电磁干扰及其特性

第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求电磁干扰三要素防止电磁干扰的三个途径：（1）抑制源的发射（2）尽可能使耦合路径无效（3）使接收器对发射不敏感一电磁干扰源1、自然干扰源：雷电放电、局部自然干扰源、天电噪声源、热噪声2、人为干扰源：电力线干扰源、旋转机械干扰源、点火系统干扰源、功能干扰源3、大气中的无线电噪声：来源于全世界的风暴，它主要的变量是地理位置、无线电频率、一天的时间和季节；第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求（一）电磁干扰源类型（二）电磁环境和人为辐射源1、人为辐射源的数学模式（1）单个的技术装置辐射源专门为辐射电磁能的装置辐射电磁能是其副作用的装置（2）城市辐射源：N=zM发射源数N,城市人口M，比例系数z是每人占有的发射源数一个城市的辐射功率i=1,2,3…k第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求iipP（二）电磁环境和人为辐射源在相当远的距离时，城市则类似于一个同样功率的点能源。将能流分成三种基本模式：1）类似线性波导的传播模式AHo=(1/2)PHo——功率通量密度2）类似表面波导的传播模式BHo=P/(2*Pi*r)（Pi：第i个辐射源的功率）3）自由空间的传播模式CHo=P/(4*Pi*r*r)A线性模式：人口及辐射源是沿一直线而对称分布的B平面模式：人口和辐射源的分布是在平面上对称的C三维模式：假设人口和辐射源是对称立体分布的第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求（二）电磁环境和人为辐射源城市辐射源的上述研究得出结论：各最近的辐射源会产生最大的影响在城市中心的功率密度即使该城市是无穷大时也是有限的如果指定观测点距离城市很远，则此给定点的功率密度与城市人口成正比可用一个范围有限的作用区域来代替一个给定的城市2、人工接收机一类专门制造来对所辐射的电磁能起反应的一类并不是有意制造对所辐射的电磁能起反应的第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求二电磁干扰波传播或耦合1、传导干扰波传播通过导体传播的电磁干扰2、辐射干扰波传播通过空间传播的电磁干扰（其耦合形式有近场感应耦合、远场辐射耦合）3、复合干扰：辐射和传导干扰同时存在第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求传导干扰辐射干扰电耦合磁耦合电磁耦合近场感应耦合远场辐射电磁干扰传播磁感应电感应干扰源敏感设备导体传导干扰辐射干扰空间第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求产生电磁辐射现象，导致电磁干扰的原因当电压或电流发生迅速变化时，就会产生电磁辐射现象，导致电磁干扰。因此，最近电磁干扰问题日益突出的主要原因之一就是脉冲电路（数字电路、脉冲电源）的大量应用。凡是存在这种电压或电流突然变化的地方，都要考虑电磁干扰问题。三耦合通道和敏感体1、耦合通道耦合通道是把电磁干扰从干扰源传输到敏感体的各种途径。基本形式：传导耦合通道、辐射耦合通道①传导耦合通道指通过金属导体、电阻、电容器、电感线圈及导线之间的分布参数传输干扰的通路。电路性耦合、电感性耦合、电容性耦合②辐射耦合指以电磁场和波的形式通过空间传输电磁干扰的途径系统间的辐射耦合——远场耦合系统内的辐射耦合——近场耦合耦合通路中三种模式：电路的非线性作用互调制、交叉调制、直接混频调制四、传导干扰的一般性质一般性质1：频谱电信号在低频时按集中参数电路处理（及电路分析基础提出的电路模型），在高频时按分布参数电路处理（及微波理论提出的电路模型）。传导干扰频谱分为：窄带干扰、宽带干扰窄带干扰：带宽只有几十赫兹到几百赫兹。宽带干扰：带宽分布在几十到几百赫兹甚至更宽的频带范围。传导干扰的一般性质有：频谱、幅度、波形、出现率。第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求频谱下分贝(dB)的概念12lg10PP12lg20VVP1、P2是两个功率数值，对于电流或电压，定义如下：电压增益的分贝数＝电流增益的分贝数＝分贝的定义：分贝数＝12lg20II用分贝表示的物理量电压：用1V、1mV、1V为参考（例如：1V=0dBV）则单位为：dBV、dBmV、dBV等，电流：用1A、1mA、1A为参考，则：dBA、dBmA、dBA场强：用1V/m、1V/m为参考，则：dBV/m、dBV/m等，功率：用1W、1mW为参考，则：dBW、dBm等，电磁兼容中常用频域分析时域波形频谱分量付立叶级数(周期)付立叶变换(非周期)EMC分析更多是在频域中进行，并且不考虑相位因素。示波器观察频谱分析仪观察电磁兼容中常用仪器：频谱分析仪幅度频率扫描速率（时间）分辨带宽频率范围脉冲信号的频谱T1/d1/trdtr谐波幅度（电压或电流）频率（对数）-20dB/dec-40dB/decAV(orI)=2A(d+tr)/TV(orI)=0.64A/TfV(orI)=0.2A/Ttrf2（一）传导干扰的一般性质一般性质2：幅度（规定带宽条件下的发射电平）干扰幅度可表现为多种形式：1）不同型号的幅度分布（概率，它是确定的幅度值出现次数的百分率）2）可用“正弦”或“随机”的概念来说明干扰性质3）典型干扰是热噪声和冲击噪声第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求例如：热噪声如果用x表示噪声电压或电流，它具有高斯分布的幅度概率，这类噪声的电压或电流的峰值或平均值都正比于检测设备的带宽B；如果不受带宽限制的热噪声称为白噪声（见“随机过程”）)2exp()2(1)(2221xxP第2章电磁干扰特性及电子系统的EMC要求冲击噪声冲击噪声的电流或电压峰值正比于频带B，而其平均值则与频带无关。主要由内燃机点火系统；电源线放电、充气管放电产生的火花。一般性质3：波形由于波形是决定带宽的重要因素，设计者要很好地控制波形。上升斜率越陡，所占的带宽就越宽。通常脉冲下的面积决定了频谱中的低频含量，而其高频成分与脉冲沿的陡度有关。在所有脉冲中，高斯脉冲的占有带宽最窄。周期矩形脉冲的频谱（公式）)2()(SaTTnSaTFnFnTE324o周期矩形脉冲信号的频谱f(t)toτ2－τ2T(a)FnE2o542T＝f(t)toτT(b)Eo102FnEEτ不同τ值时周期矩形信号的频谱(a)τ=T/5;(b)τ=T/10一般性质4：出现率干扰信号在时间轴上出现的规律称为出现率。按出现率把电函数分为周期性、非周期性和随机的三种类型。1、ESD现象静电放电静电放电电源端口信号端口静电放电五、传导干扰及其实例传导干扰的实例1产生电磁干扰的条件1.突然变化的电压或电流，即dV/dt或dI/dt很大！2.辐射天线或传导导体设计中，遇到电压、电流的突然变化，需要考虑潜在的电磁干扰问题当数字电路出现电磁干扰的问题,许多有经验的工程师会检查地线和电源线上的噪声,通常的结果是在电源线和地线上,用示波器可以观察到明显的噪声电压。虽然许多人可以断定这些噪声是造成电路电磁干扰问题的原因,但是不知道如何解决。因为,他们不知道这些噪声是如何产生的。下图将产生地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被驱动电路ICCI驱动I充电I放电IgVg传导干扰的实例2电源线上的噪声：图中是一个典型的门电路输出级（图腾柱输出），当输出为高时，Q3导通，Q4截止，相反，当输出为低时，Q3截止，Q4导通，这两种状态都在电源与地之间形成了高阻抗，限制了电源的电流。但是，当状态发生变化时，会有一段时间Q3和Q4同时导通，这时在电源和地之间形成了短暂的低阻抗，产生30－100毫安的尖峰电流。当门电路输出从低变为高时，电源不仅要提供这个短路电流，还要提供给寄生电容充电的电流，使这个电流的峰值更大。由于电源线总是有不同程度的电感，因此当发生电流突变时，会产生感应电压。这就是在电源线上观察到的噪声。由于电源线阻抗的存在，也会造成电压的暂时跌落。地线上的噪声：在当电源线上产生上述尖峰电流的同时，地线上必然也流过这个电流，特别是当输出从高变为低时，寄生电容要放电，地线上的峰值电流更大（这与电源线上的情况正好相反：电源线上的峰值电流在输出从低变为高时更大）。由于地线总是有不同程度的电感，因此会感应出电压。这就是地线噪声。地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工作不正常，而且会产生较强的电磁辐射。传导干扰的实例3地线干扰对电路的影响1324寄生电容当门1的输出从高变为低时，会发生以下过程：寄生电容通过门1放电，很大的地电流流过地线阻抗，在门2的地线上形成地线电压，由于门2输出低电平，这个电压直接反应到门2的输出端，成为门4的输入信号。当幅度超过门4的噪声门限时，导致门4误动作。地线上的这些干扰不仅会引起电路的误操作，还会造成传导和辐射发射。为了减小这些干扰，应尽量减小地线的阻抗。注意：对于数字电路，地线阻抗决不是地线直流电阻。例如，宽0.5mm的印制线，每英寸电阻为12m，电感是15nH，对于160MHz的信号，其阻抗为9.24，远大于直流电阻。因此对于数字电路，减小地线电感是十分重要的。传导干扰的实例4：及解决方案传导干扰的实例5：解决方案1、低频域传输线路定义：低频域是指传输线路的几何长度远远小于工作波长对一般模拟电路来说，它可作为集中参数来处理。对数字电路，将传输脉冲按其宽度分为窄脉冲和宽脉冲。传导干扰主要靠传输线路的电流和电压起作用：传输线路在不同频率下表现的性质不同，其处理方法也有所差异其中低频域传输线路：低频域是指传输线路的电小尺寸小于λ/10，可以按照集总参数电路来处理，具有频率低，波长长，电路尺寸与波长相比很小，甚至小到可以视为一点的特性，电场与磁场可以近似看作只随时间变化，不随导线长度变化，并且频率低，线的阻抗和导纳的作用可以忽略不计，因此导线上的各点的电位相同。这样，整个电路的电能近集中在电容器里，磁能集中在电感线圈里，损耗集中在电阻上。六、传导干扰传输线路的性质在数字电路中：传输的脉冲将按照窄脉冲和宽脉冲来处理，①窄脉冲必须考虑由线路阻抗而产生的电压下降，以及线路间的寄生电路而使波形变钝等现象。②宽脉冲除考虑窄脉冲出现的问题以外，还必须考虑传输时间滞后，以及线路反射等问题。只有在脉冲宽度Δt远小于线路内的传输时间，才能作为低频处理，即：其中：l为传输线路的几何长度，v为传输速度，Δt为脉冲宽度tvl例如：低频域的集中参数电路低频时：lrslrlslRRRRRRRC2))((1Rl/2Rl/2VsRl/2RsRl/2ClRr输入为正弦波情况（在低频时：）电路接收端电压为：)sin(2sinTVRRRRtVVsrlsrRr可得，lrslrlslRRRRRRRCtg21＋＋）＋）（＋（其中，相角－lrslrlslRRRRRRRC2))((1输入为脉冲时，其脉冲前沿情况（在低频）电路接收端电压为：)1(2/tsrlsrreVRRRRV－rlslrlslRRRRRRRC2）＋）（（其中输入为脉冲时，其脉冲后沿情况（在低频）电路接收端电压为：/2tsrlsrreVRRRRVrlslrlslRRRRRRRC2）＋）（（其中总结2：集总参数电路，频率低，波长长，电路尺寸与波长相比很小，甚至小到可以视为一点，电场与磁场可以近似看作只随时间变化，不随导线长度变化，并且频率低，线的阻抗和导纳的作用可以忽略不计，因此导线上的各点的电位相同。这样，整个电路的电能近集中在电容器里，磁能集中在电感线圈里，损耗集中在电阻上。（参考《微波原理》）总结1：低频域的集总参数电路当线路阻抗Rl很小时，接收端电压Vr则由电源阻抗Rs和负载阻抗Rr来决定，从负载看进去的干扰阻抗，大致同干扰发生源的阻抗Rs相等，则可认为与线路阻抗特性无关。2、高频域的分布参数电路当线路的几何长度L大致与工作波长可以比拟时，线路应看作分布参数电路，线路的特性主要决定于分布参数L（分布电感）、C（分布电容），其中主要的参数为线路传输波的传输速度v和线路的特性阻抗Z。1)对无损耗传输线：LC1vCLZC①线路的特性阻抗只与分布参数有关例如