第2章 電磁兼容基本原理

1、 第第2章章 電磁兼容基本原理電磁兼容基本原理2.1 電磁兼容的基本概念電磁兼容的基本概念2.2 電磁騷擾源電磁騷擾源2.3 電磁騷擾的傳播電磁騷擾的傳播2.4 保證電磁兼容性的方法保證電磁兼容性的方法 2.1 電磁兼容的基本概念電磁兼容的基本概念2.1.1 有關(guān)電磁兼容的定義有關(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(biāo)準(zhǔn)GB/T 4365-1995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(

2、Electromagnetic CompatibilityEMC) 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(E1ectromagnetic Disturbance)：可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩o生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。 電磁干擾(E1ectromagnetic InterferenceEMI)：由電磁騷擾引起的設(shè)備、系統(tǒng)或傳播通

3、道的性能下降 。 電磁騷擾和電磁干擾比較：兩個詞語過去經(jīng)?；煊茫珒烧咧g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(qiáng)調(diào)電磁騷擾造成的結(jié)果。 性能降級(Degradation of Performance)：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(Immunity of Disturbance)：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(E1ectromagnetic SusceptibilityEMS)：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

4、低。 電磁兼容裕量(EMC Margin)：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 2.1.2 電磁干擾三要素電磁干擾三要素 電磁兼容就是研究電磁干擾（E1ectromagnetic InterferenceEMI）問題。 電路受干擾的程度可用下式描述： /IWCS 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(qiáng)度；C為騷擾源通過某種途徑到達(dá)被干擾處的耦合因素；I為被干擾電路的抗干擾性能。 2.2 電磁騷擾源電磁騷擾源2.2.1 電磁騷擾的一般分類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

5、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)。 2.2.2 自然騷擾源自然騷擾源 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

6、業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療設(shè)備 (3) 電力系統(tǒng) (4) 點火系統(tǒng) 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(qiáng)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 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 a b500kV/m6kV/m200kA3kA1.5s10A10s20s150s1s靜電放電 a b40kV15kV80A10A15ns10ns100ns開關(guān)動作 a b2500V600V200A50

7、0A10s40s10s 2.2.4 時域和頻域時域和頻域 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(biāo)準(zhǔn)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-j -de )()(ttfAt-jde )(21)(Atft頻域時域：傅里葉反變換 周期性的梯形波：頻率分量：100)cos(2)(nnntncctxTtnTtnTnTnTAcrrn/)/sin(/)/sin( 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

8、波分量可大為減小 2.3 電磁騷擾的傳播電磁騷擾的傳播將傳播方式按耦合機(jī)理分類： 2.3.1 電流流通路徑電流流通路徑 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？任何電流都要返回其源；電流總是沿著最小阻抗路徑走。 哪是最小阻抗路徑？路徑21kHz時：10kHz時：路徑1 電流返回路徑走哪里？ 2.3.2 傳導(dǎo)耦合傳導(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(fù)載ZL2上產(chǎn)生干擾電壓)(2211212LS

9、LSLCSLZZZZZZUU 公共地阻抗耦合 公共電源阻抗耦合 連接導(dǎo)線的模型 半徑為a、長度為l的圓柱導(dǎo)體：直流電阻2alRDC交流電阻22falalRAC 無限大空間中，兩根半徑a、長l、間距d（ld）的平行圓柱導(dǎo)體構(gòu)成的連接回路： 回路電感 adlL2harccos0導(dǎo)體間的電容 adlC2harccos0adlLln0adlCln0da時 矩形回路的電感awwahhhwhwwwwhhhwhwhL22lnlnln2222222220 為減小傳導(dǎo)耦合的影響，應(yīng)采取如下措施：盡量減少與騷擾源回路的公共部分；采取濾波措施。 2.3.3 磁場耦合磁場耦合 當(dāng)騷擾源為低電壓、大電流時，它對周圍電路

10、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 SNtuSBdddcosjSBUN 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 被干擾電路中的負(fù)載上的干擾電壓)/(j22212LSLLZZZIMU 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(fù)載阻抗遠(yuǎn)大于其源阻抗時，磁場耦合嚴(yán)重。 為減小磁場耦合的影響，應(yīng)采取如下措施：降

11、低騷擾電流的頻率；減小回路之間的互感；減小被干擾回路的負(fù)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。 2.3.4 電場耦合電場耦合 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 在導(dǎo)線2上產(chǎn)生的干擾電壓為通常情況下 則 12222212222212)()(j1)(jUZZZZCCZZZZCULSLSGLSLSNSGLSGLUCZZCZU1111111j|j|)(12122222GLSLSCCZZZZ2222112jLSLSNZZZZUCU 通過電容耦合產(chǎn)生的干擾電壓與騷擾源的頻率

12、、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(fù)載阻抗的并聯(lián)值成正比。 為減小電場耦合的影響，應(yīng)：減小騷擾電壓；降低騷擾電壓的頻率；減小被干擾回路中源阻抗和負(fù)載阻抗的并聯(lián)值；減小電路之間的耦合電容；采取屏蔽措施。 2.3.5 輻射耦合輻射耦合1.電磁輻射的概念 當(dāng)遠(yuǎn)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。 2.輻射場強(qiáng)sin4jcos2sin423030rlIHrlIErlIEr電偶極子近場：遠(yuǎn)

13、場：rrerlIHerlIEjj02sin4jsin4j 磁偶極子近場：遠(yuǎn)場：sin4jcos2sin42033rSIErSIHrSIHrrrerSIEerSIHj03j2sin4jsin4j 實際的輻射體：分解，疊加。niinirirniiHHEEEE111niinirirniiEEHHHH111 電路產(chǎn)生的輻射 U為信號源，R為負(fù)載電阻，l和h分別為矩形回路的長和寬，且l、h。 負(fù)載電阻很小時LRUrhlEj4|03max負(fù)載電阻很大時rhlrZhlE44|2002max 一對平行載流導(dǎo)線產(chǎn)生的輻射電場DMCMDMCMIIIIII212/ )(2/ )(2121IIIIIICMDM 差模電

14、流產(chǎn)生的最大電場rdlfIEDMDM214max|10316. 1|共模電流產(chǎn)生的最大電場rl fIECMCM|10257. 1|6max 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。 3.波阻抗 空間中某點的電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的比值稱為波阻抗，即 HEZ 在遠(yuǎn)場區(qū)HEZ遠(yuǎn)在空氣中377000ZZ遠(yuǎn)在近場區(qū)對于電偶極子 0002j1ZrZrHEZ近對于磁偶極子 0002jZrZrHEZ近 波阻抗隨場點到場源距離的變化 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

15、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 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 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/20），或采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以減少低于其截止頻率的輻射。 空間輻射電磁波對電路的干擾：有的是通過接收天線感應(yīng)進(jìn)入接收電路，多數(shù)是通過線纜感應(yīng)，然后沿導(dǎo)線進(jìn)入接收電路，還有的是通過電路回路感應(yīng)形成干擾。 2.4 保證電磁兼容性的方法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，可采取的措施很多；越到后期，可采取的手段越少，付出的代價也越高。為此，應(yīng)當(dāng)在新產(chǎn)品設(shè)計階段就首先進(jìn)行電磁兼容設(shè)計。 在產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計時，要注意以下幾方面：跟據(jù)使用環(huán)境獲取對系統(tǒng)的電磁兼容性要求；在方案論證初期就提出產(chǎn)品的電磁兼容性指標(biāo)；把電磁兼容性設(shè)計融入產(chǎn)品的功能設(shè)計中，而不是采取事后的補(bǔ)救措施；通過試驗、測量確認(rèn)系統(tǒng)已達(dá)到電磁兼容性要求；對產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤調(diào)查，保證其壽命期內(nèi)的電磁兼容問題。 電磁兼