第7讲-电磁干扰隔离及抑制技术

CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China电磁兼容ElectromagneticCompatibility何金良清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统安全国家重点实验室交直流输变电技术及电磁环境分室+62775585，13601024327email:[e-mail],JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China第7讲电磁干扰隔离及抑制技术“君子之道也：贫则见廉，富则见义，生则见爱，死则见哀。”墨子《修身》CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China第6讲电磁干扰滤波技术„滤波和屏蔽对于一个设备而言相当于自行车的两个轮子，只有同时存在，才能起作用„电源线滤波器:消除传导干扰，限制辐射干扰发射„信号线滤波器：主要消除辐射干扰，同时消除传导干扰„根据所要求的插入损耗和滤波器两端电路的阻抗确定滤波器的电路结构„EMI滤波器与传统滤波器的区别，一个是与滤波器连接的电路的阻抗不定，另一个是干扰滤波器要工作在很宽的频率范围内„吸收滤波器和反射滤波器CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China第6讲电磁干扰滤波技术„使用三端电容或穿心电容可以大幅度改进电容高频特性„滤波器中使用的电感、电容都不是理想器件，这导致滤波器的性能与所设计的相差甚远„铁氧体磁芯通过高频损耗抑制电磁干扰„电源线滤波器的高频特性也是十分重要的„电源线滤波器的安装方式对其效果影响很大CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China第7讲电磁干扰隔离及抑制技术„平衡电路„隔离元件„光电隔离„保护器件、保护电路„多极保护效果分析„触点开关噪声及其抑制CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China电磁骚扰源1.雷电2.网络结构及参数变化3.核电磁脉冲4.静电5.辐射5.电源质量传播途径1.电磁辐射:电耦合磁耦合电磁耦合2.波传导:传导耦合电磁兼容设计1.电磁干扰危害电磁干扰防护1.直击雷防护2.电磁屏蔽3.接地及搭接4.滤波5.隔离6.保护设备7.电气安全电磁干扰分析基于场的计算方法基于路的计算方法1.网格法2.特征线法3.频域法1.有限元法2.差分法3.边界元法4.模拟电荷法电磁干扰测试1.测试方法2.测试系统3.测试标准电磁兼容研究体系1.直击雷防护2.电磁屏蔽3.接地及搭接4.滤波5.隔离6.保护设备7.电气安全CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China瞬态干扰对设备的威胁电快速脉冲浪涌静电放电静电放电电源端口信号端口浪涌电快速脉冲静电放电CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China几种主要电磁暂态骚扰类型电快速脉冲电涌静电放电脉冲上升时间5nsμs级1ns能量中等（单个）高低电压（负载阻抗高）10kV以下10kV以下15kV以上电流（负载阻抗低）几十安kA级人体放电电流几十安装置放电可达数百安CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China1。ElectromagneticTopologyCopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,ChinashieldingElectromagneticTopologyFilteringIsolationSuppressinggroundingElectronicSystemComingLineSurgeAvoidanceCopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China2。平衡电路„采用平衡电路原理能减小共模干扰信号对电路影响221121)(LNLNLLSLRIRIRRIV−++=CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China平衡电路实例只要使信号源和负载符合平衡电路条件，例如用扭绞线来连接信号源和负载，就能实现对EMI信号的抑制在工程实际中，完美的平衡是很难实现的，因此平衡电路对EMI信号的抑制有限。要得到抑制EMI信号的满意效果，还要采用屏蔽措施CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China平衡电路实例3111311CjZZVVNω+=3222321CjZZVVNω+=CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China平衡电路实例CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China共模抑制比(CMRR)„有时称为平衡系数„共模抑制比(CommonModeRejectionRatio)‡表征平衡电路对共模EMI信号的抑制能力‡为共模信号电压VN及其在负载上产生的差模信号电压降VM之比)/lg(20MNVVCMRR=)/lg(20MCVVCMRR=CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China共模抑制比(CMRR)„平衡电路的CMRR值越高，它对共模EMI信号的抑制能力越强‡电路能做到完全平衡，则输出信号中没有差模EMI信号，这实际上是不可能的„实际平衡电路的CMRR达60~80dB‡如果要求高于这个值，还需采取其他抑制措施‡例如:既选用平衡电路，又对连接信号源和负载的电线进行屏蔽CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China共模抑制比(CMRR)„例如某平衡电路的CMRR是60dB‡当连接电线没有屏蔽时，在每根连接电线上测得共模EMI信号电压为300mV，负载上的差模EMI信号电压降为300μV‡连接电线采取屏蔽后，在连接电线上测得的共模EMI信号电压为15mV，在负载上测得的差模EMI信号电压降为15μV‡虽然平衡电路的CMRR仍是60dB，但后者由于屏蔽对EMI信号的抑制能力改善了26dB，改进后的平衡电路对EMI信号抑制能力达86dBCopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China不平衡电路转换为平衡电路CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China扭绞线平衡结构减小感性耦合241323140ln2aaaalMKπμ=CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China平衡电路用于差分放大器双端输入单端输入CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China差分放大器„辅助电源-VC和射极电阻RE都是为了稳定差分放大器的工作电流，改善差分放大器性能而设置的„RE对共模EMI信号有很强的电流负反馈左用，RE阻值越大，对共模EMI信号的抑制能力便越强„对要放大的差分信号VS没有影响CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China3。电磁干扰隔离„抗干扰变压器„平衡变压器„中和变压器„光电耦合CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China抗干扰变压器„传输低电平信号的变压器容易受外界磁场的干扰作用„抗干扰变压器一般指变压器采用环形磁路和对称绕组，以提高抗磁场干扰的能力„两个绕组的绕向相同，其中一对同名端相接，另一对同名端作为引出端„外磁场的干扰不呈现在引出端CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China隔离变压器„隔离变压器一般指变比为1:1的变压器„除自耦变压器外的任何变压器都提供初次级间的隔离„隔离接地环路‡不能用于直流信号传输，对直流可以迅速减小到0dB‡对地线中的低频干扰具有较好的抑制作用‡电路单元间传输的信号电流只在变压器绕组连线中流过，不流经地线，可避免对其他电路的干扰对直流电路和频率很低（如低于50Hz）的电路不适用的CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China隔离变压器22111⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=LGRfCRUUπCopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China中和变压器„对电流信号的阻抗很低，且不会切断直流通路，但对存在的共模噪声信号却具有很高的阻抗„也用作数据线EMI滤波器，或称为磁性滤波CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China中和变压器根据电缆屏蔽分析知道，当频率ω≥5RC2/L2时，信号电流IS的全部会经过RC2，L2的路径返回信号源VS，而不经地线环流返回信号源。假设工作频率ω5RC2/L2，IC＝0：VjLLIjMIRRISSSLCS=+−++ωω()()1222因为LLM12==IVRRVRSSLCSL=+≈2RLRC2，插入中和变压器对信号的衰减可以忽略CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China中和变压器加装了中和变压器后，RL两端的共模噪声电压：I1环路：VjLIjMIIRGL=++ωω1121I2环路：VjLIjMIIRGC=++ωω22122因为MLL==21设VN＝I1RL，且RC2RL:VVRLjRLNGCC=+22//ωVVRLjRLNGCC=+22//ω要减小共模干扰影响，应尽可能减小RC2，中和变压器的电感应为LRC2ωCopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China光电耦合器„发光二极管把电路1信号电流变成强弱不同的光信号„由光电三极管将强弱不同的光转换成相应的电流‡电流与发光强度的线性度差，传输模拟信号易失真‡在数字脉冲电路中得到广泛应用CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversit