第五章 电子产品的电磁兼容性设计

电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日电子产品（设备）结构设计与制造工艺电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计5.1电磁兼容性概述一、电子设备的电磁兼容性1、几个术语以及国内外EMC组织•电磁骚扰（Electromagneticdisturbance）与电磁干扰（Electromagneticinterference）－－电磁骚扰是指任何可能引起器件、设备或系统性能降低的电磁现象，电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介本身的变化；电磁干扰强调的是电磁骚扰现象所造成的后果。平时人们不予严格区分，通称为电磁干扰（EMI）。•抗扰度（Immunity）与电磁敏感度（Electromagneticsusceptibility）－－抗扰度是指存在电磁骚扰的情况下，器件、设备或系统性能不降低条件下的正常运行能力；敏感度衡量的是电磁设备或分系统对电磁环境所呈现的不希望有的响应程度。敏感阀值越小，抗扰度越差。一般多用电磁敏感度（EMS）。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计•电磁兼容性（Electromagneticcompatipility简称EMC）－－器件、设备或系统在所处的环境中良好运行，并且不对其所在环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力。简言之。EMC涵盖了EMI和EMS两方面。为实现系统内设备互不干扰、兼容运行，既要控制骚扰源的电磁发射，又要提高骚扰对象的抗扰度。•无线电干扰特别委员会简称CISPR－－一九三四年国际电工委员会就成立，专门研究无线电干扰问题，制定有关标准，旨在保护广播接收效果。经过多年的发展人们对电磁兼容的认识发生了深刻的变化，1989年欧洲共同体委员会颁发了89/336/EEC指令，明确规定，自1996年1月1日起，所有电子、电器产品须经过EMC性能的认证，否则将禁止其在欧共体市埸销售。此举在世界范围内引起较大反响，EMC已成为影响国际贸易的一项重要指标。随着技术的发展CISPR工作范围也由当初保护广播接收业务扩展到涉及保护无线电接收的所有业务。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计•国际电工委员会IEC有两个专们从事电磁兼容标准化工作的技术委员会：除了CISPR，另一个是成立于1981年的电磁兼容委员会TC77。TC77最初主要关心低压电网系统的EMC间题（9KHz以下频段），后来将其工作范围扩大到整个EMC所涉及的频率范围及产品。目前CISPR已制定有CISPR22（1997）《信息技术设备的无线电骚扰特性的测量方法及限值》等14个标准；TC77也已制定了25个IEC标准，其中IEC61000-4系列标准是目前国际上比较完整和系统的抗扰度基础标准。•我国的EMC测试及标准化工作始于六十年代，自从1986年成立了全国无线电干扰标准化委员会后，我国才开始有组织有系统地对应CISPR/IEC开展国内EMC标准化工作。目前我国已制定了六十多项EMC国家标准，其中基础标准为GB4365-1995电磁兼容术语；GB/T6113-1995无线电干扰和抗扰度测量设备规范。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计部分国内外电磁兼容标准编号对照表标准测试内容GBIEC/CISPREN等效关系工、科、医射频设备的电磁干扰GB4824CISPR11EN55011参考音视频电子产品的电磁干扰GB13837CISPR13EN55013等效家用电器、电动工具等电磁干扰GB4343CISPR14EN55014等效家用电器、电动工具等电磁抗扰度GB4343.2CISPR14-2EN55014-2等同电气照明设备的电磁干扰GBxxxx*CISPR15EN55015电气照明设备的电磁干扰抗扰度GBxxxx*IEC61547EN61547音视频电子产品的电磁抗扰度GB9383等CISPR20EN55020信息技术设备的电磁干扰GB9254CISPR22EN55022等同信息技术设备的电磁抗扰度GB/T17618CISPR24EN55024等同交流电源电流谐波、电压闪变GB17625.xIEC61000-3-xEN61000-3-x等同电磁抗扰性(基础标准)GB17626.xIEC61000-4-xEN61000-4-x等同电磁抗扰性(基础标准)GB13926.xIEC801-xEN61000-4-x等效电磁兼容性(电磁干扰通用标准)EN50081-x电磁兼容性(电磁抗扰度通用标准)EN50082-x电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计二、电磁干扰的三要素构成电磁干扰包括三个要素：电磁干扰源、干扰传播途径、敏感设备电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计1．电磁干扰源（1）电磁干扰源的分类•按存在区域分类：外部干扰源内部干扰源•按频率范围（带宽）分类•按产生的原因分类•按传输状态分类：空间传输、导线传输•按是否有人为因素分类：自然干扰、人为干扰（2）电磁干扰的传播•传导耦合方式传导耦合必须在骚扰源和敏感设之间有完整的电路连接。这个传输电路可包括导线、设备的导电部件、供电电源、公共阻抗、接地平面、电阻、电感、电容、和互感元件等。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计沿电源线的传导干扰公共电源内阻的耦合公共地线阻抗耦合电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计•辐射耦合方式辐射耦合是通过介质以辐射电磁波形式传播，骚扰能量按电磁波的规律向周围空间发射。干扰源的空间可划分为两个区域：–近场区（感应区）：主要有电容耦合和电感耦合两种形式。电容耦合途径电感耦合途径电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计–远场区：常见的辐射耦合有三种：①骚扰源天线发射的电磁波被敏感设备天线意外接收，称为天线对天线耦合；②空间电磁场经导线感应而耦合，称为场对线的耦合；③两根平行导线之间的高频信号感应，称为线对线感应耦合。三、电子设备电磁兼容性设计的基本要求电子设备的电磁兼容性设计包括：限制干扰源的电磁发射、控制电磁干扰的传播以及增强敏感设备的抗干扰能力。1、优化信号设计2、完善线路设计3、屏蔽4、接地与搭接5、滤波6、合理布局电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计5.2屏蔽与屏蔽效果用导电或导磁材料制成的用以抑制电场、磁场及电磁场干扰的盒、壳、板和栅、管等措施称为屏蔽。屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄露出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。根据其抑制功能不同，屏蔽可分为：•电屏蔽即静电场或交变电场的屏蔽，用于防止和抑制寄生的电容耦合，隔离静电或交变电场的干扰。•磁屏蔽即对恒磁场或交变磁扬的屏蔽，用于防止磁感应，抑制寄生电感耦合，隔离磁场的干扰。•电磁屏蔽即电磁场的屏蔽，用于防止和抑制高频交变电磁场(f≥150kHz)的干扰，即隔离电磁耦合和辐射电磁场的干扰。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计一、电场屏蔽1.电场屏蔽的原理在干扰源和敏感单元之间设置良好接地的金属屏障，就可抑制干扰源电场对敏感设备的影响。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计从场的观点看，电屏蔽的实质是干扰源发出的电力线被终止于屏蔽体，从而切断了干扰源与敏感单元之间电力线的交连；从电路的观点分析，屏蔽体起着减小干扰源和敏感单元之间分布电容的作用。2.电屏蔽的设计要点要减少电场所引起的干扰，可采取以下措施：•屏蔽体必须良好接地。•正确选择接地点。屏蔽体的接地点应靠近被屏蔽的低电平元件的入地点，避免低电平电路的地线流过较大的地电流。•合理设计屏蔽体的形状。用全封闭的盒体最好。•选择导电性能好的导体做屏蔽体。如铜、铝等，高频时，屏蔽体表面镀银。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计3．电场屏蔽的结构•单层盖结构。屏蔽体用单层盖的屏蔽盒，为减少盒盖与盒体间的接触电阻，在盒体上安装铍青铜簧片以增加盒盖与盒体间的接触面积。•双层屏蔽盖结构。采用双层屏蔽盖结构可以进一步提高屏蔽的效能。•屏蔽盒的共盖和分盖结构。在有隔板的屏蔽盒体内采用分开的屏蔽盖，以减少其间的寄生耦合电容。•印制导线屏蔽单面印制板，在信号线之间设置接地的印制导线以起屏蔽作用。双面印制板，除在信号线之间设置接地导线之外，其背面铜箔也接地。•变压器的电屏蔽。变压器的初级、次级绕组及铁芯之间存在着较大的分布电容，若在两个绕组间加一个电屏蔽层并接地，可以减少它们的寄生耦合。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计二、低频（恒定）磁场的屏蔽1．屏蔽原理对恒磁场或低频交变磁扬（100kHz）的屏蔽，其屏蔽的方法是选用高磁导率的铁磁材料（例如铁、硅钢片、坡莫合金等）进行磁分路。磁场有磁力线，磁力线所通过的路径称为磁路。磁路具有磁阻，如果磁路横截面是均匀的，且磁场也是均匀的。磁导率越大，磁阻就越小。由于铁磁性材料的磁导率比空气的磁导率大得多，所以铁磁性材料的磁阻很小。将铁磁性材料置于磁场中时，磁通将主要通过铁磁性材料，而通过空气的磁通将大为减小，从而起到磁场屏蔽作用。SlΦ图磁路与磁阻电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计2．低频磁屏蔽的设计要点要减少低频磁场所引起的干扰，可采取以下措施：•选择相对磁导率高的材料做屏蔽体。•被屏蔽元件和屏蔽盒之间选择合适的间隙。•选择足够的屏蔽盒壁厚t。增大壁厚t有利于减小磁阻，使得磁分路效果更加明显，但壁厚t的大小还应考虑成本、制造工艺、结构尺寸等因素。•注意屏蔽盒的安装方向，对于横截面为矩形的屏蔽盒，安装时应使其长边平行于磁力线方向3、低频磁场屏蔽的结构由于磁场屏蔽是通过选用高磁导率材料进行磁分路来实现的，因此，在磁场屏蔽的结构设计时，要围绕减少磁阻工作开展，具体可采取以下措施。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计•减小屏蔽盒（罩）接缝的磁阻接缝的连接工艺及结构对屏蔽效能的影响很大，应根据使用要求合理设计，常用的连接方式有熔焊、点焊、铆钉和螺钉连接。•屏蔽盒（罩）接缝位置应平行于磁场在屏蔽体壁内，当屏蔽体的接缝与磁通流经的方向垂直时，所呈现的磁阻就会增加，屏蔽效能就明显下降。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计•正确布置屏蔽盒（罩）上的通风孔和接线孔屏蔽盒（罩）上开通风孔、接线孔，应注意其尺寸大小和方向布局，要求是尽量少削弱导磁截面积和不增加导磁回路的长度，即尽量减少屏蔽体磁阻。•双层磁屏蔽要想得到高的屏蔽效果，往往采取选用高磁导率材料和增加材料厚度的办法，但是，选用高磁导率材料和增加材料厚度都是有限度的，此时，可以采用双层磁屏蔽结构。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计三、电磁场屏蔽电磁屏蔽是用屏蔽体阻止高频电磁场在空间传播的一种措施。1．屏蔽原理利用导电良好的屏蔽材料对干扰电磁波的反射作用和吸收作用。•反射作用：利用电磁感应现象在屏蔽体表面产生的涡流的反磁场，即其对原干扰磁场的排斥作用，来抑制或抵消屏蔽体外的电磁场。•吸收作用：由于高频电磁场在金属板中会产生感应涡流，金属又具有一定的电阻，因此屏蔽体中的感应涡流就会变为热能而出现能量耗损，从而使电磁场得到吸收衰减。电子产品（设备）结构设计与制造工艺2004年12月18日第五章电子产品的电磁兼容性结构设计2．电