EMC实用技术基础知识培训

EMC实用技术基础知识培训什么是电磁兼容性问题电磁兼容问题可以分为两类，一类是电子电路、设备、系统在工作时由于相互干扰或受到外界的干扰，使其达不到预期技术指标。如装于机壳]内的由微处理器构成的控制电路受到装在同一个机壳内的马达的干扰的问题。另一类电磁兼容问题，设备虽然没有直接受到干扰的影响，仍达不到规定的功能性指标，但不能通过国家的电磁兼容标准，如手机等设备产生超过电磁发射标准规定的极限值，或在电磁敏感度、静电敏感度等方面达不到要求。一般论述传导干扰：是因为源与敏感器之间有电磁线或信号电缆连接，干扰沿着电缆从一个单元传到另一个单元。传导干扰经常会影响设备的电源，这可以通过滤波器来控制。辐射干扰：当一个器件发射的能量，通常是射频能量，通过空间到达敏感器时。干扰源：既可以是受干扰系统中的一部分，也可以是完全电气隔离的单元。辐射干扰能影响设备中的任何信号路径，其屏蔽有较大难度。辐射电磁能量干扰：机理可以由法拉第定律来解释。这个定律表明当一个变化的电场作用于一个导体时，在这个导体上会感应出电流。这个电流与工作电流无关，但是电路会象与工作电流一样来接收这个电流并发生响应。换句话说，随机的射频信号能够使设备（接收机）性能恶化。大规模集成电路芯片较低的供电电压降低了内部噪声门限，而它们精细的几何尺寸的较低的电平下就受到电弧损坏，降低了电磁干扰的阈值。它们更快的同步操作产生更尖的电流脉冲，这会带来从Ｉ／Ｏ端口产生宽带发射的问题。一般来说，高速数字电路比统的模拟电路产生更多的干扰电磁兼容的技术•使设备达到电磁兼容状态的技术有哪些？为了使设备或系统达到电磁兼容状态，通常应用印制电路板设计、屏蔽机壳、电源线滤波、信号线滤波、接地、电缆设计等技术。做电磁兼容设计时有那些文献资源可以利用？国外在电磁兼容设计方面有许多手册可以参考，国内除了一些国外设计规范的中文译本外，还有“电磁兼容工程设计手册”。如果要系统地学习电磁兼容知识，可以参考“电磁兼容原理”。另外北京瑞特电子技术公司编辑的《电磁兼容与电磁干扰抑制技术》刊物，提供了实用而新颖的内容。手机电磁兼容的要求YD1169.1-2001800MHzCDMA数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性要求和测量方法第一部分：移动台及其辅助设备GB/T17626.2–1998电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验GB/T17626.3–1998电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验GB/T17626.4–1998电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验GB/T17626.5–1998电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验GB/T17626.6–1998电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度试验GB/T17626.11–1998电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验ISO7637–1（1990）车辆传导和耦合的电气骚扰第一部分带有12V额定电压电源的客车和小型商用交通工具仅沿电源线的瞬态传导ISO7637–2（1990）车辆传导和耦合的电气骚扰第二部分带有24V额定电压电源的客车和商用交通工具仅沿电源线的瞬态传导电磁兼容指标测试的方法•现有的规范和标准对产品辐射的电场强度的极限值是在３m、１０m或３０m处规定的。为了测试设备是否满足这些标准，需要一块能提供被测件与天线之间对应距离的足够大的场地。测试场地的背景电磁能量大大低于测试范围。被测设备所处的状态必须与实际使用状态相同，Ｉ／Ｏ接口与适当的外设连接。被测系统要放在转台上，这样可以通过旋转来找到最大辐射信号。转台与天线放在同一个地面上。这样就可以测量系统工作时的辐射了。开阔测试•这种测试也可以在半无反射室中进行，但一个合适的测试室其尺寸和成本都是可观的。大多数辐射测试是在开阔场中进行，开阔场是精心选择的，其电磁背景很低，周围没有反射物，如建筑物。图１－４是开阔场的示意图。•屏蔽盒测试•为了获得不同材料的屏蔽效能，采用一些其它的测试方法。屏蔽盒是最先开发的方法之一。在密封的屏蔽盒内放置接收天线的装置如图１－５所示。这个盒子上有一个方形的开口，将它放置在屏蔽室内使外界干扰最小。屏蔽室测试•屏蔽室内有信号发生器和发射天线。被测材料的样品牢固地夹在盒子的开口上，记录下发射天线处的场强和接收天线处的场强。这种材料的屏蔽效能就是两个值的比值。纯铜板可以用来作为参考值。图１－６所示的四个屏蔽室的装置可以用来提高测量精确度，并且拓宽测量的频率范围。屏蔽原理1•电磁波理是经典的理论。麦克斯威尔、法拉第和其它人在电子学之前就建立了描述电场和磁场的基本方程式。然而，对实际中的复杂硬件几乎不能直接应用这些方程式。电场和磁场的衰减用从试验中得到的方程式能够更好的表达，这些方程式在屏蔽的设计中广泛应用。有许多因素会影响电磁能量源周围的场。源的种类赋予了场一些特征，如辐射幅度、距离源的距离和电磁波传输的媒介的特性都会影响场与屏蔽之间的相互作用。在电磁屏蔽中，波阻抗Zw是联系这些参数的有用的概念。波阻抗定义为电场E与磁场H的比值。源上的驱动电压决定了干扰的特性。例如，环天线中流动的电流与较低的驱动电压对应。结果是在天线附近产生较小的电场和较大的磁场，具有较低的波阻抗。另一方面，四分之一波长的距离上，所有源的波的阻抗趋近于自由空间的特征阻抗，377欧姆。这时，称为平面波，作为参考，1MHz的波长是300m。屏蔽的原理2•按照到源的距离，电磁波可以进一步分为两种，近场和远场。•两种场的分界以波长λ除以2π的距离为分界点。λ/2π附近的区域称为过渡区。•源与过渡区是近场，超过这点为远场。•近场波的特性主要由源特性决定，而远场波的特性由传播媒介决定。如果源是大电流、低电压。则在的近场以磁场波为主。高电压、小电流的源产生电场为主的波。在设计屏蔽控制辐射时，这个概念十分有用。由于这时屏蔽壳与源之间的距离通常在厘米数量级，相对于屏蔽电磁波为近场的情况。在远场，电场和磁场都变为平面波，即，波阻抗等于自由空间的特性阻抗。屏蔽的原理3•用能将磁通分流的高导磁率铁磁性材料可以屏蔽200KHz以下的低阻抗波。反过来，用能将电磁波中电矢量短路的高导电性金属能够屏蔽电场波和平面波。•入射波的波阻抗与屏蔽体的表面阻抗相差越大，屏蔽体反射的能量越多。因此，一块高导电率的薄铜片对低阻抗波的作用很小。对于任何电磁干扰，屏蔽作用由三种机理构成。入射波的一部分在屏蔽体的前表面反射，另一部分被吸收，还有一部分在后表面反射，如图1-7所示。对于任何电磁干扰，屏蔽作用由三种机理构成。入射波的一部分在屏蔽体的前表面反射，另一部分被吸收，还有一部分在后表面反射，如图1-7所示。屏蔽效能•电磁屏蔽的效果如何评价？屏蔽体的有效性用屏蔽效能（ＳＥ）来表示，屏蔽效能的定义为：ＳＥ＝２０lg(E1/E2)dB式中，Ｅ１是没有屏蔽体时测得的场强，Ｅ２是有屏蔽体时测得的场强。屏蔽效能与场强衰减的关系如表：屏蔽效能与场强衰减的关系屏蔽效能越高，每增加２０ｄＢ的难度越大。民用设备的机箱一般仅需要４０ｄＢ左右的屏蔽效能，而军用设备的机箱一般需要６０ｄＢ以上的屏蔽效能。屏蔽前场强屏蔽后的场强衰减量屏蔽效能(dB)10.10.92010.010.994010.0010.9996010.00010.99998010.000010.9999910010.0000010.999999120屏蔽的原理4•屏蔽效能SE等于吸收因子A加上反射因子R，加上多次反射修正因子B，所有因子都以dB表示。•SE=A+R+B表1.10和表1.11给出了不同的屏蔽效能，吸收损耗的计算公式如下：A=1.13t式中；t-屏蔽厚度，cm;μr-屏蔽材料的相对导磁率；σr-屏蔽材料的相对导电率；f-频率，Hz。由于吸收主要由屏蔽厚度产生的，吸收因子对所有类型的电磁波都一样，与近场还是远场无关。以下是计算平面后反射损耗的公式，等于电场波和磁场波有类似的公式。R=168101g(μrf/σr)dB屏蔽的原理5•如果吸收因子6dB以上，多次反射因子B可以忽略，仅当屏蔽层很薄或频率低于20KHz时，B才是重要的。;•在设计磁屏蔽时，特别是14KHz以下时，除了吸收损耗外，其它因素都可以忽略。同样，在设计电场或平面波屏蔽时，只考虑反射因子。•表1.12给出了一些常用屏蔽材料的相对导电率和导磁率。•开口效应当一束电磁波碰到屏蔽体时，在表面上感应出电流。屏蔽的一个作用是将这些电流在最小扰动的情况下送到大地，如果在电流的路径上有开口，电流受到扰动要绕过开口。较长的电流路径带来附加阻抗，因此在开口上有电压降。这个电压在开口上感应出电场并产生辐射。当开口的长度达到λ/4时，就变成效率很高的辐射体，能够将整个屏蔽体接收到的能量通过开口发射出去。•为了限制开口效应，一般的规则是，如果屏蔽体的屏蔽效能要达到60dB，开口长度在感兴趣的最高频率处不能超过0.01λ。每隔一定间隔接触的复合或用指形簧片连接的缝隙可以作为一系列开口来处理。•值得指出的是，材料本身的屏蔽特性并不是十分重要的，相比之下缝隙开口等屏蔽不连续性是更应该注意的因素。信号强度的衰减与屏蔽衰减极限值的判定•表1.10信号强度的衰减•表1.11屏蔽衰减极限值dB衰减的百分比109020993099.94099.995099.9996099.99997099.99999dB评价0～10屏蔽很少10～30有意义的屏蔽的下限30～60平均屏蔽量60～90屏蔽较好90～120屏蔽很好120以上现有技术的极限用于屏蔽的金属电导率σr/相对磁导率μr特性金属相对电导率σr相对磁导率μr银1.051铜1.001铝0.611锌0.291黄铜0.261镍0.201铁0.171000铜0.101000化学镀镍0.021表1.12用于屏蔽的金属特性表1.12用于屏蔽的金属特性表1.12用于屏蔽的金属特性（1）干扰场•干扰能量沿着导线和自由空间传播。因此它成为与线路有关的干扰电压和辐射干扰场强。所传播的各种干扰都存在一定的频率范围。•低于30MHz的低频干扰，主要是在导线中传播。这种干扰不能靠简单的屏蔽机壳来防止，而只能用适当的线路滤波器来保护有用信号不受损害。•更高频率的干扰（＞30MHz）与导线的辐射有关，因为这时导线尺寸可以和波长相比拟。•就电磁波而论，电场强度E和磁场强度H是由一定的关系或联系在一起的。通常是将电场分量和磁场分量分别屏蔽。在相应的频率范围中符合一定的规则。在约1MHz以下的较低频率范围内，平行于导体壁的电力线是连续的。这里，频率的影响取决于所用屏蔽材料的壁厚和导磁率。在1MHz至100MHz的频率范围内，屏蔽柜内受干扰影响的部位包括：前面板的连接面、门或窗以及引入的主要部件。这时电力线不再保证全部是连续的，从约100MHz频率开始，电场屏蔽效能将逐渐减小，而磁场屏蔽效能则不再增加。对于100MHz以上频率范围，所传播的波的电场和磁场分量应当认为是相等的。均匀平面波的屏蔽取决于各自分量在屏蔽材料表面的集肤效应，屏蔽材料的导电率将决定波的反射损耗。（2）RFI/EMI传输的含意•RFI/EMI可以通过传导，耦合或辐射离开干扰源或进入敏感设备，在设备的一部分和另一部分之间，如电源和附近的电路之间，或在两个分开的设备之间，都会产生干扰。①传导RFI/EMI可以通过信号线、天线馈线、电源线、甚至通过RFI/EMI敏感设备之间的接地线进行传导。②耦合EFI/EMI可以在具有某些互阻抗的元件、电路或设备之间耦合，通过这种互阻抗，一个电路中的电流或电压能在另一电路中引起电流或电压。互阻抗可以是电导、电容或电感，或者是它们的任意组合。③辐射RFI/EMI可以通过任何一种设备机壳的开口、通风孔、出入口、电缆、测量孔、门框、舱盖、抽屉和面板，以及机壳的非理想连接面等进行辐射。RFI/EMI也可由进入敏感设备的导线和电缆进行辐射，任何一个良好的电磁能量辐射器也可以作为良好的接收器。如何进行屏蔽•将从敏感设备防护外来电磁波的观点来考虑屏蔽。有效的屏蔽对设备自射产生的电磁波也同样有效，它可以防止自身产生的电磁波对其它设备造成危险