電磁兼容基本原理

電磁兼容基本原理第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.1電磁兼容的基本概念2.1.1有關(guān)電磁兼容的定義美國電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)的定義：一個裝置能在其所處的電磁環(huán)境中滿意地工作同時又不向該環(huán)境及同一環(huán)境中的其他裝置排放超過允許范圍的電磁擾動。國家標準GB/T4365-1995《電磁術(shù)語》的定義：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

電磁兼容性(ElectromagneticCompatibility—EMC)

第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日國際電工技術(shù)委員會(IEC)的定義：電磁兼容是設(shè)備的一種能力。它在其電磁環(huán)境中能完成它的功能，而不至于在其環(huán)境中產(chǎn)生不允許的干擾。

電磁兼容(學(xué))：有關(guān)電磁兼容性研究和應(yīng)用的學(xué)科。學(xué)科的內(nèi)容十分廣泛，幾乎包括現(xiàn)代各個行業(yè)、部門

，涉及多學(xué)科理論，是一門綜合性的邊緣學(xué)科。

電磁騷擾(E1ectromagneticDisturbance)：可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩?、無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。

電磁干擾(E1ectromagneticInterference—EMI)：由電磁騷擾引起的設(shè)備、系統(tǒng)或傳播通道的性能下降。

第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日電磁騷擾和電磁干擾比較：兩個詞語過去經(jīng)?；煊?，但兩者之間有明顯的區(qū)別——前者是指電磁能量的發(fā)射過程，后者則強調(diào)電磁騷擾造成的結(jié)果。

性能降級(DegradationofPerformance)：裝置、設(shè)備或系統(tǒng)的工作性能與正常性能的非期望偏差。

抗擾性(ImmunityofDisturbance)：裝置、設(shè)備或系統(tǒng)面臨電磁騷擾而不降低運行性能的能力。

電磁敏感性(E1ectromagneticSusceptibility—EMS)：在存在電磁騷擾的情況下，裝置、設(shè)備或系統(tǒng)不能避免性能降低的能力。

電磁敏感性與抗擾性比較：同一性能的正反兩個不同說法，敏感性高意味著抗擾性能低。

第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日電磁兼容裕量(EMCMargin)：裝置、設(shè)備或系統(tǒng)的抗擾性限值與騷擾源的發(fā)射限值之間的差值。

有關(guān)發(fā)射電平、抗擾性電平、限額值和兼容性電平等之間的關(guān)系

第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.1.2電磁干擾三要素電磁兼容就是研究電磁干擾（E1ectromagneticInterference—EMI）問題。

電路受干擾的程度可用下式描述：電磁干擾三要素：式中，S為電路受干擾的程度；W為騷擾源的強度；C為騷擾源通過某種途徑到達被干擾處的耦合因素；I為被干擾電路的抗干擾性能。

第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日

2.2電磁騷擾源2.2.1電磁騷擾的一般分類從來源分：自然騷擾和人為騷擾。

從騷擾屬性分：功能性騷擾和非功能性騷擾。

從耦合方式分：傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾。從頻譜寬度分：寬帶騷擾和窄帶騷擾。從頻率范圍分： 甚低頻騷擾(30Hz以下)、

工頻與音頻騷擾(50Hz及其諧波)、 載頻騷擾(10kHz一300kHz)、 射頻及視頻騷擾(300kHz一300MHz)、 微波騷擾(300MHz一100GHz)。

第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.2.2自然騷擾源由于大自然現(xiàn)象所造成的各種騷擾源。包括：(1)雷電

(2)太陽噪聲

(3)物質(zhì)本身固有的噪聲。可分為3種：熱噪聲、散粒噪聲及接觸噪聲。2.2.3人為騷擾源常見的產(chǎn)生騷擾的設(shè)備有：

(1)無線電通信設(shè)備(2)工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療設(shè)備

(3)電力系統(tǒng)

(4)點火系統(tǒng)

第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日無論是自然的或人為的電磁騷擾源，按其構(gòu)成威脅的程度均可分為4類：雷電、強電磁脈沖、靜電放電和開關(guān)操作，其電壓、電流和時域特性見表2-1。(5)家用電器、電動工具及電氣照明

(6)信息技術(shù)設(shè)備(7)靜電放電

第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日表2.1電磁干擾電壓、電流和時域的特性注：a是直接造成的最壞瞬變狀態(tài)，b是間接的瞬變狀態(tài)。瞬變的來源電壓電流上升時間延續(xù)時間雷電ab500kV/m6kV/m200kA3kA<1.5μs<8μs20μs核爆炸產(chǎn)生a的電磁脈沖b100kV/m1kV/m10kA>10A10μs20μs150μs1μs靜電放電ab40kV1～5kV80A>10A1～5ns10ns<100ns>100ns開關(guān)動作ab<2500V<600V200A<500A<10μs<50μs>40μs>10μs

第十頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.2.4時域和頻域在時域中，信號表示為其量值隨時間變化的函數(shù)。它比較符合人們的觀察習(xí)慣，可用示波器顯示信號波形。在頻域中，信號表示為其幅值、相位隨頻率變化的函數(shù)。電磁兼容標準的限值是在頻域中規(guī)定的，可用頻譜分析儀測量信號頻譜。

時域信號和頻域信號可以相互轉(zhuǎn)換：時域→頻域：傅里葉變換頻域→時域：傅里葉反變換

第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日周期性的梯形波：頻率分量：

第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日信號頻譜：適當(dāng)延長梯形波的上升時間和下降時間，則該信號的高頻諧波分量可大為減小

第十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.3電磁騷擾的傳播將傳播方式按耦合機理分類：

第十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.3.1電流流通路徑什么是電流？電荷的移動形成電流（傳導(dǎo)電流IC）；電場的變化也形成電流（位移電流ID）。如何掌握電流流通路徑？①任何電流都要返回其源；②電流總是沿著最小阻抗路徑走。

第十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日哪是最小阻抗路徑？路徑21kHz時：10kHz時：路徑1

第十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日電流返回路徑走哪里？

第十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.3.2傳導(dǎo)耦合若兩個電路共用一段電路，其中一個電路中有騷擾電流流過時，在該段公共電路（阻抗）上產(chǎn)生的騷擾電壓就會影響到另一個電路，產(chǎn)生傳導(dǎo)耦合或公共阻抗耦合。電路1在電路2的負載ZL2上產(chǎn)生干擾電壓

第十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日公共地阻抗耦合

第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日公共電源阻抗耦合

第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日連接導(dǎo)線的模型

第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日半徑為a、長度為l的圓柱導(dǎo)體：直流電阻交流電阻無限大空間中，兩根半徑a、長l、間距d（l>>d）的平行圓柱導(dǎo)體構(gòu)成的連接回路：

回路電感導(dǎo)體間的電容d>>a時

第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日矩形回路的電感

第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日為減小傳導(dǎo)耦合的影響，應(yīng)采取如下措施：①盡量減少與騷擾源回路的公共部分；②采取濾波措施。

第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.3.3磁場耦合當(dāng)騷擾源為低電壓、大電流時，它對周圍電路的影響，主要表現(xiàn)為磁場耦合干擾。一般的磁場耦合是指騷擾源產(chǎn)生的騷擾磁場與被干擾回路存在磁通交鏈，從而在被干擾回路中感應(yīng)電動勢。回路固定不變，磁通密度按正弦規(guī)律變化時一個長5cm、寬3cm的矩形回路處于f=150kHz、H=2A/m的磁場中，且磁場垂直于回路平面，則回路中的感應(yīng)電壓為3.55mV

第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日被干擾電路中的負載上的干擾電壓

第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日磁場耦合不需要直接的電連接，當(dāng)騷擾信號的頻率高（電流隨時間變化快），被干擾電路回路面積大（互感大），被干擾電路的負載阻抗遠大于其源阻抗時，磁場耦合嚴重。為減小磁場耦合的影響，應(yīng)采取如下措施：①降低騷擾電流的頻率；②減小回路之間的互感；③減小被干擾回路的負載阻抗。為減小互感，可減小回路面積；增大回路間的距離；避免回路面平行布置；采取屏蔽措施。

第二十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.3.4電場耦合當(dāng)騷擾源為高電壓、小電流時，它對周圍導(dǎo)體、電路的影響，主要表現(xiàn)為電場耦合干擾。騷擾源通過電容耦合作用于被干擾電路

第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日在導(dǎo)線2上產(chǎn)生的干擾電壓為通常情況下則

第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日通過電容耦合產(chǎn)生的干擾電壓與騷擾源的頻率、騷擾電壓、騷擾電路與被干擾電路之間的耦合電容、被干擾電路的源阻抗和負載阻抗的并聯(lián)值成正比。為減小電場耦合的影響，應(yīng)：①減小騷擾電壓；②降低騷擾電壓的頻率；③減小被干擾回路中源阻抗和負載阻抗的并聯(lián)值；④減小電路之間的耦合電容；⑤采取屏蔽措施。

第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.3.5輻射耦合1.電磁輻射的概念當(dāng)遠離場源時，空間中的電磁場并不取決于同一時刻的場源特性，它類似于水中的波紋，即使當(dāng)前時刻的場源已經(jīng)消失，但前一時刻它釋放出的電磁能量仍然單獨存在于空間電磁場中，并以電磁波的形式按一定的速度在空間傳播，這種現(xiàn)象稱為電磁輻射。

第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.輻射場強電偶極子近場：遠場：

第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日磁偶極子近場：遠場：

第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日實際的輻射體：分解，疊加。

第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日電路產(chǎn)生的輻射

U為信號源，R為負載電阻，Δl和Δh分別為矩形回路的長和寬，且Δl<<λ、Δh<<λ。負載電阻很小時負載電阻很大時

第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日一對平行載流導(dǎo)線產(chǎn)生的輻射電場

第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日差模電流產(chǎn)生的最大電場共模電流產(chǎn)生的最大電場為減小共模電流輻射，應(yīng)減小電流值，縮短導(dǎo)線長度。為減小差模電流輻射，應(yīng)當(dāng)減小電流值，減少回路面積。

第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.波阻抗空間中某點的電場強度與磁場強度的比值稱為波阻抗，即在遠場區(qū)在空氣中在近場區(qū)對于電偶極子對于磁偶極子

第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日波阻抗隨場點到場源距離的變化

第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日要解決輻射耦合問題，就需要正確識別和處理好無意間形成的與輻射發(fā)射和輻射接收有關(guān)的發(fā)射天線和接收天線。4.輻射耦合方式輻射耦合是指電磁騷擾在空間中以電磁波的形式傳播，耦合至被干擾電路

第四十頁，共四十六頁，2022年，8月28日常見的典型的天線結(jié)構(gòu)雙極天線單極天線回路天線縫隙天線

第四十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日為減小輻射，應(yīng)當(dāng)避免形成有效的天線結(jié)構(gòu)，或?qū)⑻炀€的兩部分短接起來；對于回路天線，應(yīng)當(dāng)減小回路的面積，或使其部分回路的作用相互抵消；對于縫隙天線，應(yīng)當(dāng)減小縫隙的最大尺寸（一般要小于λ/20），或采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以減少低于其截止頻率的輻射?？臻g輻射電磁波對電路的干擾：有的是通過接收天線感應(yīng)進入接收電路，多數(shù)是通過線纜感應(yīng)，然后沿導(dǎo)線進入接收電路，還有的是通過電路回路感應(yīng)形成干擾。

第四十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日2.4保證電磁兼容性的方法在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的不同階段，可采取的技術(shù)手段及付出的代價是不同的。設(shè)計初期，EMC設(shè)計成本很少，