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第七章电磁兼容设计（简介）7－1概述在电子、电气设备的设计中必须进行电磁兼容设计，电磁兼容设计包括：元器件的选择，电路的设计和布线，设备结构的设计，屏蔽、滤波、接地和搭接技术的应用等。1、EMC设计的目的①、设备内部的电路、器件不互相干扰。②、设备产生的电磁干扰强度低于规定的限值。③、设备具有一定的抗干扰能力。2、设计的主要参数，对于系统、各设备、各器件：①、抗扰度允许值（电磁敏感度阈值）3－1－2②、电磁兼容安全系数3－1－33、EMC设计的内容⑴、电气设计①、各元器件的干扰控制和抗干扰措施屏蔽技术、滤波技术、接地技术的应用②、元器件的布局、导线的敷设等⑵、结构设计：机箱的屏蔽，包括通风口、缝隙、表头、显示器、指示灯等处的处理。7－2一些元器件产生的干扰及控制一、电感器，各种线圈（磁芯、空气芯）电感器是抑制干扰的元件（滤波电路中……），也是产生干扰的元件，磁场干扰……，磁芯电感可分为开环型和闭环形，图7－1。常见的电感器如图7－2所示。（电感量的估算P233～）(a)单层密绕圆柱形线圈(b)多层线圈(c)蜂窝式线圈(d)分段多层线圈(e)环形线圈控制干扰的措施：①、采用闭环型电感器②、屏蔽，对于低频，要选用高磁导率材料。二、变压器1、漏磁干扰例：一电源变压器（图7－3a）的漏磁干扰。图７－3b,沿线包轴线方向（z方向）漏磁最大,沿铁芯方向(y方向)漏磁最小。控制措施①、加装漏磁短路环，在线包外面包一层铜皮，图7－4,漏磁通穿过短路环时，在短路环中产生感应涡流，涡流产生的反向磁通可以抵消部分漏磁，屏蔽效果如图7－5……，加装短路环后，x方向漏磁最小。②、对变压器侧面屏蔽，用铁皮，与铁芯绝缘，图7－6，屏蔽效果，图7－7。③、对变压器本身的设计制造也可采取措施，例如选用高磁导滤材料作铁芯，采用C型铁芯（一般是E型铁芯）等。2、电容耦合干扰：变压器的初次级之间的分布电容，可以使供电电网中感应的高频干扰信号从初级耦合到次级，从而进入设备。控制措施：在变压器的初、次级之间增加一层静电屏蔽，如图7－8，可以用铜箔，也可以绕一层线圈，一端接地，另一端绝缘。三、开关和继电器1、开关产生的干扰开关闭合和断开时，会产生很大的dI/dt或dV/dt，即电流或电压的突变，产生宽带的高频干扰。开关负载的功率越大，干扰也越大。对于电感性电路，电流突然切断会产生很高的瞬态感应电压，引起电弧放电，产生电磁干扰。2、继电器产生的干扰继电器中有线圈和铁芯，电感比较大，电流突然切断产生的瞬态感应电压，可达电源电压的10～20倍，会在接触处产生电弧放电，引起传导干扰和辐射干扰。触点闭合时，会发生反弹断开，再闭合……，反复几次，也会产生干扰，在数字电路中会引起数据的错误。3、控制措施，几种常用的电弧抑制电路，图7－9。①、电阻型K断开，产生感应电动势，LR电路中出现阻尼衰减振荡，振荡电流：idIuLdt/tLLLieRRRR时间常数可以使感应电动势衰减。R过大，仍有电弧产生，R过小，常态时（无开、关动作）R上的功率损耗过大。②、R－C型LCR电路（电阻型的改进电路）K断开时，电感向电容器充电，抑制开关触点两端的浪涌电压，可避免电弧发生，常态时，电容相当于开路状态，电阻R上没有电流，也没有功率损耗。（优于电阻型……）③、D－R型K断开时，电感上的瞬时感应电压（下端为正）使二极管导通，相当于（a），可拟制电弧。常态时（上端为正）二级管不导通，不消耗功率。④、背对背的二极管型两个齐纳二极管齐纳二极管（稳定二极管）在达到临界反向击穿电压前反向电阻都很高，在临界击穿点上，反向电阻变得很小，电流增大而电压保持恒定。K断开时，电感上的瞬时感应电压很高，一个二极管反向击穿，一个正向导通，电阻很小，可抑制电弧。常态时总有一个二极管不导通，不消耗功率，这种电路既适用于交流，也适用于直流。⑤、R－C－D型在R－C型电路中R两端并联一个二极管。常态时二极管不导通，与R－C型电路相同，K断开时，电感上的瞬时电压，（下端为正）可通过C和二极管释放，抑制电弧。四、小型电动机带动风扇和机械装置整流子的电刷产生的火花放电引起干扰，主要频率在100K～1MHz，谐波频谱可达100MHz，控制措施：1、电容法，图7－10①、C1：跨接在电动机的两根电源线上，滤除火花放电产生的高频干扰。②、整个电动机被屏蔽,电源线穿过机壳处安装穿心电容，一方面可以进一步滤除高频干扰，另一方面也可增强屏蔽效果。电容法中，C1，C2，C3均采用无感电容器，引线要尽量短，抑制作用约为20dB。2、电容－铁氧体磁环法(图7－11)在电容法的基础上，加套铁氧体磁环。铁氧体磁环是损耗滤波器,可以滤除1MHz以上的干扰信号。五、逻辑电路器件数字电路中的基本器件逻辑电路器件是干扰源：工作时其电平状态迅速改变，不但在公共电源线和地线中产生传导干扰，还会产生辐射干扰。逻辑电路器件也是敏感设备:受到干扰可能被误触发。使用逻辑电路器件时，必须了解它可能产生的干扰，以及自身的抗干扰能力。例如，一个逻辑电路的脉冲信号值为16mA，上升时间为15ns，地线分布电感为0.5μH，在地线上产生的干扰电压为这个干扰电压，可能通过传导干扰其它电路的正常工作。逻辑电路的开关越快，幅值越大，干扰就越大，波形越陡，干扰信号的频谱越宽。控制措施1、正确选择逻辑电路器件①、选择干扰水平低的器件1.6dIULVdt例：实验表明，TTL器件（晶体管－晶体管逻辑电路）的干扰水平高，CMOS器件（互补金属氧化物逻辑电路）的干扰水平低，原因：TTL的速度较快（上升时间约为10ns），电流跳变的幅度较大（约16mA），CMOS的速度较慢（上升时间约为50～100ns），电流跳变的幅度较小（约10mA）。不需要高速器件，就不要选用高速器件，以免产生过多的干扰。②、选用抗扰度高的器件一般，逻辑电路的速度越低，响应越慢，触发阈值越高，抗扰度也越高。7－3，电路的干扰及控制一、电源的干扰及控制1、来自电源的干扰，图7－12由于存在共阻抗RS(电源内阻、线路阻抗)，电源上存在的干扰可以加到各单元电路上，任何一个单元电路产生的干扰电流Ii,也会在RS上产生干扰电压IiRS加到其它单元电路上。来自电源的干扰包括：①、从电源线引入的干扰。②、外部干扰场，透过机壳耦合至电源回路的干扰。③、直流电源的纹波电压。④、稳压电源中参考电压的变动或元器件参数的变动。⑤、开关电源或开关电路、功率控制电路中电流跃变引起的电源电压的波动。⑥、某一部分电路产生的干扰引起流经电源的电流变动。控制措施：采用RC滤波器或LC滤波器，如图7－13，LC滤波器中有电感线圈,有可能引入新的干扰,还需要屏蔽。RC滤波器，R上产生电压降而降低电源电压,并消耗电能。2、整流二极管产生干扰二级管正偏时将贮留一定数量的少数载流子，反偏时贮留的载流子释放时会产生脉冲电流,如图7－14，尖峰脉冲的幅度、宽度及波形取决于二级管的特性及电路参数。尖峰脉冲含有丰富的高频成分，是一种重要的干扰源。控制方法（采用下面之一的措施）①、每个整流二级管并联一旁路电容，②、每个整流二级管串联一个电阻，③、每个整流二级管的两端各接一高频旁路电容至地。④、采用软恢复二极管。二、线路板上的共模辐射和差模辐射1、线路板上信号环路的辐射是差模辐射，如图7－15所示。信号环路相当于小环天线，差模辐射的电场强度为：162131.610sin/71fAIEVmr其中：f是信号电流的频率（Hz）,A是环路的面积(m2)，I是信号电流强度（A），r是观察电到环路中心的距离，θ是r与环路平面的夹角。可以看出，减小信号环路差模辐射的有效方法是减小环路的面积。不同逻辑电路所允许的最大环路面积如表7－1所示。表7－1不同逻辑电路所允许的最大环路面积逻辑器件系列上升时间（ns）电流（mA）不同频率下允许的环路面积（cm2）4MHz10MHz30MHz100MHz4000B406100040074HC620504518674LS65020187.22.474AC3.5805.52.20.750.2574F3805.52.20.750.2574AS1.412020.830.152、线路板上I/O导线（电缆）的辐射是共模辐射，仍如图7－15所示。I/O导线（电缆）相当于单极天线，共模辐射的电场强度为：其中l是导线的长度(m)。可以通过减小I/O导线（电缆）的长度、减小共模电流（共模电流一般不是信号电流）、使用屏蔽电缆等方法控制共模辐射。7410sin72fIlEr三、单元电路的干扰及控制不论是来自设备外部，还是来自设备内部的干扰都会对电路产生影响，对于不同的单元电路，控制干扰的方法有所不同。1、功率放大器①、图7－16是一个一般的放大器电路，用作功率放大器时，输出电流比较大，当输出电流流过电源时,在电源内阻上产生电压降，会对所有与此电源相连的电路产生干扰（通过公用电源内阻耦合）。抑制措施：在集电极加一个阻容去耦电路，使电源对信号呈现低阻抗，如图7－17，Cd是并联的去耦电容（一般是电解电容器），Zd是串联的阻抗。Cd对信号的阻抗应很小。Zd应足够大以保证电源为恒流源。②、功率放大器电路接地回路上的电流比较大，也会对其他电路产生干扰（通过公共接地回路耦合）。抑制措施：对于低频电路采用单点接地，如图7－17中所示。2、调谐放大器调谐输出级功率放大器抑制干扰的方法如图7－18所示，分析方法与功率放大器相似。3、射极跟随器射极跟随器抑制干扰的方法如图7－19所示，基本思路仍是让集电极电流不流过电源，避免干扰信号通过公用电源内阻耦合。7－4电路的布局和配线电路的布局和配线的设计是一个十分重要的环节，如果元器件布局不当或电路配线不当，都会导致严重的干扰或收不到预期的抗干扰效果。一、元器件的布局作EMC设计时，基本元器件的等效电路如图7－20所示。元器件的布局主要是减小设备内部各元器件干扰的互相影响和配线的合理性，作为一般的原则，主要有:1、产生干扰的元器件和敏感元器件要尽量分开。2、低电平级和高电平级的元器件，低功率级和高功率级的元器件，应按输入和输出方向顺序排列，避免将高电平、高功率的信号耦合至低电平、低功率的器件，造成反馈干扰。3、尽量减小元器件之间的电容耦合(改变元器件的方向、相对面积……）。4、尽量减小元器件之间的电感耦合。①、引线要短，避免长距离平行走线。②、产生变化磁通的元器件，要尽量避免对其它元器件和回路产生干扰。例如：两个线圈的轴向不应平行，应垂直。两个线圈必须平行安装时，要尽量拉开距离以减小两线圈之间的互感耦合。5、非辐射元器件或同一级中的元器件，应尽量靠近，以减小公共地阻抗耦合，使用较大的地平面以减小地线阻抗。6、尽量减小电流回路的面积（减小辐射回路面积或接受回路面积）7、留一定的空间以便对一些器件采取屏蔽措施。例如：产生辐射干扰的器件：小电动机、继电器、线圈……，敏感器件：高频头……。8、逻辑器件是一种产生干扰的元件，其辐射干扰的控制原则与电感器件相同。9、尽量防止元器件从设备外部引入干扰，或通过元器件把干扰传播出去。（传导、辐射）例如：电感器件的布局。电感器件（例如滤波器中的电感线圈、振荡器中的线圈、变压器、继电器等）通入变化的电流时会产生变化的磁通，对邻近的器件或回路产生干扰。所以，电感性器件，特别是功率电感器件是重要的干扰源。①、图7－21（a）是一个低通滤波器，有3个电感器和2个电容器，为了使3个电感器互相垂直安装，可以按图7－21（b）布局，L1安装在一个平面上，L2和L3安装在另一个垂直平面上。也可以安装在不同层面上，或印刷电路板的两面。②、图7－22是两个相邻线圈的安装方法和最小尺寸。③、两个线圈除了电感耦合,也存在电容耦合(分布电容)。减小电容耦合最有效的措施是屏蔽，有时无法采用屏蔽措施，如图7－23（a）所示的两个线圈,此时为减小线圈间的电容性耦合，应采取正确的接地方法，如图7－23（b）所示，把2和3接地,可以起到一定的隔离作用，使两线圈的高压端1和4间的分布电容减小。④、电感器件的屏蔽为了防