流。共

10、模電流在連接線上是有一定分布的，因此鐵氧體磁環(huán)應放在電流較高的位置上，一般放在連接線的引出處。鐵氧體磁環(huán)是否起作用取決于共模天線的阻抗。共模濾波 器圖15 電源濾波器的典型結構帶共模去耦器的插座采用屏蔽電纜和屏蔽連接器 如果要求傳輸信號的速率較高，邊緣較陡，則串接濾波器就可能把有用信號的高頻部分也濾掉，從而影響信號的正常傳輸。這時就只能采用屏蔽的方法 。屏蔽層應保持電連續(xù)性和一致性，要求電纜屏蔽層和連接器插頭的金屬外殼要有360度的完整搭接，不能出現(xiàn)“豬尾巴”現(xiàn)象 。近場電磁耦合的抑制方法減小環(huán)路面積，避免環(huán)套環(huán)。不相容的電路應遠離。不相容的信號線不要平行走線。更不能綁扎在一起。分布在不同層上

11、的信號線走向應相互垂直。 采用屏蔽的方法 屏蔽電纜：單端接地-電場屏蔽 雙端接地-磁場屏蔽 雙絞線： 磁場屏蔽 導線的共阻抗耦合共電源阻抗耦合 解決辦法： #去耦電容； #減少供電線路阻抗； #不相容電路各自供電； 地環(huán)路干擾產(chǎn)生原因：地電位差 ，周圍強場。共模騷擾電流在負載上產(chǎn)生的差模騷擾電 壓，才能起到干擾作用。 地環(huán)路干擾的抑制采用平衡電路隔離變壓器共模扼流圈光電耦合器光纖傳輸敏感設備受干擾的基本原理設備內(nèi)的天線是互易的，既可發(fā)射，也可接受。空間電磁波的接收： 磁場天線： 電場天線： 對應于EMS測量中的：RS，ESD等。導線傳導騷擾的接收：主要是以共模方式進入的騷擾。 對應于EMS測量中的：CS，EFT，浪涌等 敏感設備的抗干擾措施設備的抗干擾措施和抑制設備的電磁發(fā)射措施往往是互易的。正確的屏蔽、濾波、