EMI与EMS及EMC的基本概念.docx

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EMI与EMS及EMC的基本概念

基本概念答疑

问：

什么是EMI？

与EMS及EMC有何区别？

答：

在电气干扰领域有许多英文缩写。

这里所提EMI（ElectroMagneticInterference）直译是电磁干扰。

这是合成词，我们应该分别考虑“电磁”和“干扰”。

　　所谓“干扰”，指设备受到干扰后性能降低以及对设备产生干扰的干扰源这二层意思。

第一层意思如雷电使收音机产生杂音，摩托车在附近行驶后电视画面出现雪花，拿起电话后听到无线电声音等，这些可以简称其为与“BC I”“TV I”“Tel I”，这些缩写中都有相同的“I”（干扰）（BC：

广播）

　　那么EMI标准和EMI检测是EMI的哪部分呢？

理所当然是第二层含义，即干扰源，也包括受到干扰之前的电磁能量。

　　其次是“电磁”。

电荷如果静止，称为静电。

当不同的电位向一致移动时，便发生了静电放电，产生电流，电流周围产生磁场。

如果电流的方向和大小持续不断变化就产生了电磁波。

　　电以各种状态存在，我们把这些所有状态统称为电磁。

所以EMI标准和EMI检测是确定所处理的电的状态，决定如何检测，如何评价。

与EMS和EMC的区别在哪里？

　　EMS（ElectroMagneticSusceptibility）直译是“电磁敏感度”。

其意是指由于电磁能量造成性能下降的容易程度。

为通俗易懂，我们将电子设备比喻为人，将电磁能量比做感冒病毒，敏感度就是是否易患感冒。

如果不易患感冒，说明免疫力强，也就是英语单词Immunity，即抗电磁干扰性强。

　　EMC（ElectroMagneticCompatibility）直译是“电磁兼容性”。

意指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰，也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。

　　EMC这个术语有其非常广的含义。

如同盲人摸象，你摸到的与实际还有很大区别。

特别是与设计意图相反的电磁现象，都应看成是EMC问题。

　　电磁能量的检测、抗电磁干扰性试验、检测结果的统计处理、电磁能量辐射抑制技术、雷电和地磁等自然电磁现象、电场磁场对人体的影响、电场强度的国际标准、电磁能量的传输途径、相关标准及限制等均包含在EMC之内。

问：

最近出现很多带有干扰这个名词的东西，请问什么是干扰？

答：

最近“干扰”的概念使用越来越广泛，与必须存在的东西相对应，一切不希望有的东西都可称做“干扰”。

具体到“电磁干扰”，可以按照下面所列七类进行划分：

1.按照发生源划分

2.按照传播路径划分

3.按照辐射干扰的产生原因划分

4.按照不同设备的工作原理划分

5.按照发生的频率划分

6.按照频率范围划分

7.不同的交流电源

　　而且可以在每一类中进一步分类。

根据发生源可将干扰细分如图1～图4。

图1电磁干扰源类别

图2自然干扰源类别

图3人为干扰源类别

图4内部干扰源类别

　　从受干扰方面来看，外来噪声是外界干扰，内部噪声是机内噪声。

　　除此之外，噪声按传递途径分类如图5所示。

图5按照干扰传输路径分类

　　干扰传播的途径如图6所示。

有通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的“传导干扰”，也有通过空间直接传播的“空间干扰”。

　　这些噪声并不独立存在，在传播过程中又会出现新的复杂噪声。

图6干扰传播路径

　　造成数字电路工作不正常的干扰可分为：

①电源干扰，②反射，③振铃（LC共振）：

上冲、下冲，④状态翻转干扰，⑤串扰干扰（相互干扰、串音），⑥直流电压跌落。

　　造成开关电源质量下降的干扰分为：

①出现在输出入端子上的干扰（电流交流声，尖峰脉冲噪声，回流噪声）；②影响内部工作的干扰（开关干扰，振荡，再生噪声）。

　　按发生的频率分为：

突发干扰，脉冲干扰，周期性干扰，瞬时干扰，随机干扰，跳动干扰。

　　造成交流电源质量下降的干扰分为：

高次谐波干扰，保护继电器，开关的震颤干扰，雷电涌，尖峰脉冲干扰，喷射环电弧，瞬时浪涌。

　　将来可能会将下面这些项目归入到交流干扰内：

瞬时停电，瞬时下降，频率变化，电压变化，高次谐波失真。

　　另外还干扰按频率分为：

低频干扰，高频干扰。

　　如上所述，干扰可以分成很多类别，这些干扰既产生于电气电子设备，又干扰电气电子设备，造成设备的故障和停用，带来经济和人员伤害。

为了使各种设备能够互不干扰，正常工作，应运而生了EMC技术。

　　简而言之，EMC是“不发干扰，不受干扰”。

现在国内外都在研究开发EMC技术，并应用于电气电子设备的制造中。

问：

什么是共模干扰和差模干扰？

为什么有二种？

答：

从干扰源发出的干扰泄漏到外部的途径、或者是干扰侵入到受干扰的设备中的途径，有电压、电流通过电源线或信号线的传导传输和靠电磁波在空间辐射传输二种途径。

　　电压电流的变化通过导线传输时有二种形态，我们将此称做“共模”和“差模”。

设备的电源线、电话等的通信线、与其它设备或外围设备相互交换的通讯线路，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电力或信号。

但在这两根导线之外通常还有第三导体，这就是“地线”。

干扰电压和电流分为两种：

一种是两根导线分别做为往返线路传输；另一种是两根导线做去路，地线做返回路传输。

前者叫“差模”，后者叫“共模”。

　　如图1所示，电源、信号源及其负载通过两根导线连接。

流过一边导线的电流与另一边导线的电流幅度相同，方向相反。

但是干扰源并不一定连接在两根导线之间。

由于噪声源有各种形态，所以也有在两根导线与地线之间的电压。

其结果是流过两根导线的干扰电流幅度不同。

图1差模干扰

　　请看图2，在加在两线之间的干扰电压的驱动下，两根导线上有幅度相同但方向相反的电流（差模电流）。

但如果同时在两根导线与地线之间加上干扰电压，两根线就会流过幅度和方向都相同的电流，这些电流（共模）合在一起经地线流向相反方向。

我们来考察流过两根导线的电流。

一根导线上的差模干扰电流与共模干扰同向，因此相加；另一根导线上的差模噪声与共模噪声反向，因此相减。

因此，流经两根导线的电流具有不同的幅度。

　　我们再来考虑一下对地线的电压。

如图2，对于差模电压，一根导线上是（线间电压）/2，而另一根导线上是-（线间电压）/2，因而是平衡的。

但共模电压两根导线上相同。

所以当两种模式同时存在时，两根导线对地线的电压也不同。

图2对地电压/电流与差模、共模电压/电流之间的关系

　　因此，当两根导线对地线电压或电流不同时，可通过下列方法求出两种模式的成分：

ＶN=（Ｖ1-Ｖ2）/2Ｖc=（Ｖ1+Ｖ2）/2

ＩN=（Ｉ1-Ｉ2）/2Ｉc=（Ｉ1+Ｉ2）/2

　　通过被连接的电路，两根导线终端与地线之间存在着阻抗。

这两条线的阻抗一旦不平衡，在终端就会出现模式的相互转换。

即通过导线传递的一种模式在终端反射时，其中一部分会变换成另一种模式。

　　另外，通常两根导线之间的间隔较小，导线与地线导体之间距离较大。

所以若考虑从导线辐射的干扰，与差模电流产生的辐射相比，共模电流辐射的强度更大。

　　与此相反，可以说因外部电磁场干扰在导线上产生的干扰电压/电流，或附近的导线等产生的静电感应、电磁感应等的耦合是一样的。

问：

传导噪声与辐射噪声的区别是什么？

答：

当我们开空调时，室内的荧光灯会出现瞬间变暗的现象，这是因为大量电流流向空调，电压急速下降，利用同一电源的荧光灯受到影响。

还有使用吸尘器时收音机会出现啪啦啪啦的杂音。

原因是吸尘器的马达产生的微弱（低强度高频的）电压/电流变化通过电源线传递进入收音机，以杂音的形式放了出来。

　　这种由一个设备中产生的电压/电流通过电源线、信号线传导并影响其它设备时，将这个电压/电流的变化叫做“传导干扰”。

所以为对症下药，通常采用的方法是给发生源及被干扰设备的电源线等安装滤波器，阻止传导干扰的传输。

另外，当当信号线上出现噪声时，将信号线改为光纤，也可隔断传输途径。

　　当摩托车从附近道路通过时，电视会出现雪花状干扰。

这是因为摩托车点火装置的脉冲电流产生了电磁波，传到空间再传给附近的电视天线、电路上，产生了干扰电压/电流。

　　象这种通过空间传播，并对其它设备电路产生无用电压/电流，造成危害的干扰称为“辐射干扰”。

由于传播途径是空间，解决辐射干扰的方法除前面所讲的滤波之外，还要对设备进行屏蔽方能有效。

　　如上所述，干扰的根源是电压/电流产生不必要的变化，这种变化通过导线直接传递给其它设备，造成危害，这叫“传导干扰”。

另外，由于电压电流变化而产生的电磁波通过空间传播到其它设备中，在电路或导线上产生不必要的电压/电流，并造成危害的干扰叫“辐射干扰”。

但是，实际上并不能这样简单区分。

　　例如：

文字处理机或计算机等计算设备的干扰源，虽然是在设备内部电路上流动的数字信号的电压/电流，但这些干扰以传导干扰的方式通过电源线或信号线泄漏，直接传递给其他设备。

同时这些导线产生的电磁波以辐射干扰的形式危及附近的设备。

而且计算设备本身内部电路也产生电磁波，以辐射干扰的形式危及其他设备。

　　最后，就辐射干扰再做一些较详细的说明。

　　根据天线原理，如果导线的长度与波长相等，则容易产生电磁波。

例如：

数米长的电源线会产生VHF频带（30M-300MHz）的辐射干扰。

在比此频率低的频带内，因波长较长，当电源线中流过同样的电流时，不会辐射太强的电磁波。

所以在30MZz以下的低频带主要是传导干扰。

但是，伴随着传导干扰会在电源线周围产生干扰磁场，给AM广播等带来干扰。

　　另外，如前所述，由于在VHF宽带内电源线泄漏的干扰能转变成电磁波扩散到空间，因此辐射干扰成为比传导干扰更主要的问题。

在比此更高的频率上，比电源线尺寸更小的设备内部电路会产生辐射干扰，危害其它设备。

　　总而言之，当设备和导线的长度比波长短时，主要问题是传导干扰，当它们的尺寸比波长长时，主要问题是辐射干扰。

问：

为何要对电磁干扰发射加以规范？

实际中真会出现危害吗？

答：

无线电频谱是人类共有的有限资源。

为了有效利用这些资源、保护为开展必要的无线电业务（如：

广播，移动、固定、无绳电话，无线导航业务等）而使用的无线电频谱，必须限制无用的干扰波（如：

电子望远镜泄漏的基波及高次谐波，接收机本地振荡器的辐射，信息技术设备泄漏的高频信号，冰箱、洗衣机、食品绞汁机、烤面包器等工作时辐射的无线电频谱）的辐射。

而且为了今后进一步合理利用、开展无线电业务，必须确保频率频谱不被侵占。

　　首先，要决定应该保护的无线电业务电场强度水平及检测干扰的临界值，考虑干扰源和受扰设备位置关系（保护距离）等能够容许的干扰强度。

其次，应以所有容许的干扰强度为基准进行系统设计，使即使有干扰波侵入也不发生误动作。

　　因此，首先要保证无用的干扰波发射不要超过限制规定；其次必须预先掌握能够容许的干扰波强度。

　　当然，在系统设计阶段就要非常关注能使用的频率频谱。

使用广播接收机时事前就要考虑本地振荡频率，工业、科研及医用无线频谱设备事前都要确认能使用的频率频谱。

但对数字设备、马达应用设备及有开关触点的设备（烤面包机等使用恒温器的设备），由于其频率频谱带宽，有可能进入规定的频谱中。

所以主管电波管理的行政部门要制定限制对电磁发射的容许值。

　　但其中重要的是在计算容许值时，没有考虑自家同时使用有可能成为干扰源的设备和受扰设备的情况。

以不会给第三者带来干扰为前提确定的容许值。

　　为此，我们引进了一个概念——保护距离。

即应该知晓在某种条件下使用设备时，仍可能会产生干扰。

　　如前所述，在高度发达的信息社会，为了保护广义上的信息传输设备，为了有效利用所需的频率频谱，应该尽可能地限制无用的干扰波。

问：

辐射干扰及传导干扰的规定值是如何确定的？

答：

通过电源线传导的“传导干扰”和通过空间传播的“辐射干扰”会影响其它设备，当这些干扰较强时，便被TV、收音机接收，成为干扰波。

这里要研究的是多强的干扰可以不与理会。

如表1、2所列，在FCCPart15中规定了传导干扰限值和非功能辐射器辐射出的电磁波的限值。

　　顺便说一下，即使是符合FCC及VCCI的辐射干扰规定的设备，在其附近的地方放置收音机也能听到杂音。

例如：

将符合3m法规定的设备放在AM收音机附近，如30cm时，由于20log（3/0.3）=20[dB]，因此辐射干扰增加20dB，收音机受到干扰的机会增大。

　　举例来说：

A级设备在80MHz频率处，即使以80μV/m的辐射强度合格，当距离减小为30cm时，其辐射强度便成为800μV/m，是标准值100μV/m的8倍（高出18.1dB）。

作为干扰足以被收音机接收到。

　　再者，干扰电波具有一种特性，当从发生源很近的地方附近移开时，先以距离三次方的速率衰减，稍远些时，以距离的二次方速率衰减，最后随距离线性衰减。

相反，随着距离的减小，当靠近干扰源时，干扰强度就会急剧增加。

　　具有法律约束的“EMI标准”主要着眼点是抑制对分配的无线频率产生干扰的RFI干扰。

也就是说，要对广播电视、飞机导航、紧急无线等国家认可的“无线通讯”产生干扰的电波加以限制。

　　可以这样解释，受到干扰的“无线通讯”能够忍受的最大限值。

即使满足了工作需要，因使用条件不同，仍存在着引起干扰的危险性，因此可以理解是“限度值”。

　　将此与以将国际标准内容统一为目标的CISPR相比较略有不同。

CISPR是各国代表自由审议产生的。

各国EMI标准反映了各自国家的具体情况，最终要由各国自己制定（德国、美国以法律形式，日本的VCCI自行制定）。

CISPR公布的内容无法律约束力。

　　虽说如此，但最近各国仍在协商妥协，这种倾向今后还会继续下去。

表1FCC第15部分的传导极限值

频率（MHz）

极限值（mV）

0.45～　1.705

1000

1.705～30

3000

频率（MHz）

极限值（mV/m）

3mA级10mA级

30～88

100

90

88～216

150

150

216～960

200

210

960以上

500

300