电磁兼容技术综述(沙斐)

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• 三引脚的高频电容器----大大增强去耦滤波性能; • 表面安装(SMT)元器件----用在元器件密度很高 的情况下,避免电路间的相互干扰; • 铁氧体磁珠、磁环----用作吸收式滤波器,其性能 优于电感器,并且可以做得很小,使用方便灵 活。 • 金属衬垫、导电橡胶、导电漆、透明屏蔽玻璃等---用于改善机箱屏蔽性能。
2)骚扰通过空间传播----近场耦合和远场辐射
近场耦合--敏感电路离骚扰源的距离Υ<λ/2л (λ为骚扰源最高频率的波长),骚扰源通过电 场和磁场(也可看成通过互电容、互电感)对敏 感电路产生干扰。一般设备内部各部分电路之间 的相互干扰常用近场耦合方式处理。 远场辐射--Υ>λ/2л,骚扰电磁波穿过敏感设备 外壳干扰其内部电路,或在敏感设备的外部连接 线上感应干扰电流,通过导线侵入设备内部。一 般设备或系统之间的干扰属于远场辐射干扰。
电磁兼容技术综述
沙斐
什么是电磁兼容?
电磁兼容(EMC--Electromagnetic Compatibility)是一门新兴的综合性学 科,主要研究电磁干扰和抗干扰的 问题。即怎样使在同一电磁环境下 工作的各种电子电气设备、器件或 系统,都能正常工作,互不干扰, 达到兼容状态。
EMC的研究内容
多层板:方式(c)微带结构 漏泄小 “电源总是走阻抗最小的途径”—镜像层 布线注意:1)时钟线不跨沟缝
时钟
IC
图3 时钟轨线跨越镜像层沟缝
2)镜像层优先选用地层,而不是电源层 3)适当选择布线层进行时钟布线
1——————— 布线层(好) 2——————— 地层 3——————— 布线层(最好) 4——————— 电源层 5————-——— 地层 6——————— 布线层(好) (a)某六层板的分层 1———————— 布线层(好) 2———————— 地层 3———————— 电源层 4———————— 布线层(一般)
五、EMC控制技术。
屏蔽、滤波、接地、隔离、平衡传输。
1、屏蔽技术----在机箱(柜)和某些元器件上喷涂 一层金属作为屏蔽层,用于切断骚扰通过空间传 播的途径。 • 实际机箱上总是存在各式各样的孔和缝隙,可能 造成电磁波的严重泄漏,因此在设计中应遵循下 面的经验公式:商用设备机箱孔缝直径d<λ/20; 军用设备d<λ/50,屏蔽效能可达20多dB。 • 为提高机箱的屏蔽效能,在接缝处可使用导电衬 垫,通风窗可使用波导管,显示窗可使用屏蔽玻 璃。
国内情况
我国已经制订了92个电磁兼容标准(至2002 年底)。 这些标准规定了各种类型的电气电子设备 在各个频段的电磁骚扰发射限值和抗扰度 限值,并规定了相应的试验方法、仪器设 备和试验场地。
几种电气电子产品的电磁兼容标准
• 国标GB9254-1998 《信息技术设备的无线电骚扰限值和 测量方法》; • 国标GB/T17618-1998 《信息技术设备抗扰度限值和测 量方法》; • 国标GB 4343-1995《家用和类似用途电动、电热器具, 电动工具以及类似电器无线电干扰特性测量方法和允许 值》; • 国标GB4343.2-1999《电磁兼容 家用电器、电动工具和 类似器具的要求 第2部分:抗扰度》; • 国标GB13837-1997《声音和电视广播接收机及有关设备 无线电干扰特性限值和测量方法》; • 国标GB/T9383-1999《声音和电视广播接收机及有关设备 抗扰度限值和测量方法》
(b)四层板的分层
骚扰的频谱分析
骚扰的频谱分析(续)
敏感设备
被干扰的设备,主要研究电磁骚扰怎样使设 备性能降低,以期找到提高设备抗干扰能 力的途径。
敏感设备的敏感度
• 模拟设备:信噪比 • 数字设备: 直流噪声容限 交流噪声容限 噪声能量容限
高速和宽带化----使电磁能量更容易发射,高频信 号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成 为具有天线特性的辐射干扰源。 高密集度和小型化----使设备内部各个器件、电 路、连接线、电缆之间的串扰和电磁耦合更加严 重。 高灵敏度和低能耗----意味着信号电平低,从而 对干扰更加敏感。 目前电子信息设备的发展趋向使EMC问题更加严 重,因此必须采用适当的骚扰控制技术才能使电 子信息设备达到电磁兼容性。
• 构成电磁兼容问题的三要素 电磁骚扰源、传输途径和敏感设备。 任何电子设备既可能是骚扰源,又可能是 敏感设备。 • EMC控制技术 屏蔽、滤波、接地、隔离、平衡传输。 • 电磁兼容测试和标准。 • 电磁兼容预测、分析和设计。
电磁兼容标准和规范
• • • • • 目前国际上有权威性的电磁兼容标准和从事 EMC准制订工作的专业委员会有: ·国际电工委员会:CISPR 标准和IEC标准 (TC77) ·欧共体:EN标准(CENELEC)和ETS标准(ETSI) ·德国:VDE标准 ·美国:FCC标准和军用标准MIL-STD ·日本:VCCI标准 这些标准正在逐步走向国际统一。
设计应遵循三个主要原则:
1)无论是信号环路或供电环路,电流的环 路面积越小越好,尤其不能出现环套环的重叠现 象。
大的电流环路面积的危害:
a.加大差模电流辐射 b.加大共模电流辐射
120π 2 2 E= IAf (v / m) 2 C r
µ s L = ln π r
c.加大与其他信号环路的磁场耦合
差模辐射电场强度
E为电场强度,V/m; A为环路面积,m2 ; I为电流,A; r为距离,m; λ 为波长,m; λ=300/[f(MHz)]
可见,辐射与电流、环路面积、频率的平方成正比。
产生共模电流辐射的条件
• 共模源--由差模源(有用信号源)驱动产生 基本驱动模式: *电流驱动模式 *电压驱动模式 • 共模天线--不对称振子 天线 *设备的外部连接线 *设备内部印刷板的地线、电源面、机 壳、散热片、金属支撑架等等
1、端口设计
• • • • 提高机箱的屏蔽效能, 在连接线端口设置滤波器, 采用平衡传输方式和隔离技术抑制地环路干扰。 雷电多发区和有强电设备的工业场所,应在连接 线端口设置防雷器和浪涌抑制器,· • 如果信号线传输的信号速率较高,串接滤波器可 能把有用的信号的高频部分也滤掉,这时就只能 采用屏蔽电缆和屏蔽连接器,并要求它们的屏蔽 层和机箱的屏蔽层保持360度的完整搭接,不能 出现“猪尾巴”现象。
电磁骚扰源
• 人为骚扰源和自然骚扰源 任何电子电气设备都可能是骚扰源。 雷电、静电放电是典型的自然骚扰源。 • 电磁噪声和无用信号 • 电磁骚扰源是客观存在的,只有在影 响了敏感设备的正常工作时才构成“干 扰”,也就是人们通俗所说的电磁干 扰。
无用信号
• 指一些功能性信号 例如广播、电视、雷达等,本身是有 用信号,但干扰了其它设备的正常工 作,所以对敏感设备而言是无用信 号。
2、滤波技术----用于切断沿导线传播的传导 骚扰。
反射式滤波器----LC低通滤波器安装在电源线、 信号线和控制线端口,滤除频率较高的共模骚扰 (线-地间骚扰)和差模骚扰(线-线间的骚 扰)。 滤波器的安装直接影响到滤波性能。滤波 器应该安装在机箱入口处,金属外壳和屏蔽机箱 紧密搭接,搭接面积越大越好,以保证良好的低 阻抗接地通道。同时滤波器的输入输出线要最大 限度地相互隔离,不能靠近和平行走线。
Ic Ic
减小环路面积法:信号线紧贴回流线
E
(a) 图2 减小环路面积的几种布置方式 (a)共面平行带状线
(b)
(b)不共面平行带状
线
图2 减小环路面积的几种布置方式 (c)微波带状线
单面板:方式(a),最小轨线距离W, 漏泄大 双面板:方式(a)(b)漏泄大。可以用(c) 但厚度(1.66mm)>>轨线宽度(0.2mm)
平衡方式改变为平衡传输方式并与隔离技术 结合,可进一步抑制地环路干扰。 • 具体作法可以是传输线中的两条线都不接 地,对地平衡,发送端和接收端都采用平 衡差分电路,这样两条线上的共模电流对 地是平衡的,因此在负载端不能转变成差 模电压而干扰设备的正常工作。
采用平衡电路
6、采用新材料、新器件、新工艺
铁氧体吸收型滤波器
B.共模扼流圈
3、接地技术----为了防止共地线干扰,每个 设备中可能有多种接地线 • 保护地线:以安全为目的,通常与金属机 架机壳相连接; • 工作地线:为设备中各个电路提供稳定的 零基准电位的,一般工作接地又根据供电 电压、数字和模拟电路等分别设置地线; • 屏蔽地线:为了抑制噪声,电缆、变压器 等的屏蔽层需接该地线,。 • 设备的地线布置一般采用树形结构,最后 三类地线都连接到设备的一个接地点上。
4、隔离技术—在传输线上插入隔离变 压器或光电耦合器,它们只能传输有用 的差模信号,不能传输共模信号,用于 切断地环路干扰 光电耦合器重量轻、体积小,响应速度 快,又可传输直流和低频信号,因此,已 广泛应用于数字信号的传输中。
切断地环路
隔离变压器
光电耦合器
5、平衡传输技术--设备之间的信号传输从不
骚扰的传输途径
通过空间辐射和通过导线传导 (1)骚扰通过导线传输---主要通过共阻抗耦合和地环路 耦合方式产生干扰。 • 共阻抗耦合--当设备或元器件公用电源线和地线时 (在印制电路板上是电源轨线和地线轨线),设备 或元器件之间就会通过公共阻抗产生相互干扰。
•地环路干扰--当两个设备相互间有信号连接, 同时又各自在不同地点接地,如果两个接地点 之间存在地电位差,就会产生地环路干扰。
电磁噪声
• 不带任何信息的电磁现象,主要在电压或电流发 生急剧变化(即dv/dt,di/dt很大)时产生。例如 雷电、静电放电; 电气设备中电感负载切断时产生的瞬变脉冲噪 声; 接通负载时的冲击电流及开关触点的抖动产生的 脉冲噪声; 信息技术设备的工作信号本身就是电磁骚扰源。
信息技术设备的工作信号是数字脉冲信号, 具有很宽的频带,从电磁兼容角度应该考虑的最 高频率为时钟频率的10倍或者为1/πtr, tr为脉冲 的上升沿时间,即脉冲的前沿越陡峭或脉冲的重 复频率越高,则脉冲包含的高频能量越大。设备 内的元器件、集成片、印制电路板的轨线、各印 制板之间的连接线等,只要有信号电流经过,都 可能向外发射电磁能量,而且频率越高就越容易 发射,从而对周围的其他设备或系统产生电磁干 扰。
六、EMC设计
• 问题补救法:费时费力,不能从根本上解 决问题; • EMC设计:在产品开发的最初阶段进行。 EMC设计应从两方面着手考虑: 产品与外界的连接界面,包括机箱;电 源线、控制线、信号线等连接线的端口; 产品内部结构的设计与布置,包括印制 电路板设计,各部件的电磁兼容设计,以 及相互连接线的布置等等。
p
A DM
共模源的电流驱动模式
分地引起的共模辐射
I DM U DM I DM
A B
ZL
I百度文库CM
外接电缆 模拟地 数字地
数字地
电流驱动模式实例
共模源的电压驱动模式
电压驱动模式实例
• 任何两个金属体之间只要存在 射频电位差就构成共模辐射系 统 • 当频率达到MHz级时nH的分布 电感和pF级的分布电容都将对 共模辐射产生重要影响
电源滤波 器
图15 电源滤波器的典型结构
滤波器的正确安装
图16 电源滤波器的正确安装
吸收式滤波器----铁氧体磁环在高频时呈现电阻 性,套在整个连接线上能消耗高频共模骚扰的能 量。由于共模骚扰电流在连接线上是有一定分布 的,因此铁氧体磁环应放在连接线的引出处电流 较高的位置上。 如有可能信号线最好直接采用带滤波器的连 接器,这种连接器的插座上每个引脚都带有由铁 氧体磁珠和穿心电容组成的滤波器,但这种插座 价格较贵。
屏蔽层保持电连续性和一致性
• 要求电缆屏蔽层和连接器插头的金属外壳 要有360度的完整搭接,不能出现“猪尾巴” 现象
图13 屏蔽电缆接头处的“猪尾巴效应”
2、产品内部结构的设计与布置
• •

印制电路板的设计最为重要 设计目的: 使板上各部分电路之间没有相互干扰;印制板 对外的传导发射和辐射发射尽可能降低,达到有关 标准要求;外部的传导干扰和辐射干扰对板上的电 路基本无影响。 设计的步骤: 选取印制板类型, 确定元器件在板上的位置, 依次布置地线、电源线、高速信号线,低速信号 线。
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