第六章 电磁兼容性设计

第六章电磁兼容性设计内容§6.1电磁兼容性设计的一般概念§6.2滤波技术其应用6.2.1滤波器的主要特征6.2.2滤波器设计原理6.2.3电源滤波器6.2.4数字信号线滤波器6.2.5专用滤波器§6.1电磁兼容性设计的一般概念◆电磁兼容性设计的五个级别：1.电路组件级设计；2.设备级设计；3.分系统级设计；4.系统级设计；5.系统间级设计。•一般来说，电磁兼容性设计的发展过程，是由“问题解决法”到“规范法”，再到“系统法”，设计逐步得到完善和提高，技术手段越来越先进，理论体系越来越成熟和严密，至今电磁兼容学科还在发展，系统法本身还在不断发展和进步。•电磁兼容设计的费效比综合平衡是设计的重要准则。图6-1为产品生产进程中解决干扰措施与成本的关系。电磁兼容性设计的一般概念（1）电磁敏感阀值系统、分系统或设备不能正常工作的干扰临界电平值。其值越低，说明系统、分系统、设备越容易受干扰。（2）敏感度门限值敏感设备受电磁干扰所呈现的不希望有响应的最小电平。敏感度门限越大，说明设备的抗干扰能力越强。（3）电磁干扰值设备或分系统在电磁环境中感受到的无用信号电平值。（4）电磁发射限值允许干扰源设备或分系统在工作时给周围环境带来的电磁发射电平值。目的是控制电磁干扰源、保护电磁环境、实现电磁环境与设备兼容工作。（5）安全裕度为实际接受的电磁干扰值(p)比设备或分系统敏感阀值(s)所低的程度。表示为：m（dB）=s-p（6）失效干扰电平指系统和设备不允许接受的电磁干扰电平。电磁兼容设计的基本参数§6.2滤波技术其应用滤波器作用：抑制传导干扰信号滤波器电源滤波器滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络称为滤波器。通常按功能把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰滤波器两大类。信号选择滤波器是有效去除不需要的信号分量，同时对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。电磁干扰滤波器是能有效抑制电磁干扰的滤波器。工作原理在一定的通频带内，滤波器的衰减很小，能量容易地通过。在此通频带之外则衰减很大，抑制了能量的传输。常用滤波器的分类EMI滤波器的特点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”。电磁干扰滤波器差模和共模概念共模干扰~共模电流示意图•设备在电缆上产生共模干扰电流，会造成电缆强烈的电磁辐射电磁干扰滤波器共模干扰来源ICM共模电流产生1VICM共模电流产生2VICM共模电流产生31.空间的电磁波（通信、雷达、雷电等）在电缆上感应出共模干扰。2.设备上的电缆与大地之间有电位差，这样电缆上会有共模电流。3.两台设备之间的地线电位导致共模电流。电磁干扰滤波器差模干扰~差模电流示意图•在电源线中，差模干扰是十分严重的问题•差模干扰对信号的影响比较严重•从受干扰角度看，差模干扰危害更大；•从干扰发射角度看，共模干扰危害性大电磁干扰滤波器干扰电流在信号线与信号地线之间（或电源线的火线和零线之间）流动。在信号电缆中，差模干扰电流是由外界电磁场在信号线和信号地线构成的回路中感应出的。由于电缆中的信号线与其地线靠得很近，因此形成的环路面积很小，所以外界电磁场感应的差模电流一般不会很大。在电源线中，差模干扰电流往往是由电网上其它电器的电源发射出的（特别是开关电源）和感性负载通断时产生的（其幅度往往很大）。差模干扰电流都会直接影响设备的工作。共模电流本身并不会对电路产生影响，只有当共模电流转变为差模电流（电压）时，才会对电路产生影响。这种情况发生在电路不平衡的情况下。另外，如果设备在其电缆上产生共模电流，则电缆会产生强烈的电磁辐射，造成设备不能满足电磁兼容标准中对辐射发射的限制要求，或对其它设备造成干扰。电磁干扰滤波器差模干扰来源（1）电缆中不同信号线之间的电容耦合和电感耦合所致；（2）开关电源的非线性会导致很强干扰;IDM差模电流产生电网中电感性开关的通断，会产生差模的脉冲干扰。电磁干扰滤波器6.2.1滤波器的主要特征滤波器主要技术指标插入损耗频率特性阻抗特性额定电流额定电压6.2.1滤波器的主要特征(1)插入损耗（IL）衡量滤波器性能的主要指标。定义：1220lg(dB)UILUU1——未接入滤波器，信号源在负载上建立的电压；U2——接入滤波器，信号源在负载上建立的电压。IL与信号源频率、源阻抗、负载阻抗等因素有关。6.2.1滤波器的主要特征插入损耗随频率的变化——频率特性通带：信号无衰减通过滤波器的频率范围阻带：受到很大衰减的频率范围频率特性参数：中心频率；截止频率；最低使用频率；最高使用频率。(2)频率特性6.2.1滤波器的主要特征按频率划分：低通、高通、带通、带阻四种类型。0f衰减阻带通带fc（截止频率）（a）低通滤波器0f衰减阻带通带fc（截止频率）（b）高通滤波器0f衰减阻带通带fc2（c）带通滤波器阻带fc10f衰减通带阻带fc2（d）带阻滤波器通带fc16.2.1滤波器的主要特征(3)输入输出阻抗：从信号源到滤波器输入的阻抗称为输入阻抗，滤波器输出到接收电路的阻抗称为输出阻抗。(4)额定电压：输入滤波器的最高允许电压值。若电压过高，会使内部电容器损坏。(5)额定电流:不降低滤波器插入损耗效能的最大使用电流，滤波器分类6.2.1滤波器的主要特征反射式吸收式按原理：有源无源（LC）按工作条件：信号选择滤波器EMI滤波器按用途：按频率6.2.1滤波器的主要特征反射式滤波器由电感、电容元件构成无源网络，按电路结构常见的形式有L形、Γ形、Π形、T形等，如图6-5所示。6.2.1滤波器的主要特征低通滤波器的频率特性如图6-6所示，图中为截至频率，小于的频带为通带，大于为阻带。cfcfcf6.2.1滤波器的主要特征高通滤波器的网络结构和低通滤波器的网络结构具有对称性，只是把相应位置上的电感元件换成电容元件，其参数计算式如下：dgdLCL1低通高通RUg~CRUg~等LRRUg~CRRRUg~LRdgdCLC16.2.2滤波器设计原理1.巴特沃思低通滤波器原型电路查表法实际应用中，频率、信号源内阻、负载电阻以及模型中元件值得换算方法如下:6.2.2滤波器设计原理2.低通滤波器设计实例设计一个低通滤波器：在66MHz衰减30dB7232LscRRMHzf1）由图6-8可知，应采用5级滤波器（n=5）2）查表6-2可得:)(618.1)(00.2)(618.042251HLLFCFCC6.2.2滤波器设计原理3)根据截止频率对元件参数进行转换：72,32LscRRMHzf最后设计完成的滤波器如下图:3.高通滤波器6.2.2滤波器设计原理设计方法：对偶变换(1)网络结构——将低通滤波器网络中所有电容器与电感器互换(2)将低通原型滤波器电路中各L值和C值取其倒数作为高通原型滤波器对应的C值和L值(3)将高通原型滤波器电路中各L、C和R值按低通滤波器相同的方式进行参数变换:2bacCCfZabRZR2bacZLLf6.2.2滤波器设计原理3.带通滤波器带通滤波器一般是采用串联或并联结构的RLC电路构成，下图表示带通滤波器的幅频特性曲线和原型电路；Ug~RRLp1Cp1Cp2Lp2Cs1Ls1Cs2Ls26.2.2滤波器设计原理3.带阻滤波器带阻滤波器的特性与带通滤波器的特性刚好相反，但带阻滤波器的基本电路结构和带通滤波器相似，也是利用LC谐振特性，由LC串联电路和LC并联电路构成。及其基本电路图和幅频曲线如下图所示；Ug~RRLp1Cs1Cp1Lp2Cs2Cp2Ls1Ls2Ug~RRLp1Cp1Cp2Lp2Cs1Ls1Cs2Ls2