EMC电磁兼容基础知识

1科学公正服务价值电磁兼容基础朱文立E-Mail:[e-mail]2/66电磁兼容基础00:15一电磁兼容基础课程内容1．电磁兼容概述1.1电磁兼容的定义1.2电磁兼容的研究领域1.3实施电磁兼容的目的2．电磁兼容理论基础2.1基本名词术语2.2电磁兼容测试中常用单位2.3电磁干扰形成的三要素2.4电磁信号及其特性3．电磁兼容测量3.1电磁兼容标准及其分类3.2几个重要电磁兼容标准对照表3.3常用电磁兼容测量项目4．电磁兼容设计基础4.1电磁兼容设计方法4.2电磁兼容设计的费效比4.3电磁兼容设计一般要求4.4电磁兼容控制策略与控制技术4.5电磁兼容性补救措施3/66电磁兼容基础00:151．电磁兼容概述1.1电磁兼容的定义国家标准GB/T4365-2003《电工术语电磁兼容》：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。”EMC=EMI+EMS4/66•设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态（EMC）。包括以下两个方面：•a）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中运行时，可按规定的安全裕度实现设计的工作性能、且不因电磁干扰而受损或产生不可接受的降级（EMSLS）；•b）设备、分系统、系统在预定的电磁环境中正常地工作且不会给环境(或其他设备)带来不可接受电磁干扰（EMILI）。GJB72A-2002•“电磁兼容是研究在有限的空间、有限的时间、有限的频谱资源条件下，各种用电设备（分系统、系统，广义的还包括生物体）可以共存并不致引起降级的一门科学。特色定义•在共同的电磁环境中，任何设备、分系统、系统都应该不受干扰并且不干扰其他设备。电磁兼容要求电磁兼容基础00:155/66电磁兼容基础00:15电磁环境要素时间空间频谱构成要素—电磁环境组成要素电磁环境是由空间、时间、频谱三个要素组成的。要解决电磁兼容问题，离不开空间、时间、频谱这三要素。这也就是我们说的电磁环境。6/661.2电磁兼容的研究领域电磁兼容基础00:15骚扰源特性的研究敏感设备抗干扰性能研究电磁骚扰的传播特性研究123电磁骚扰产生的机理，频域与时域的特性，表征其特性的主要参数，抑制其发射强度的方法等等。在电磁兼容领域中，被干扰的设备或可能受电磁骚扰影响的设备称为敏感设备，或者在系统分析中称为骚扰接收器。如何提高敏感设备的抗干扰性能，是电磁兼容领域中的研究问题之一。研究电磁骚扰如何从骚扰源传播到敏感设备上去，包括辐射与传导。电磁兼容领域中传播特性研究的特点：源的非理想化（源的频域、时域特性的复杂性以及源的几何参数的复杂性）宽的频率范围。电磁兼容涉及的问题可以归结为五大方面：27/66电磁兼容基础00:15电磁兼容测量技术研究系统内与系统间的电磁兼容性研究45包括测量设备、测量方法、数据处理方法以及测量结果的评价等等。由于电磁兼容问题的复杂性，理论上的结果往往与实际相距较远，因而使得电磁兼容测量显得更为重要。由于电磁骚扰源在频域与时域特性的复杂性，为了各个国家、各个实验室测量结果之间的可比性，必须详细规定测量仪器的各方面指标，并且各个国家的仪器指标应该严格地相同。标准中采用的表征电磁噪声的参数（例如：峰值、准峰值、有效值、平均值）都是用等效于某一个特定参数的正弦信号定标的。亦即：测量得到的电磁噪声电平是等效于某个正弦信号的电平。在一个系统之内或系统之间，EMC问题往往要复杂得多：干扰源可能同时也是敏感设备；传播的途径往往是多通道的；干扰源与敏感设备不只一个等等。这就需要我们对系统内的或系统间的电磁兼容问题进行分析与预测。产品设计者更多的关注点在系统内的电磁兼容问题的解决；检测实验室的工程师更多关注点在系统间的电磁兼容问题。8/66电磁兼容基础00:151.3实施电磁兼容的目的1.3.1电磁干扰及其危害在电磁环境中，电磁干扰造成的危害是各种各样的，可能从昀简单的令人烦恼的现象直到严重的灾难。9/66电磁兼容基础00:15一些电磁干扰可能造成的危害：①干扰电视的收看、广播收音机的收听。②在数字系统与数据传输过程中数据的丢失。③在设备、分系统或系统级正常工作的破坏。④医疗电子设备（例如医疗监护仪、心电起搏器等）的工作失常。⑤自动化微处理器控制系统（例如：汽车的刹车系统、防撞气囊保护系统）的工作失控。⑥导航系统的工作失常。⑦起爆装置的无意爆炸。⑧工业过程控制功能（例如：石油或化工）的失效。除此之外，强电场还会对生物体造成影响。由此可见，电磁环境的恶化，会导致多方面的后果。开展电磁兼容研究，加强电磁兼容管理，降低电磁骚扰，避免电磁干扰，是当务之急。10/66电磁兼容基础00:151.3.2国家标准及国际标准的要求由于电子设备的发展及广泛应用，造成了复杂的电磁环境，干扰日益严重。这就促使电磁兼容（ElectromagneticCompatibility简称为EMC）技术的出现并迅速发展起来。相应的国家及国际标准出台则使对电磁兼容管理提高到法律的高度，从而进一步地促进了电磁兼容的发展。现在各国家、军队部门以及世界组织均成立了相应的管理组织或部门，出台了许多有关标准、规定和措施。例如欧洲的CE指令、美国的FCC联邦法规都有相应的电磁兼容要求。我们国家对产品的电磁兼容性能也制订了一系列强制性或推荐性标准，并通过市场监督抽查和国家强制性产品认证（即3C认证）等措施来保证市场销售的产品的电磁兼容符合性。因此，产品的电磁兼容符合性是国家标准及国际标准的要求。11/66电磁兼容基础00:152．电磁兼容理论基础2.1基本名词术语（电磁）发射（electromagnetic）emission“从源向外发出电磁能的现象。”电磁兼容中的发射既包含传导发射，也包括辐射发射。电磁骚扰electromagneticdisturbance“任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。”电磁骚扰还包括了无用信号。电磁干扰electromagneticinterference“电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。”（性能）降低degradation（ofPerformance）“装置、设备或系统的工作性能与正常性能的非期望偏离。”此种非期望偏离（指向坏的方向偏离）并不意味着一定会被使用者觉察，但也应视为性能降低。由以上两个术语可见：电磁骚扰仅仅是电磁现象，即指客观存在的一种物理现象，它可能引起降级或损害，但不一定已经形成后果。而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。12/66电磁兼容基础00:15电磁环境electromagneticenvironment“存在于给定场所的所有电磁现象的总和。”“给定场所”即“空间”；“所有电磁现象”包括全部“时间”与全部“频谱”。电磁噪声electromagneticnoise“一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合。”一般认为无线电频率从10kHz开始向上。而“电磁”现象则包括所有的频率，除无线电频率外，还包括所有的低频(包括直流)电磁现象。无用信号unwantedsignal“可能损害有用信号接收的信号。”干扰信号interferingsignal“损害有用信号接收的信号”。比较以上两条术语可见：差别仅在于无用信号是“可能损害…”，而干扰信号是“损害…”。表明无用信号在某些条件下还是有用的无害的；而干扰信号任何情况下都是有害的。313/66电磁兼容基础00:15（对骚扰的）抗扰度immunity（toadisturbance）“装置、设备或系统面临电磁骚扰下降低运行性能的能力。”（电磁）敏感性（electromagnetic）susceptibility—EMS“在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。注：敏感性高，抗扰度低。”骚扰限值（允许值）limitofdisturbance“对应于规定测量方法的昀大电磁骚扰允许电平。”(来自骚扰源的)发射限值emissionlimit(fromadisturbsource)“规定电磁骚扰源的昀大发射电平。”抗扰度与敏感性都反映的是装置、设备或系统的抗干扰的能力，仅仅是从不同的角度而言。在国际与国内，军用标准体系常用敏感性这一术语；而民用标准体系惯用抗扰度一词。发射裕量emissionmargin“装置、设备或系统的电磁兼容电平与发射限值之间的差值。”14/66电磁兼容基础00:15（时变量的）电平level（oftimevaryingquantity）“用规定方式在规定时间间隔内求得的诸如功率或场参数等时变量的平均值或加权值。”(骚扰源的)发射电平emissionlevel(ofadisturbancesource)“用规定的方法测得的由特定装置、设备或系统发射的某给定电磁骚扰电平。”(电磁)兼容电平(electromagnetic)compatibilitylevel“预期加在工作于指定条件的装置、设备或系统上规定的昀大电磁骚扰电平。”注：实际上磁兼容电平并非绝对昀大值，而可能以小概率超出。抗扰度电平immunitylevel“将某给定的电磁骚扰施加于某一装置、设备或系统而其仍能正常工作并保持所需性能等级时的昀大骚扰电平。”抗扰度限值immunitylimit“规定的昀小抗扰度电平。”也就是说：超过此电平，该装置、设备或系统就会出现性能降低。而敏感性电平，是指刚刚开始出现性能降低的电平。所以对某一装置、设备或系统而言，扰抗度电平与敏感性电平是同一个数值。15/66电磁兼容基础00:15抗扰度裕量immunitymargin“装置、设备或系统的抗扰度限值与电磁兼容电平之间的差值。”(电磁)兼容裕量(electromagnetic)compatibilitymargin“装置、设备或系统的抗扰度限值与骚扰源的发射限值之间的差值。”骚扰抑制disturbancesuppression“削弱或消除电磁骚扰的措施。”骚扰抑制是加于电磁发射器（源）上的措施。干扰抑制interferencesuppression“削弱或消除电磁干扰的措施。”干扰抑制是加于敏感设备（被干扰对象）上的措施。内部抗扰度internalimmunity装置、设备或系统在其常规输入端或天线处存在电磁骚扰时能正常工作而无性能降低的能力。外部抗扰度externalimmunity装置、设备或系统在电磁骚扰经由除常规输入端或天线以外的途径侵入情况下，能正常工作无性能降低的能力。16/66电磁兼容基础00:1517/66电磁兼容基础00:152.2电磁兼容测试中常用单位在电磁兼容测量中常用不同的量纲，单位也不尽相同。功率电压电流功率密度电场强度磁场强度传导领域辐射领域18/66电磁兼容基础00:152.2.1功率功率的基本单位为瓦(W)，即焦耳/秒(J/s)。为了表示宽的量程范围，常常引用两个相同量比值的常用对数，以“贝尔”为单位。12贝尔lgPPP分贝(dB)贝尔是个较大的值：为了使用方便，我们采用贝尔的1/10，即分贝(dB)为单位。12dBlg10PPPP2与P1应采用相同的单位。应该明确dB为两个量的比值，是无量纲的。绝对分贝如P1为1W，P2/P1是相对于1W的比值，即以1W为0dB。此时，是以带有功率量纲的dB表示P2，则WPPW1lg10dBW若以1mW为0dB，则此时的P亦应以mW为单位。分贝毫瓦的表示式为:mWmWPmWPPlg101lg10dBm419/66电磁兼容基础00:152.2.2电压121212122212dBlg10lg20//lg10lg10RRUURURUPPPRUP2式中P——功率，W；U——降在纯电阻R上的电压，V；R——电阻，Ω。式中的第一项即为电压的分贝值。若以分贝表示，上式可写为：电压分贝在电磁兼容领域，电压分贝常用μV为单位。此时U1＝1μV，即dBμ以1μV为0dB。0dBμ即－120dBVVVUVUUUUl