(陶显芳)雷电及ESD防护与EMI和EMC设计

E
+ +
+U1
E
+U2
+
a) 电容串联
+U3
E
E
+
+U1
+
+U2
+
+U1
b) 电容并联
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2.1 孤立导体的电容
如果在一个导体周围没有其它带电体和导体，我们 就把这个导体称为孤立导体。 在带电孤立导体的周围空间会散发出电场，电场是 一种具有能量的物质。它在真空中以每秒30万公里 的速度向整个宇宙空间传播。 设孤立导体带的电荷量为Q，电位为U，则电荷量Q 与电位U的关系可以写为：Q=CU 式中比例系数C是一个与电荷量和电位无关的常 数，它与导体的几何形状和大小有关，所以人们把 这个比例系数C称为孤立导体的电容。电容的物理 意义是导体每升高单位电位所需要的电荷量。
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L0 M2 L2
2 1
M1
L1
电感线圈产生的电磁感应
e = dΦ/dt = NSdB/dt = Ldi/dt , e1 = M1di/dt , e2 = M2di/dt , Φ为磁通量，S为磁通面积，N为线圈匝数，B为磁感应密度， L0、L1、L为各线圈的电感量、M1、M2为互感。
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4. 传导干扰测量原理
电容与电容器完全是 两个概念，电容只有 一个带电体，而电容 器中有两个带电体。
+ +
+U1
E
+U2
+
16
+U3
形象地说，碰在一起 的两个带电的物体, 就好比空中两朵带电 的云被风吹到一起。
1.6 静电的产生 — 带电体分离
电场中带电物体被 一分为二，两个物 体分得的电荷大小 不一样，分得电荷 多的平均电位升高。 带电物体经过分分、 合合，最后，带电 物体的电位将变得 非常高，这就是雷 电产生的成因。 因此，产生雷电的 条件是风起云涌。 E E E E
带电导体在本质上就是一个充 了电的电容。把带电体当成一 个电容看待，就可以对电路进 行定性分析和定量计算。
一个孤立球导体的电容等于表面积除以半径，即：C =
Q = 4 πε 0 r （对于无限远处） U
地球的电容量为：7×10-4 (F)（对于无限远处），相对于电离层大约为1法拉。
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2.2 电容与电容器
1.4 静电的产生 — 极化带电体的组合 电场中的两个物 体碰在一起的时 候。其电荷也要 重新分布。
E
+U1 -U1
E
-U2
两个碰在一起的物 体，电荷被重新分 布之后，两端的电 位，在数值上都比 原来高，但其电位
+U2
+
+
-U1
梯度还是不变。
+
+U1
形象地说，碰在一 起的两个物体,就 好比空中被风吹到 一起的两朵云。 15
Q V
1 1 1 U1 U2 V = + = + = C C1 C2 Q − Q Q
即，两个孤立导体之间的电容为：C =
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3.电子线路中的电磁干扰
电磁干扰 EMI （Electromagnetic Interference），有两种：传导干扰和 辐射干扰。 传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号是通过导线或公共电源线进行传 输，互相产生干扰。进一步细分，传导干扰又分共模干扰和差模干扰。 辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号是通过天线耦合的方式进行传送， 把干扰信号传给另一个电路网络或电子设备。进一步细分，辐射干扰又分 电场辐射和磁场辐射。 目前，传导干扰相对于辐射干扰来说，比较容易解决，只要增加电源输入 电路中EMC滤波器的节数，并适当调整每节滤波器的参数，基本上都能满 足要求；但对于辐射干扰，就没有那么简单，有时需要对元器件的布局进 行多次调整和修改，这要涉及到PCB改板问题，并且试验和测试都比较麻 烦。主要原因是，开关电源的工作频率以及其它电路的工作频率都在不断 提高，因此，辐射干扰也越来越严重。 23
1.5 静电的产生 — 带电体的组合
电场中两个带负电 （或正电）的物体互 相碰在一起的时候。 其电荷也要进行重新 分布。 两个带电物体互相碰 在一起，相当于两个 电容进行串联充放电。 E
-
-U1
-U2
-U3
E
两个带正电（或负电） 的物体碰在一起，电 荷被进行重新分布之 后，带电端的电位， 在数值上都比原来 高，但其电位梯度还 是不变。
+ + + -
+U2 +U3
+ -
+U1 +U4
带电物体被一分为 二，两个物体分得 的电荷大小不一样。 一个多，一个少。 但其电位梯度还是 不变。
-U2
-U1
-
-U3
-U4
雷电的能量与带电 云层电容量的大小 有关，与电位高低 有关。
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1.7 静电的释放 — ESD 两个带异性电 荷的物体互相碰 在一起，就会产 生放电。 带电物体靠近 地面建筑物的时 候，也会产生放 电，这种现象就 是雷电，它会对 人类造成很大危 害。
3.3 电场干扰原理
当带电体的极性或 电场方向改变时， 被感应的导体中就 会产生位移电流。 所以位移电流也称 极化电流。 当导体的长度正好 等于四分之一波长 的整数倍时，就会 产生谐振，同时会 产生很强的电磁辐 射。
位移电流I等于电场强度E乘以迁移率m，即： I = E×m 由于感应导体中的电场强度每处都不一样，所以 导体中位移电流大小每处都不一样。 26
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2. 带电物体的电容
带电物体相当于一个充了电的电容。 两个带电物体互相接触，相当于两个电容互 相充放电。 两个容量和极性完全相同的电容串联，不但 电容量增加，而且电位也升高。即： C = C1+C2 ; U = U1+U2 两个容量和极性完全相同的电容并联，电容 量增加，但电位不升高，这是因为电场力没 有叠加的缘故。即： C = C1+C2 ; U = U1=U2 电容与电容器完全是两个不同的概念，电容 只有一个带电导体，而在电容器中有两个各 带异电荷的导体。 利用电容充、放电的原理，来对雷电、ESD 防护进行分析非常有效。
雷电及ESD防护与 EMI和EMC设计
世纪电源网2010(深圳)电源技术研讨会
陶显芳 2010.10.16
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内容概要
1.雷电与静电的产生 2.带电物体的电容 3.电子线路中的电磁干扰 4.传导干扰测量原理 5.EMI辐射测量原理 6.什么是EMC 7. ESD与雷电防护
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1.雷电与静电的产生——认识初步
1.2 实验证明空间电场的存在 E
-U1
E I
-U1
+U1
把极化带电物体的一端接地，在物体中就会产生位移电流，位移电流 的大小与物体的电容大小与电场强度有关，相当于对电容进行充放电。 把极化带电物体的一端接地，然后再把接地导线断开，物体就会带电。 再把带电物体放进验电器的法拉第罩中，验电器就会指示物体带电。 13
+
1.3 静电的产生 — 分离带电 在外力或强电场 被分离的带电物
-U2 -U1
力的作用下。极 化带电物体会产 生分离，带电物 体被一分为二， 一个带正电，另 一个带负电。
体在电场中同样 也要被极化，使
E E
一端的电位要比 另一端高，其电 位梯度不变。
+U2
+U1
+
+
形象地说，被分离 带电的两个物体就 好比空中被风吹散 的两朵云。 14
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3.2 电场感应与干扰
-
+
当某物体靠近另一带电物体时，就会被感应带电；一端带正电，而另一 端则带负电，所以感应带电也叫极化带电 。
U 2 − U1 V = 电场强度 E = d d
以，电场强度也成为电位梯度。 25
感应电压
V = E×d
U1、U2 分别为感应带电体的端电位，d为感应带电体的长度，所
带负电 带正电
无限远 研究带电物体的 电荷分布，是解 决电磁干扰的基 本方法。
U2
U2
V
U1
无限远 把电容器看成是 两个孤立导体的 电容靠在一起进 行分析，有时更 便利。
C2
C1
U1 V
电容器可以看成是两个孤立导体的组合，其中一个带正电，另一个带负电。两个孤立 导体之间的电容为：
C1 =
Q U1
−Q C2 = U2
3.1 电磁感应与EMI
电磁干扰 EMI（Electro-magnetic Interference）分电场干扰 EI（Electro Interference）和磁场干扰 MI（magnetic Interference）两种。 电场和磁场分别是两种性质不同，可携带能量的介质，它们的分 布，充满整个宇宙空间，并且两者之间的能量可以互相转换；当 某处电、磁场的位能产生变化时，整个宇宙空间中的电、磁场都 需要重新进行分布，并以每秒钟30万公里的速度进行传播，因 此，电、磁干扰无处不在。 产生电场干扰的基本原因，是带电物体的电荷在重新进行分布， 即，分布电容在不断进行充放电；产生磁场干扰的基本原因，是 流过导体中的电流大小和方向在不断改变，即，分布电感产生的 磁通大小和方向在不断变化。
1.1 极化带电与静电的产生
总体而言，世界上的所有 物质都是属于电中性的， 即其所带的正、负电荷代 数和等于0 。但物体处于 电场中时，电荷将要重新 进行分布，一端带正电， 另一端带负电，中间不带 电，这叫极化带电。极化 带电物体中的电位梯度等 于电场强度。
+U1
E
-U1
+
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形象地说，这里极化带电的 物体就好比空中的一朵云。
打雷时，带电体之 间的电位差高达数亿 伏，地表面的电位差