和EMC困扰 Say-Byebye

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作者:王欣、凌涛 来源:韬略科技EMC

电磁兼容性或电磁兼容(EMC)是在电学中研究意外电磁能量的产生、传播和接收,以及这种能量所引起的有害影响。目标是在相同环境下,涉及电磁现象的不同设备都能够正常运转,而且不对此环境中的任何设备产生难以忍受的电磁干扰之能力。下面分几部分详细介绍:

第一部分   电磁骚扰的耦合机理  

1.基本概念

电磁骚扰传播或耦合,通常分为两大类:即传导骚扰传播和辐射骚扰传播。通过导体传播的电磁骚扰,叫传导骚扰;通过空间传播的电磁骚扰,叫辐射骚扰。

辐射骚扰

2.传导干扰 

(1)共阻抗耦合

由两个回路经公共阻抗耦合而产生,干扰量是电流 i,或变化的电流 di/dt。

共阻抗耦合

当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时,就发生了公共阻抗耦合。由于地线就是信号的回流线,因此当两个电路共用一段地线时,彼此也会相互影响。对于两个共用电源的电路也存在这个问题。解决的办法是对每个电路分别供电,或加解耦电路。

(2)容性耦合

在干扰源与干扰对称之间存在着分布电容而产生,干扰量是变化的电场,即变化的电压 du/dt。

(3)感性耦合

在干扰源与干扰对称之间存在着互感而产生,干扰量是变化的磁场,即变化的电流 di/dt。

当信号沿传输线传播时,信号路径与返回路径之间将产生电场,围绕在信号路径和返回路径周围也有磁场,这些延伸出去的场称为边缘场。

边缘场

变化的电场产生感应电流,变化的磁场产生感应电压,当一个静态网络的布线进入另一网络动态网络的边缘场时,动态网络上的信号电压和电流发生变化, 这种两个网络之间通过场相互作用被称做耦合,分为容性耦合和感性耦合,把耦合电容和耦合电感分别称做互容和互感。

(4)共阻抗耦合干扰抑制方法

让两个电流回路或系统彼此信号相互独立,互不连接,避免电路耦合。

限制耦合阻抗,让耦合阻抗愈低愈好,使导线电阻和导线电感都尽可能小。

电路去耦:即各个不同的电流回路之间仅在唯一的一点作电的连接,不流过电路性干扰电流,达到电流回路间电路去耦的目的。

隔离:电平相差悬殊的相关系统(比如信号传输设备和大功率电气设备之间),常采用隔离技术。

3.辐射干扰

(1)近场和远场

干扰通过空间传输实质上是干扰源的电磁能量以场的形式向四周空间传播。可分为近场和远场。近场又称感应场,远场又称辐射场。判定近场远场的准则是以离场源的距离 r 来定的。

远场:

远场

我们常用波阻抗来描述电场和磁场的关系,波阻抗定义为:

Zo=E/H

在远场区电场和磁场方向垂直并且都和传播方向垂直称为平面波,电场和磁场的比值为固定值,为 Zo=120∏=377 欧。下图为波阻抗与距离的关系。

波阻抗与距离的关系

(2)减少辐射干扰的措施

减小辐射干扰的措施主要有:

辐射屏蔽:在干扰源和干扰对象之间插入一金属屏蔽物,阻挡干扰传播。

极化隔离:干扰源与干扰对象在布局上采取极化隔离措施。

距离隔离:拉开干扰源与被干扰对象之间的距离,这是由于在近场区,场量强度与距离平方或立方成比例,当距离增大时,场衰减很快。

吸收涂层法:被干扰对象有时可涂复一层吸收电磁波的材料,以减小干扰。

第二部分  电磁干扰的模式 

1.共模干扰与差模干扰

共模干扰(Common-mode):两导线上的干扰电流振幅相等,而方向相同者称为共模干扰。

共模干扰

差模干扰(Differential-mode):两导线上的干扰电流,振幅相等,方向相反称为差模干扰。

差模干扰

差模干扰

共模(Common mode)是指存在于两根或多根导线中,流经所有导线的电流都是同极性的,差模(Differential mode)是指在导线对上的电流极性是相反的。

共模干扰的干扰电流在电缆中的所有导线上幅度/相位相同,它在电缆与大地之间形成回路流动,见图(a)。差模干扰的干扰电流在信号线与信号地线之间流动,见图(b)。

由于共模干扰与差模干扰的干扰电流在电缆上的流动方式不同,对这两种干扰电流的滤波方法也不相同。因此在进行滤波设计之前必须了解所面对的干扰电流的类型。

2.PCB的辐射与线缆的辐射

(1)PCB辐射

PCB辐射

PCB 上有许多信号环路,其中有差模电流环也有共模电流环,计算其辐射强度时,可等效为环天线,辐射强度由下式计算:

辐射强度由下式计算

(2)线缆的辐射

计算线缆的辐射强度时,将其等效为单极天线,其辐射强度由下式计算:

线缆的辐射

辐射效率

以上两式可以看出线缆的辐射效率远大于 PCB 的辐射效率。

第三部分   电磁屏蔽理论 

1.屏蔽效能的概念

屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能传输的一种技术,是抑制电磁干扰的重要手段之一。屏蔽有两个目的,一内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域,二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。

2.电缆的屏蔽设计

如果导体从屏蔽体中穿出去,将对屏蔽体的屏蔽效能产生显著的劣化作用。这种穿透比较典型的是电缆从屏蔽体中穿出。

屏蔽设计

电缆穿透的作用是将屏蔽体内外通过导线连通,等效于两个背靠背的天线,对屏蔽体的屏蔽有极大的影响。

为了避免电缆穿透对屏蔽体的影响,可以从几个方面采取措施:

采用屏蔽电缆时,采用夹线结构,保证电缆屏蔽层与屏蔽体之间可靠接地。;用屏蔽连接器转接将信号接出屏蔽体来保证电缆屏蔽层的可靠接地。

 采用非屏蔽电缆时,采用滤波连接器转接,保证电缆与屏蔽体之间有足够低的高频阻抗。电缆在屏蔽体的内侧(或者外侧)要足够短,使干扰信号不能有效地耦合出去,从而减小了电缆穿透的影响。

 电源线通过电源滤波器出屏蔽体,保证电源线与屏蔽体之间有足够低的高频阻抗。

第四部分 接地设计 

接地是抑制电磁干扰、提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。

1.接地的概念

电子设备中的“地”通常有两种含义:一种是“大地”,另一种是“系统基准地”。 

接地的目的有两个:一是为了安全,称为保护接地。二是为电流返回其源提供低阻抗通道。

(1) 保护接地

保护接地是为了保护设备、装置、电路及人身的安全。保护原理是:通过把带故障电压的设备外壳短路到大地或地线端,保护过程中产生的短路电流使熔丝或空气开关断开,从而达到保护设备和人员安全的作用。

(2)工作接地

工作地是单板、母板或系统之间信号的等电位参考点或参考平面,它给信号回流提供了低的阻抗通道。信号质量很大程度上依赖于工作接地质量的好坏。信号越弱,信号频率越高,这种影响就越严重。尽管如此,在设计和施工中最大限度地降低工作接地导体的阻抗仍然是非常重要的。

第五部分  滤波设计    

1.滤波电路的基本概念  

滤波电路是由电感、电容、电阻、铁氧体磁珠和共模线圈构成的频率选择性网络,低通滤波器是电磁兼容抑制技术中普遍应用的滤波器。为了减小电源和信号线缆对外辐射,接口电路和电源电路必须进行滤波设计。

2.电源EMI滤波器

电源 EMI 滤波器是一种无源双向网络,它一端接电源,另一端接负载。在所关心的衰减频带的较高频段,可把电源 EMI 滤波器看作是“阻抗失配网络”。

电源EMI滤波器

网络分析结果表明,滤波器阻抗两侧端口阻抗失配越大,对电磁干扰能量的衰减就越是有效。由于电源线侧的共模阻抗一般比较低,所以滤波器电源侧的阻抗一般比较高。为了得到较好的滤波效果,对低阻抗的电源侧,应配高输入阻抗的滤波器;对高输入阻抗的负载侧,则应配低输出阻抗的滤波器。

普通的电源滤波器对于数十兆以下的干扰信号有较好的滤波作用,在较高频段,由于电容的电感效应,其滤波性能将会下降。对于频率较高的干扰情况,要使用馈通式滤波器。该滤波器由于其结构特点,具有良好的滤波特性,其有效频段可以扩展到 GHz,因此在无线产品中使用较多。

总结:滤波器的使用,最重要的问题是接地问题。只有接地良好的滤波器才能发挥其滤波作用,否则是没有价值的。滤波器使用要注意以下问题:

  1. 滤波器放置在电源的入口位置;
  2. 馈通滤波器要放置在机箱(机柜)的金属壁上;
  3. 滤波器直接与机柜紧密连接,滤波器下面不能涂保护漆;
  4. 滤波器的输入输出引线不能并行,交叉。

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