电气设备和EMC设计、测试和整改

电子电气设备电磁兼容设计、测试和整改沙斐北京交通大学抗电磁干扰研究中心我室1982年成立。2001年由中国实验室国家认可委员会（CNAS）正式批准为“国家认可实验室”。电波暗室1992年建成，2006年重建，均为自行设计。（一）EMC设计基础1.电磁干扰三要素2.传导和辐射3.共模和差模4.近场和远场5.电磁干扰耦合方式与研究思路（二）产品EMC接地设计（三）产品EMC滤波设计（四）产品EMC屏蔽设计（五）PCB板的EMC设计（六）EMC技术的综合设计案例解析：（七）测试故障诊断流程与整改措施1.测试故障的诊断分析2.测试中常见测试频谱超标的定位3.测试故障的整改措施（一）EMC设计基础什么是电磁兼容？电磁兼容（EMC--ElectromagneticCompatibility）是一门新兴的综合性学科，主要研究电磁干扰和抗干扰的问题。即怎样使在同一电磁环境下工作的各种电子电气的器件、电路、设备或系统，都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。(一）1、电磁干扰三要素干扰三要素的构成EUTEUT骚扰源传输途径敏感设备空间辐射的电磁波导线传导的电压电流•任何电子电气设备都可能是骚扰源，也可能是敏感设备。•电磁骚扰源是客观存在的，只有在影响了敏感设备的正常工作时才构成“干扰”，也就是人们通俗所说的电磁干扰。•设备越敏感，抗扰度越差。设备的电磁兼容性（EMC）设备的发射特性（EMI）设备向外部发射电磁骚扰的特性。设备的抗扰度（IMUNITY）（敏感度EMS）设备抵抗外部入侵的电磁骚扰的能力。只有设备的EMI和EMS都符合要求了，才能说设备的EMC合格了。EMC研究对象的扩展目前EMC的研究对象已不仅仅限于电子气设备，而且进一步拓宽到：雷电、静电等自然干扰源；强电磁脉冲；电磁环境污染与生态效应；信息处理设备电磁泄漏产生的失密;无线电频率的分配和管理。电磁骚扰源人为骚扰源和自然骚扰源任何电子电气设备都可能是人为骚扰源。雷电、静电放电是自然骚扰源。电磁噪声--不带任何信息的电磁现象，例如：雷电、静电放电；电气设备运行中出现的电火花；晶体管、二极管关断时产生的脉冲噪声等。无用信号--功能性信号，例如广播、电视、雷达、信息技术设备等，本身是有用信号，但干扰了其它设备的正常工作，所以对敏感设备而言是无用信号。骚扰源的研究设备哪部分发射最大？发射的机理？（共模发射、差模发射）发射通过空间还是通过导线进行？发射能量的大小？（场强、功率、电压、电流）波形？（正弦、调制、脉冲、随机）频谱？（宽带、窄带、单频）传输途径的研究辐射发射RE---通过空间以电磁波的形式发射电磁骚扰能量。主要研究：电波传播的规律（距离特性、方向性、波阻抗）；远场感应产生的干扰；近场耦合产生的干扰。传导发射CE--通过导线以电压电流的形式发射电磁骚扰能量。主要研究：导线（信号线、电源线）的阻抗（分布参数）；地环路干扰。敏感设备的研究产生干扰的机理—为什么电磁骚扰会使设备的性能降低或产生不希望有的响应，甚至损坏。设备的抗干扰能力--敏感度门限（数字电路、模拟电路）。案例：脉冲针灸仪对收音机的干扰脉冲重复频率=2.36KHz,脉宽=27µs广播中波550~1500KHz,短波5.85~22MHz,调频88~108MHz1.针灸仪为什么会辐射电磁波？（天线）2.针灸仪工作信号是脉冲为何会影响单频接收的收音机？（频谱分析）3.为什么中波全干扰,短波稍好些，调频完全不干扰？（频谱分析）4.如何测试？（获得波形、频谱等？）5.是否符合标准？（3C认证？）6.拟采用什么控制措施？（5个基本措施）7.如何设计产品？（电路、布置、走线、机箱等）骚扰的波形和频谱EMC标准的骚扰限值是按频率规定的；EMC设计是以骚扰频率为依据的。了解骚扰的波形有助于骚扰源的定位和抑制。模拟信号的波形和频谱。数字信号的波形和频谱。脉冲信号（浪涌、电快速瞬变脉冲群、静电放电、人为脉冲等）的产生原因、波形和频谱。数字脉冲信号的频谱分析信息技术设备的工作信号是数字脉冲信号，具有很宽的频带，从电磁兼容角度应该考虑的最高频率为时钟频率的10~20倍或者为1/πtr,tr为脉冲的上升沿时间，即脉冲的前沿越陡峭或脉冲的重复频率越高，则脉冲包含的高频能量越大。雷电的模拟波形开路电压1.2/50μs绝缘跳火器件试验短路电流8/20μs导电不跳火器件试验CCITT波形10/700μs通信设备试验雷电模拟波形的频谱分析雷电波形是脉冲信号，具有很宽的频带。能量主要集中在低频部分，由脉冲强度（幅度X宽度）决定。带宽可以用1/πtr来估算，tr为脉冲的上升沿时间，脉冲的前沿越陡峭，则脉冲包含的高频能量越大。从电磁兼容角度应该考虑的最高频率约在300KHz—10MHz。电快速瞬变脉冲群模拟波形的频谱分析包含很多高频成分，可达60~600MHz,静电放电模拟波形的频谱分析瞬态放电电流包含很多高频成分，可达300~1000MHz,切断电感负载产生的脉冲噪声dtdILe•有刷电机、继电器、电磁阀、高压点火线圈等都是电感负载。都可能产生电快速瞬变脉冲群和振铃浪涌。pip继电器端驱动线中的骚扰波形Mar-30-09-(02:28:00AM)-2.00-1.50-1.00-.50.00.501.001.502.00-.000021-.00001492-.00000884-.00000276.00000332.0000094.00001548.00002156.00002764.00003372.0000398.00004588.00005196.00005804.00006412.0000702.00007628.00008236.00008844.00009452.0001006.00010668.00011276.00011884.00012492.000131.00013708.00014316.00014924.00015532.0001614.00016748.00017356sCH1(V)•如开关是晶闸管，关断时没有空气放电，但仍然会产生振铃浪涌。开关电源线中的骚扰DC-AC逆变器的干扰DC-AC逆变器，输入300V以上直流，输出三相10KHz的PWM调制波，功率100W供大功率三相交流驱动电机。直流供电母线上有IGBT的关断浪涌和续流二极管的恢复浪涌。PWM调制波输出具有高频谐波成分。逆变器的磁场辐射设备抗扰度的分析设备的敏感度门限：使设备产生不希望有的响应或造成其性能降级时的骚扰电平，敏感度门限越低说明设备的扰干扰能力越差。电磁干扰安全系数：敏感度限值(dB)与现存最大干扰(dB)之差，一般要求设备的电磁干扰安全系数不小于6dB，某些特殊设备如武器、电爆装置等应不小于20dB模拟电路的敏感度模拟电路具有一定的接收频带宽度，如果骚扰的有效频带全部或部分地落在模拟电路的接收带宽内，则骚扰就被接收并迭加在有用信号上，当干扰与有用信号相比足够大时，就会影响设备的正常工作。确定模拟电路敏感度门限的步骤：1、根据设备受损程度与输入信噪比的关系，确定输入信噪比，2、根据最小有用信号确定敏感度门限。强信号干扰的音频整流效应骚扰的有效频带与模拟电路的接收频带无重迭，但由于骚扰非常强，仍会产生干扰。数字电路的敏感度数字电路的敏感度门限：直流噪声容限、交流噪声容限、噪声能量容限。数字电路的阀值电平越高，传输延迟时间越长（即工作速度越慢）．输出阻抗越低则数字电路的抗干扰性能越强。(一）2、传导和辐射干扰的传输途径一.导线传导共阻抗耦合共电源线差模方式共地（回流）线差模方式地环路干扰地电位差共模方式周围强场共模方式二.空间辐射差模电流辐射(磁场天线)和共模电流辐射(电场天线)远场λ/2π电磁感应近场λ/2π电磁耦合分布参数形成的阻抗分布电容和分布电感的概念任何二金属间都存在分布电容和电感：.CC1,ccQVdQdtidvdtdvdtdvicdtVZZjc.直流：交流：正弦：I+Q-QVE..,LLLIddteLdidtdidtdieLdtVIZZjL各种传输线的分布参数分布参数是固有的特性参数，只与二金属的物理尺寸、相对位置有关。实际设备中各种元器件、传输线、机箱间的分布参数是造成EMC问题的主要原因，但分布参数很难计算和测量，因此EMC分析有一定难度。0LZCLC常数,特性阻抗＝传输线的分布参数分布参数本身很小，仅nH/m,pF/m数量级。集中参数器件来源于分布参数。分布参数在高频时有效，低频时不起作用。f10kHzL和C起主要作用，f1kHzR起主要作用。共电源线阻抗耦合器件1和器件2共用一个电源供电，通过Zs供电线路的阻抗（主要是分布电感的感抗），互相干扰。骚扰源是差模源。共地线（回流线）阻抗耦合接地线的功能是保持零电位，应该没有电流，不要和回流线混淆。回流线一般接地，所以俗称地线。（一）3、共模和差模共模和差模差模电流：信号线-回流线电流，大小相等方向相反；差模电压：信号线-回流线间电压；共模电流：线-大地间电流，方向相同；共模电压：线-大地间电压有用信号都是差模的，骚扰可能是差模的，也可能是共模的。地环路干扰地电位差产生共模的地环路干扰。骚扰电磁场在线-线间产生差模电流，在负载上引起干扰，这是差模干扰。骚扰电磁场在线-地间产生共模电流，共模电流在负载上产生差模电压，引起干扰，这是共模的地环路干扰。例如：抗扰度试验中的射频场、传导、EFT、浪涌等产生的干扰。电流钳可用50欧姆，9KHz—30MHz的电流钳，连接到示波器可观测骚扰波形，连接到频谱仪可观测骚扰频谱。（一）4、近场和远场空间辐射电磁波电场天线磁场天线根据麦克斯韦方程，变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场。设备内每个电路都可能是等效磁场天线，机壳和电缆都可能是等效电场天线的一部分。近场与远场的比较远场近场1.场强2.方向在传播方向上有分量3.波阻抗电偶极子是高阻抗场磁偶极子是低阻抗场rHE1,321,1,rrHESHE377ˆˆ0HES设备内有无数个等效磁场天线信号源－传输线－负载组成电流环路，相当于磁场天线。所有信号环路、电源供电环路、输入和输出环路,都相当于磁场天线。设备辐射的磁场是设备内所有磁场天线辐射磁场的矢量迭加。磁场天线磁场天线骚扰设备的等效磁场天线的差模电流辐射平行双线环路在远场时的电场强度敏感设备的等效磁场天线接受空间干扰设备内的天线是互易的，既可发射，也可接收。磁场天线的接收（场-电路的干扰）：磁场通过孔缝穿过金属屏蔽机箱。cos2fBAe骚扰设备的等效电场天线的共模电流辐射共模源--由差模源（有用信号源）驱动产生基本驱动模式：*电流驱动模式*电压驱动模式共模天线--不对称振子天线*设备的外部连接线*设备的机箱以及内部印刷板的地线、电源面、散热片、金属支撑架等等共模天线发射60E,Ilr连接电缆短于的辐射场强:4敏感设备的等效电场天线接收空间干扰设备的等效电场天线也是互易的，既可发射，也可接收。外部连接电缆可接收空间干扰电磁场。电场天线的接收：（场-电缆的干扰）e=El(有效长度）地阻抗上有干扰电压。设备内的近场电磁耦合设备内各个环路之间的电距离较短，一般为近场，近场的场型很复杂，不易计算，因此相互间的电磁干扰常用：分布电容耦合代替电场干扰，分布电感耦合代替磁场干扰，从而把场的问题转化为路的问题，简化了计算。电磁耦合的典型问题：线-线间的窜扰高电压小电流的电路可看成主要是电场耦合低电压大电流的电路可看成主要是磁场耦合（一）5、电磁干扰耦合方式与研究思路案例：高频电刀对控温毯的干扰控温毯的敏感部分：温度传感器、计算机。高频电刀（德国ERBE/ICC300型）：强骚扰源单极切割—正弦波，330KHz,570V峰值，300W。强力电凝—脉冲调制波，载波1MHz，最大峰值2600V，120W。干扰现象：控温毯操作面板指示灯全亮，控温失效。1.高频电刀设备的主要骚扰源？波形、频谱？2.电刀骚扰通过那些途径（空间？电源线？信号线？）发出？3.控温毯的敏感部分位置？为什么被干扰？4.骚