电磁兼容概述.docx
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电磁兼容概述
电磁兼容
一，电磁兼容总论
基本名词术语
1，电磁骚扰：
任何可能引起装置，设备，或系统性能降低；对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。
（可能是电磁噪声，无用信号或传播媒介自身的变化）
2，电磁干扰：
电磁骚扰引起的设备，传输通道或系统性能的下降。
3,电磁噪声：
一种明显不传递信息的时变电磁现象。
它可能与有用信号叠加或组合。
4，电磁兼容：
系统，分系统，设备及器件能不受干扰，并且不干扰其它设备叫做电磁兼容，它以电磁学为基础的一门综合性学科。
它与电磁干扰相对应。
现代科学技术向高频，高灵敏度，高集成度，高可靠性方向发展，电磁干扰问题越来越严重，解决电磁兼容性也越来越迫切。
我公司也急需要对以往的经验加以积累，形成设计规范和有效的测试方法，以加快开发周期，增加产品的可靠性。
二，电磁骚扰的传播
1，磁骚扰的传播
1-1传导耦合
通常的耦合通道公共电源，公共地回路，电力线。
当电路1的电流I1流经公共阻抗Z时就会在电路2中形成影响电路2的负载。
引起这种耦合的公共阻抗可以是任何电路元件，甚至也包括导线或结构件的阻抗。
1-2导线间感性容性耦合（感应骚扰）
两闭合回路，若距离很近，由于电路间存在的磁场感应或静电感应，也会产生耦合。
由电感耦合原理图，得
V2=MdI1/Dt
两回路之间除电感耦合之外，必然再两线之间存在分布电容，从而形成电容耦合。
由电容耦合至回路2的电压为：
V2=R2V1/（R2+Xc）
上述的计算只适用于短线（即线路长度远小于λ/6的情况），也就是对低频适用。
如对于高频，则需考虑其分布参数，用传输线理论。
2，辐射耦合
根据电磁场理论，当电偶极子（可以看成是小短线）或环形磁偶极子（可看成是电流环路）中流过高频电流时，在其周围会产生一交变电磁场。
D＜＜λ（D是源的尺寸）
当r＜＜λ/2π（近场条件）时，（r是从辐射源到观测点的距离）
磁偶极子辐射的主要以磁场为主，H∝IA/r3（r的三次方）
电偶极子辐射的主要以电场为主，E∝ID/r3
无论是高阻抗场还是低抗场，在近区起作用的主要是感应场。
当骚扰源是高电压小电流时，辐射场主要表现为电场；当骚扰源具有低电压和大电流性能时，其辐射场主要表现为磁场。
安装有电感器的设备产生的磁场应该用磁偶级子来代表。
设备机箱产生的电场可用电偶极子模型来计算。
当r=λ/2π，电场的两个分量与一个磁场分量相等。
（r是指距辐射源的距离。
）
当r＞＞λ/2π（远场条件）时，
磁偶极子辐射的磁场或电场强度正比于IA
E∝IA/rH∝IA/r
电偶极子辐射的磁场或电场强度正比于ID
E∝ID/rH∝ID/r
此外电磁骚扰还包括传输媒介自身的变化，这属于无源骚扰。
例如：
电离层的变化对短波的影响；空气中雨雾对微波的影响。
电磁波具有与光波相近似的性质，具有反射折射绕射等性质。
电磁波传播是有方向的，因此天线的摆放对接收性能有影响。
三，电磁兼容设计
基本术语
共模电流和差模电流
一对导线上如流过差模电流则两条线上的电流大小相等，方向相反。
一对导线上如流过共模电流则两条线上的电流方向相同。
骚扰电流在导线上传输时即可以是差模方式出现，也可以共模方式出现。
但共模电流只有变成差模电流后，才能对有用信号构成干扰。
差模电流流过电路中的导线环路时，将引起差模辐射，这种环路相当于小环天线，能向空间辐射磁场，或接受磁场。
因此，必须限制环路的大小和面积。
共模辐射是由于接地回路中存在电压降，某些部位具有高电位的共模电压，当外接电缆与这些部位连接时，就会产生共模电流，成为辐射电场的天线（可看为电偶极子）。
集肤效应：
在电导率大的磁性材料（一般为金属磁性材料）中外加电场时，因产生涡电流导致磁性材料进不去磁场的现象。
磁场强度为表面磁场强度的1/e（e=2.71828）处的深度叫趋肤深度，随着磁场的频率上升，趋肤深度变小。
磁饱和：
在磁性材料中，磁化达到某种程度以后，无论怎样加磁场，磁化强度也不再增加，这种现象叫做磁饱和现象
所谓电磁兼容设计就是
（1）在骚扰源处抑制骚扰源
（2）减小骚扰源和敏感电路之间的耦合（3）按最小敏感度要求设计敏感电路
具体一点说，就是根据电磁骚扰的传播特性，我们应滤除外界传导骚扰，屏蔽外接辐射骚扰。
减小电流环面积，电流，减小短导线的长度，增加相互间的距离（尤其是高辐射部分与敏感部分）；滤除内部不同部分间的传导骚扰，共阻抗骚扰。
减小线线的容性和感性耦合。
系统内电磁兼容设计（分层设计）
有源器件
布线
接地
屏蔽
滤波
电机
芯片
SMD
印制板
电缆
互连线
连接器
建筑
机箱
信号地
电源地
材料
厚度
显示窗
输入/输出
电源线
信号线
反射式
吸收试
铁氧体元件
1，有源器件的选择和印制电路板设计
1-1
选择高频器件时，频率越高，越容易产生辐射。
逻辑器件是一种骚扰发射较强的，最常见的宽带骚扰源，器件翻转时间越短，对应逻辑脉冲所占频谱越宽有如下关系
BW=1/πt（t为上升时间）
实际辐射频率范围可能达到BW的10倍以上。
ΔI噪声电流，当逻辑器件翻转时会引起电流的突变，由于存在公共电抗引起尖峰电压即噪声电压。
它会引起噪声的传导和辐射，还有可能造成电路的误操作。
常采用去耦技术来抑制它，防止它将能量从一个电路传到另一个电路。
表面安装技术它有效地降低了辐射，加大使用片式元器件的比例，采用先进的贴装技术，是当今发展趋势。
1-2在印制电路板级控制电磁发射和抗扰度
1-2-1
布线时先按强弱电，数字及模拟电路，高低速，电流大小等进行整体布局。
布好地线，将关键信号如高速时钟或敏感信号电路，靠近地回路布置。
在迹线设计时，在高速电路中，应该把印制线作为传输线处理。
当频率超过数千赫兹时，导线的阻抗主要由导线的电感决定，很易引起共阻抗耦合。
减小电感方法减小导线长度，增加导线的宽度，使回线尽量与信号线平行并靠近，两根电流方向相反的平行导线，能够有效的减小辐射。
当细导线相距1cm以上时互感可以忽略。
在高频时，回流信号并不一定走几何上最短的路径，而会走最靠近信号线的路径。
这是因为这种路径与信号线之间的环路面积最小，因此具有最小电感和最小阻抗，所以地线面能够保证回路电流总是取最佳路近。
因此在铺设地线面时，应大一些和完整一些，当地线面必须断开时，应在重要的信号（如时钟信号）迹线下面铺设一根连线。
在数字地和模拟地之间需要开槽时，可以在槽上架桥。
但还应避免将连接器直接安装在槽逢上，因为如果两侧存在较大的地电位差，就会通过外接电缆产生共模辐射。
数字地与模拟地不要有重叠部分，防止耦合，地线不干净时会降低对高频的滤波性能，因此在滤波部分要有一个干净地，才能达到所设计的滤波作用。
布线时，电源线和地线要尽量粗。
1-2-2
从电磁兼容的角度来看，使用较大的地平面主要是减小地线阻抗，屏蔽作用很小，特别是在有插件时。
高速的器件应安放在紧靠边缘连接器范围内，而低速的器件应安放在远离连接器的范围内。
这样对共阻抗耦合，辐射的减小都是有利的。
电源线和地线应相互接近，减少差模辐射。
迹线宽度不要突变，导线不要突然拐角。
如果过孔的阻抗可以忽略，可以在线路板的一面走横线，另一面走竖线。
一个地阻抗的地线网格可以降低对静电放电的敏感性。
2—W原则保持任何线条间距不小于2倍的印制线条宽度，可有效的防止两线间的电磁串扰。
20H原则：
在高频或高速时，元件面应比接地面缩近20H（H指板的厚度）宽度（一般取3mm），避免边缘效应引起的辐射。
时钟电路的电磁兼容设计，需要用传输线理论来分析它。
由相移而产生的时延到达一定数值时，就要进行阻抗匹配以免发生终端反射，使时钟信号抖动或发生过冲。
2，地线设计
接地的含义1）为电路或系统提供一个参考地等电位点或面，如果接真正的大地，则这个参考点和面就是大地电位。
2）为电流流回源提供一条低阻抗路径。
减小地阻抗耦合，分清各电流回路，选择恰当接地点减少公共地阻抗。
2-1悬浮地
设备的地线与参考地及其他导体相绝缘。
防直接耦合。
但易产生静电积累和静电放电。
2-2单点接地
不同的电路模块中，每个模块只允许引出一个地线，没有共阻抗耦合和低频地环路的问题，1MHz以下提倡使用。
可以接在一块然后接地，但高频时阻抗将升高易产生较大的共模电流。
2-3多点接地
设备内都以机壳为参考点，机壳又以地为参考点，进行多点连接，可避免单点接地在高频时的问题，10MHz以上提倡使用。
尤其是数字电路和高频大信号电路。
但要避免工频电产生的骚扰是十分困难的。
2-4混合接地
数字部分多点接地，电源部分单点接地等然后把电源地与信号地最后会总到公共参考地
2-5地线阻抗
在高频部分，要考虑地线的分布参数，随着频率的增加导线的阻抗也随之增加，当频率增加到一定频率时，会产生谐振，阻抗明显加强。
因此这个部分的地线应尽量短。
3，屏蔽设计
3-1
屏蔽技术是用来抑制电磁骚扰沿空间的传播，即切断辐射骚扰的传播途径，使电磁场通过反射和吸收被衰减。
近场电场屏蔽，采用高导电率金属屏蔽体和接地。
近场低频磁场屏蔽可采用高导磁率材料进行磁屏蔽或磁旁路，增加屏蔽体厚度或采用多层屏蔽可提高屏蔽效能，屏蔽体不需接地。
近场高频磁场屏蔽，磁场频率较高时，铁磁性材料磁导率会下降，易增加采用高导电率金属，增强吸收损耗，反射损耗。
不需接地，但如果屏蔽体接地良好，则同时还可以屏蔽近场高频电场。
当外加磁场强度过强时，屏蔽材料会发生磁饱和，一旦发生磁饱和导磁率迅速下降，材料的导磁率越高饱和磁场强度越低。
远场电磁屏蔽应采用高导电率金属并接地良好。
3-2
在不得不穿孔时，一般要求缝或孔径小于λ/10~λ/100。
当孔，缝尺寸等于半波长的整数倍时电磁泄漏最大（与光波的衍射相类似）。
有导线进出时，会降低屏蔽效能，此时应先将导线中可能存在的电磁骚扰滤除。
电缆的天线效应可以等效为电偶极子发射/接收天线，电缆屏蔽层上流过的骚扰电流能在电缆内导体上感应出骚扰电压。
同理，电缆内导体电流的变化也会在电缆外感应出辐射场。
在同一线束内的导线之间或电缆之间也存在着电磁耦合现象，即串扰。
长于1/4波长的电缆称为高频电缆，由于电缆中会出现电压和电流的驻波，还会使这种耦合增强。
4，滤波设计
滤波就是压缩频谱，把不同与有用信号的频谱成分用滤波器将其滤除。
当骚扰量小于一定量值骚扰就不会引起设备的误动作。
如果滤波器中含有损耗性器件如电阻铁氧体，骚扰能量将在滤波器中被吸收和损耗掉；如果不含有这些器件，即如果是纯电抗性的则能量被反射至源。
专门针对电磁骚扰的抑制滤波器应使滤波器的损耗在阻带内尽量大，以便消耗骚扰能量。
4-1
简单的电感电路在低阻抗电路中使用时效果很好，衰减超过40dB（即被衰减到1%），但在高阻抗电路中可能一点效果也没有。
单个电容器的电路在高阻抗电路中效果很好，但在低阻抗回路中效果很差。
在高频时需要考虑它的寄生电抗，以防失去应有作用。
滤波器使用中，输入输出导线要尽量远离，避免输入输出共地阻抗。
4-2信号滤波器
信号滤波器是用在各种信号线（包括直流）上的低通滤波器。
他的作用是滤除导线上各种不需要的高频骚扰成份。
在线路板上的导线类似于天线，在导线上使用信号滤波器是一个解决高频电磁骚扰辐射和接收很有效的方法。
导线串过屏蔽壳体时应使用馈通滤波器，不然屏蔽体的屏蔽效能会大幅度下降。
在内部数字电路和模拟电路之间，强信号电路和弱信号电路之间应对其互连线进行滤波。
在电磁兼容中，逻辑硬件和软件越来越多的被采用，采取多次采样，纠错编码等技术，减少误触发次数。
对于微处理系统，可采用看门狗技术来提高其抗扰性能力，对处理器进行周期性复位。
分析电磁兼容时要按最不利原则来考虑骚扰的叠加和出现的概率。
四，电磁骚扰的分类
1）
基本的电磁骚扰现象分类
低频传导现象
--------谐波，谐间波
--------信号电压
--------电压波动
--------电压暂降与短时中断
--------电压不平衡
--------电网频率变化
--------低频感应电压
--------交流网络中的直流
高频传导现象
--------感应连续波电压与电流
--------单向瞬态
--------振荡瞬态
高频辐射现象
--------磁场
--------电场
--------电磁场（连续波，瞬态）
低频辐射现象
--------磁场
--------电场
静电放电现象
五，电磁兼容试验
2-1电压暂降，短时中断及电压变化
电压暂降是供电系统中某点电压突然减小，并在随后的半个周波至几秒的短时间后恢复，属于突变（1μs~5μs）。
短时中断是供电电压消失一段时间（一般不超过1min），断时中断可以认为是100%幅值的电压暂降。
电压变化是供电电压逐渐变得高于或低于额定电压，有一定的变化速率，我们的产品对这种渐变比较敏感。
由电网电力设施的故障或负荷突变引起的。
在某些情况下会出现两次或多次连续的暂降或中断。
电压变化是由连接到电网的负荷（包括有功无功）连续变化引起的。
典型的实例有电动机启动，电容器的投切，电网容量较小很容易出现此类情况。
电压阶跃能够在电源电压的任意相位开始，停止。
0，45，90，135，180度通常认为是关键相角处。
0~20%额定电压，都可认为是完全中断。
最基本要求：
可以从任意相位开始，对电压进行上升和下降切换，试验后设备可以自行恢复，但要求数据不丢失，电源电压恢复后，设备能按正确的方式启动，工作。
（对我们的产品不要丢小数并能耐得住电压突变引起的电流冲击）
试验中的常用参数
电压暂降和短是中断至U%
持续时间（周期）
0
0.5*15102550
40
70
较短的持续时间，尤其是半个周期，需要进行试验。
设备能提供的重复率是10s~600s,间隔1s
短期供电电压变化的时间设定
电压试验等级U%
电压降低需时间，s
降低后电压维持时间，s
增加电压所需时间，s
40
2±20%
1±20%
2±20%
0
2±20%
1±20%
2±20%
电压变化的速率应该是常数，但在过零附近可以阶跃变化<10%U。
当阶跃在1%以下时则可认为是电压变化速率是常数。
2-2浪涌
2-2-1雷电
实测到的雷电流平均30KA，感应雷一般不会超过10KA。
雷电流的波头和波尾时间皆为随即变量。
波头大约在1~4μs，波长约在40μs。
各种标准波形为
波前时间：
T1=1.67T=1.2μs±30%波前时间：
T1=1.67T=1.2μs±30%
半峰值时间：
T2=50μs±20%半峰值时间：
T2=50μs±20%
开路电压波形1.2/50μs（国标）短路电流波形8/20μs（国标）
适合我们
波前时间：
T1=1.67T=10μs±30%
半峰值时间：
T2=700μs±20%
开路电压波形（10/700μsCCITT）适合与长距离通讯线路
雷击分直接雷击和间接雷击（也称感应雷），直接雷击指雷击于输电线路或电气设备，间接雷击指雷击于附近物体，从而在目标物体上产生感应电压，又称感应雷击。
雷电产生浪涌（冲击）电压的主要原理：
a）直接雷击于外部电路（户外），注入的大电流流过接地电阻或外部电路阻抗而产生电压
b）在建筑物内，外导体上产生感应电压和电流的间接雷击（即云层之间或云层中的雷击或击于附近物体的雷击，这种雷击产生电磁场）
c）附近直接对地放电的雷电入地电流耦合到设备组接地系统的公共接地路径
雷电产生的骚扰：
a）当雷击造成危险影响时（如绝缘损坏），引起接地故障，从而导致供电网三项不平衡，电压暂降和电压波动。
b）造成接地故障的瞬间，产生脉冲磁场。
c）产生过电压，使设备遭受高能量冲击骚扰
d）当避雷器动作时，电压电流的迅速变化，可能耦合到内部电路
e）当雷击建筑物和其它金属构架时（包括天线，接地体和接地网），产生脉冲磁场
与雷电直接相关的抗扰度试验有：
浪涌（或冲击）抗扰度试验，脉冲磁场抗扰度试验
雷电除产生上述传导骚扰外，还产生严重的辐射骚扰。
强大的雷闪产生静电场的变化，磁场的变化和电磁辐射，对设备和通讯会造成一定的干扰。
避雷针只能局部地防护直接雷击，对感应雷击则无能为力，对感应雷击则需采用电磁兼容防护措施。
2-2-2系统开关瞬态
开关瞬态与以下内容有关：
a）主电源系统切换骚扰，例如电容器组的切换
b）配电系统内在一起附近的轻微开关动作或者负荷变化
c）与开关装置有关的谐振电路，如晶闸管
d）各种系统故障，例如对设备组接地系统的短路和电弧故障
与开关操作相关的抗扰度试验有：
浪涌（或冲击）抗扰度试验，脉冲磁场抗扰度试验，阻尼振荡抗扰度试验。
2-2-3浪涌
短距离数据线10米以下不做试验，实验时数据线应在10~30米之间，通过耦合夹进行，做500伏线地耦合试验（注耦合夹长度1050mm）
耦合方式是差模耦合
要求设备能在较低的试验等级也应得到满足，在压敏电阻保护动作附近也应能得到满足。
对不同的极性不同的相位不同的组合均应能满足条件。
这个实验耗时比较长。
设备能提供的电压范围200V~4.4KV，步长10V。
重复率10s~600s,步长1s。
任意相角开始。
L-N,L-PE,N-PE,L+N-PE
试验中容易出现火化放电，易直接毁坏器件，甚至整个电路。
2-3电快速瞬变脉冲群
开关电源动作，切断感性负载，继电器触点弹跳等会产生此类的瞬变电磁骚扰。
耦合的方式是共模耦合。
经常会出现程序混乱，数据丢失，控制失灵。
快速瞬变脉冲群概略图
波前时间：
T1=5ns±30%
半峰值时间：
T2=50ns±30%
通讯的数据线通过容性耦合夹实现2KV（为电源端口试验电压的一半），5Hz。
受试设备与耦合夹的距离小于1米。
实际出现的脉冲群其单个脉冲的重复频率为10KHz~1MHz。
但由于受设备元器件水平限制，该标准原先只能规定2.5KHz和10KHz。
目前设备已能提供较高的重复率，此标准将来可定会被修改。
EFT信号以共模方式被施加到电源线或信号线上，它的电压基准是一块铺在设备下的铜板。
只有将设备与地连接才有可能起到一定的旁路作用。
在受试设备L线上加2KV得：
Uln=1.34KVUlpe=1.36KVUnpe=308V[已去除220V交流电波形幅值]。
如果受时设备没有良好的滤波性能，则会有一部分干扰进入后继电路，通过直接触发或静电耦合，会使数字电路工作异常（对寄生电容连续充电最后达到并超过抗扰度限值），另外它也会通过公共地线产生耦合。
扎线不合理，强电和弱点电缆绑在一起，将敏感电路和骚扰电路放的太近，将信号地和强电电源放在一起等都有可能是过不了脉冲群试验的原因。
抑制方法，1）使用专用滤波器或吸收器2）减小PCB地线公共阻抗值3）将骚扰源远离敏感电路4）在软件中加入抗扰度指令5）正确使用接地技术
试验的持续时间不小于1分钟，可以十分钟间隔地做三次。
设备提供的电压范围200V~4.4KV，步长10V。
频率1KHz~100KHz，步长0.5KHz。
重复率100ms~99.0s,步长0.1s。
脉冲数1~75。
2-4静电放电
物体通过摩擦或感应累积电量。
只要不同序列的材料之间有相对运动就会使物体带电（包括空气的流动，空气中的灰尘，沙粒等摩擦）。
放电会通过导体传播或激励一定频谱宽度的脉冲能量在空间传播（尤其对高频部分）。
与静电放电相关的干扰频率上限可以超过1GHz。
静电放电对元器件损伤具有累积效应。
波形
t=0.7~1ns
无论什么时候人员对附近物体发生静电放电时，设备都可能遭受电磁能量的侵害。
此外放电还可能在设备附近的金属物体之间。
充电过程：
直接摩擦充电，静电感应充电
接触放电200V~9KV（相应标准是8KV），步长1.1KV。
重复率100ms，200ms，1s，2s。
空气放电200V~16.5KV（相应标准是15KV），步长0.1KV。
（试验时相对湿度是个很重要的气候条件）
静电放电近场是磁场，磁场依赖于放电电流，跟电流的上升时间有关。
放电头的接近速度的变化引起放电电流上升时间能从1ns~20ns变化。
空气放电的再现性比较差。
通常需要对最敏感的极性，最敏感的地点实施放电。
放电间隔要根据系统响应时间，一般要大于1秒。
产品在整个试验过程中功能正常，性能指标符合技术要求，显示允许有轻微闪烁，但显示的数据不允许跳变至技术要求之外，即使马上回到技术要求范围之内也应按B类对待。
试验中易出现飞弧，放电形成的电磁干扰，影响正常工作，以致出现死机。
电磁兼容试验原则：
可根据骚扰源于设备的电路，电缆，线路，等电磁分离程度的优劣，以及安装质量，可采用高于或低于国家的相应的等级。
较高严酷等级的设备线路可以进入严酷等级较低的环境。
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