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EMC基础与屏蔽滤波静电防护课堂讲义第 1 讲 屏蔽与滤波.1 屏蔽电磁波是电磁能量的传播的主要形式，高频电路工作时，会向外辐射电磁波，对邻近的其它设备产生干扰；另一方面，空间的各种电磁波也会感应到电路中，对电路造成干扰。因此屏蔽的作用可分为两个方面：一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。由此可见屏蔽的作用是切断电磁波的传播途径，有效地抑制通过空间传播的电磁干扰，从而消除干扰，是抑制干扰源的有力措施之一。.1.1 屏蔽的分类屏蔽就是利用磁性材料或者低阻材料铝、铜等制成容器将需要隔离的设备、装置、电路全部包起来。屏蔽性质的分类，从要屏蔽的电磁场性质来划分，有电场屏蔽（静电场屏蔽及交变电场屏蔽）、磁场屏蔽（静磁场屏蔽及交变磁场屏蔽）及电磁场屏蔽（同时存在电场和磁场的辐射电磁场的屏蔽）等。从屏蔽体的结构分类，可以分为完整屏蔽体屏蔽（屏蔽室或屏蔽盒等）、非完整屏蔽体屏蔽（带有孔洞、金属网、波导管及蜂窝结构等）以及编织带屏蔽（电缆等）。.1.2 屏蔽的机理.1.2.1 电场的屏蔽原理电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。为分析简洁起见，不妨把电场感应看成是分布电容间的耦合。在图8-1中，干扰源A和受感应物的电位分别为UA和UB，那么UA和UB间的关系为：（8-1）式中，C1为A、B之间的分布电容；C2为受感应物B的对地电容。通过上式可以看出，为了减弱受感应物B上的电场感应，可能采用的方法有：1) 增大A、B之间的距离，目的是减少A、B间的分布电容；2) 尽可能使受感应物B贴近接地板，以增大其对地电容；3) 可以在A、B之间插入一块称之为屏蔽板的金属薄板。下面对金属屏蔽板的作用作一分析，请参阅图8-2所示。从图8-2可见，插入屏蔽板后，新造就了两个分布电容C3和C4，其中C3被屏蔽板短路到地，它不会对B点的电场感应产生影响。而受感应物B的对地和对屏蔽板的分布电容C2和C4实际上是处于并联的位置上（因为屏蔽板是接地的）。这样，受感应物B的感应电压UB应当是A点电压被A、B之间的剩余电容C1与并联电容C2和C4的分压，即（8-2）由于 C1远小于未屏蔽时的C1值，故UB值要远小于未屏蔽时的UB值。因此，采用金属屏蔽体进行电场屏蔽应具备两个条件，即完善的屏蔽及良好的接地。BAABC1C2UAUBUAUBSC1C3C4C2图8-1 电场感应示意图 图8-2 电场屏蔽作用的分析.1.2.2 磁场屏蔽的机理磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。首先考察静磁场的情况，不论是由电磁铁或是由直流线圈产生的磁场均在空间散布磁力线或磁通，磁力线所通过的路径称为磁路。磁力线主要集中在低磁阻的磁路通过。因此对磁场的屏蔽主要利用高磁导率的材料，如铁、镍钢、坡莫合金等。这些高磁导率的材料具有很低的磁阻，这样，磁力线将“封闭”在屏蔽体内，起了磁屏蔽的作用。对于低频交变磁场，磁屏蔽的机理同静磁屏蔽一样，利用高磁导率材料作屏蔽体，将磁场约束在屏蔽材料内。为了获得好的磁屏蔽效果，必须保证磁路的畅通，即小的磁阻。因此，当屏蔽盒需要开狭缝时，狭缝不能切断磁路，即狭缝只能与磁通的方向一致，而不能与磁通的方向垂直，否则将影响磁屏蔽的效果。对于高频磁场，磁屏蔽则依据另一种原理。高频磁场会在屏蔽壳体表面感生涡流，从而产生反磁场来抵消穿过屏蔽体的原来的磁场；同时增强屏蔽体旁边的磁场，使磁力线绕行而过，从而起到磁屏蔽的作用。高频磁场主要靠屏蔽壳体上感生的涡流所产生的反磁场起排斥原磁场的作用。涡流越大，屏蔽效果越好。因此，对于高频磁场的屏蔽，应选用良导体材料，如铜、铝或铜镀银等。随着频率增大，涡流亦增大，即磁屏蔽效果越好。但当涡流产生的反磁场足以完全排斥干扰磁场时，涡流也不再增大，保持一个常值。此外，由于趋肤效应，涡流只在材料的表面产生。因此，对于高频磁场，只要很薄的金属材料就足以屏蔽。.1.2.3 电磁场屏蔽的机理在远场条件下，通常所说的电磁干扰均是电场和磁场同时存在的高频辐射电磁场。与前面已讲述的电场屏蔽及磁场屏蔽的机理不同，电磁屏蔽对于电磁波的衰减有三种不同的机理：1）当电磁波在到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定厚度，只要求交界面上的不连续。电磁波到达屏蔽体表面时产生的能量反射主要是由于介质（空气）与金属的波阻抗不一致引起的，二者相差愈大，由反射引起的损耗也愈大；而反射和频率有关，频率愈低，反射愈严重。2）未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。这种物理过程被称为吸收。电磁波在穿透屏蔽体时的能量吸收损耗主要是由于涡流引起的。涡流一方面产生反电磁场来抵消原干扰磁场，同时产生热损耗，因此，频率越高，屏蔽体越厚，涡流损耗也越大。3）在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，在遇到金属与空气不连续的交界面时，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。这样看来，高频电磁屏蔽的原理主要依据电磁波到达金属屏蔽体时产生的反射及吸收作用。.1.3 屏蔽的措施依据屏蔽的机理，可以采取相应的屏蔽措施来抑制不同机理的干扰。.1.3.1 电场屏蔽的措施1) 屏蔽板以靠近受保护物为好，而且屏蔽板的接地必须良好。2) 形状对屏蔽效能的高低有明显影响。例如，全封闭的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果，而开孔或带缝隙的屏蔽盒，其屏蔽效能都会受到不同程度的影响。3) 屏蔽板的材料以良导体为好，但对厚度并无要求，只要有足够强度就可以了。.1.3.2 磁场屏蔽的措施1) 选用高导磁率的材料，如坡莫合金；2) 增加屏蔽体的壁厚；3) 以上两条均是为了减少屏蔽体的磁阻；4) 被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上，以尽量减少通过被屏蔽物体体内的磁通；5) 注意磁屏蔽体的结构设计，凡接缝、通风孔等均可能增加磁屏蔽体的磁阻，从而降低屏蔽效果。为此，可以让缝隙或长条形通风孔循着磁场方向分布，这有利于屏蔽体在磁场方向的磁阻减小；6) 对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构。对要屏蔽外部强磁场的，则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料，如硅钢等；而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等。反之，如果要屏蔽内部强磁场时，则材料排列次序要倒过来。在安装内外两层屏蔽体时，要注意彼此间的磁绝缘。当没有接地要求时，可用绝缘材料做支撑件。若需要接地时，可选用非铁磁材料（如铜、铝）做支撑件。但从屏蔽体能兼有防止电场感应的目的出发，一般还是要接地的。.1.4 屏蔽材料的特性和选择.1.4.1 屏蔽材料的的特性对于不同的场的屏蔽，包括电场、磁场和电磁场，它对屏蔽材料的要求是不同的。不论是吸收损耗，还是反射损耗，都与材料的相对电导率r和相对磁导率r有密切的关系。鉴于磁性材料的相对磁导率与频率有关，表8-1给出了典型屏蔽材料在150kHz的值。表8-1 典型屏蔽材料在150kHz的电气特性金属相对电导率r相对磁导率r银1.051铜（退火后）1.001铜（冷拉）0.971金0.701铝0.611镁0.381锌0.291黄铜0.261镉0.231镍0.201磷青铜0.181铁0.171000锡0.151钢SAE10450.101000铍0.101铅0.081高磁导率镍钢0.0680000莫涅耳合金0.041合金0.0380000坡莫合金0.0380000不锈钢0.021000.1.4.2 屏蔽材料的选择选择屏蔽材料的依据是它要能泄放感应电荷和承载足够异相的电流，以便抵消干扰场的影响。对材料本身所要考虑的特性是它的相对电导率和相对磁导率，屏蔽体的厚度和需要衰减的信号频率也是要考虑的重要因素。为使屏蔽材料选得恰当，应遵循下列基本规则：1) 在低频时，只有磁性材料才能对磁场起明显的屏蔽作用。2) 对于既定的材料，磁场比电场要有更厚的屏蔽体。3) 在频率较高时，对于同种材料，频率升高以后，所要求的屏蔽层厚度就下降。4) 当频率足够高时，有些金属材料（如铜或铝）不论对电场还是磁场都将起相当大的屏蔽作用。5) 对60Hz80Hz（即交流电源）的电场分量，用铁、铜、铝和黄铜等导电薄板料就能轻易地达到屏蔽。.1.4.3 影响屏蔽材料的屏蔽效能的因素掌握了屏蔽的机理后，可以发现下面的结论对于结构设计是十分重要的。1) 材料的导电性和导磁性越好，屏蔽效能越高，但实际的金属材料不可能兼顾这两方面，例如铜的导电性很好，但是导磁性很差，铁的导磁性很好，但导电性较差。应该使用什么材料，根据具体屏蔽主要依赖反射损耗、还是吸收损耗来决定是侧重导电性还是导磁性。2) 频率较低的时候，吸收损耗很小，反射损耗是屏蔽效能的主要机理，要尽量提高反射损耗。3) 反射损耗与辐射源的特性有关，对于电场辐射源，反射损耗很大；对于磁场辐射源，反射损耗很小。因此，对于磁场辐射源的屏蔽主要依靠材料的吸收损耗，应该选用导磁率较高的材料作屏蔽材料。4) 反射损耗与屏蔽体到辐射源的距离有关，对于电场辐射源，距离越近，则反射损耗越大；对于磁场辐射源，距离越近，则反射损耗越小。5) 频率较高时，吸收损耗是主要的屏蔽机理，这时与辐射源是电场辐射源还是磁场辐射源关系不大。6) 电场波是最容易屏蔽的，平面波其次，磁场波是最难屏蔽的。尤其是低频（1kHz以下）磁场，很难屏蔽。对于低频磁场，要采用高导磁性材料，甚至采用高导电性材料和高导磁性材料符合起来的材料。.1.5 屏蔽设计屏蔽效能是电磁波经过屏蔽物时能量被衰减的量。这里以能量场原理来说明屏蔽效能。对于传输电磁波而言，屏蔽效能可以用传输线方程来分析。将平面波考虑为一信号源，从前面入射到一无限大平面薄板上；或将一点信号源封闭在一球形屏蔽体中，或两条平行带电线封闭在一圆筒形屏蔽体中。屏蔽效能一般随下列因素而变动：频率、屏蔽物的形状与材料，屏蔽中测量的位置，电磁波的种类，电磁波的入射及极化方向。通常以S表示屏蔽效能，以E0（H0）表示入射的电、磁场能量，而以E1（H1）表示经过屏蔽物后的电磁场能量，则：（8-3）或：（8-4）此外，当电磁波穿过任何金属物时，通常有两类型的损耗，一是吸收损耗，一是反射损耗，因此，屏蔽效能又可写成：SARB （dB）（8-5）式（8-5）中A为吸收损耗，R为反射损耗，B为正或负的修正项；当A大于15dB时，B可忽略不计，B是由屏蔽体内反射波所引起的。式（8-5）中的各项可以视为相对于铜材料的导电系数和导磁率，频率f（Hz）以及所存在的各种物理参数的函数。.1.5.1 吸收损耗吸收损耗A不仅取决于，和f，而且也取决于屏蔽材料的厚度d(cm)。（8-6）.1.5.2 反射损耗反射损耗取决于源的电性能和屏蔽体到源之间的距离r(cm)。低阻抗场（如距离/2的环）的反射损耗为：（8-7）条件为：f2x109 Hz高阻抗场（如距离/2的棒）的反射损耗为：(8-8)条件为：f/2的棒或环）的反射损耗为：（8-9）条件为：f2x109Hz.1.5.3 内部反射修正项如果A等于或大于15dB，修正项B可以忽略不计。如果A小于15dB，则必须对因屏蔽材料内部多次反射而造成的影响进行修正。这个修正项B是复杂的，因为它取决于材料、尺寸和频率参数。通常为：（8-10）.1.6 机柜（或屏蔽盒）之屏蔽前面的讨论中，都把电磁屏蔽体看成是一个全封闭的屏蔽体，亦即它在电气上是连续均匀的，没有孔隙的屏蔽体。但在实际的机箱和屏蔽盒结构设计中，这种屏蔽体并不存在，因为机箱通常都有电源线和控制线的引入和引出，在面板部分还有操作键、显示屏的开孔，后面板上还有通风孔等等，所以实际机箱在电气上并不连续，而电气不连续的机箱会降低其屏蔽效能。下面是对机箱（或屏蔽盒）设计中的一些基本做法：.1.6.1 结构材料1) 适用于底板和机壳的材料大多数是良导体，如铜、铝等，可以屏蔽电场，主要的屏蔽机理是反射而不是吸收。2) 对磁场的屏蔽需用铁磁材料，如高导磁率合金和铁。主要的屏蔽机理是吸收而不是反射。3) 在强电磁场环境中，要求材料能屏蔽电场和磁场两种成分，因此需要结构上完好的铁磁材料。屏蔽效率直接受材料厚度以及搭接和接地方法好坏的影响。4) 对于塑料壳体，是在其内壁喷涂屏蔽层，或在汽塑时掺入金属纤维。5) 必须尽量减少结构的电气不连续性，以便控制经底板和机壳进出的泄漏辐射。提高缝隙屏蔽效能的结构措施包括增加缝隙深度，减少缝隙长度，在接合面上加入导电衬垫，在接缝处涂上导电涂料，缩短螺钉间距等。.1.6.2 搭接1) 在底板和机壳的每一条缝和不连续处要尽可能好地搭接。最坏的电搭接对壳体的屏蔽效能起决定性作用。2) 保证接缝处金属对金属的接触，以防电磁能的泄漏和辐射。3) 在可能的情况下，接缝应焊接。在条件受限制的情况下，可用点焊、小间距的铆接和用螺钉来固定。4) 在不加导电衬垫时，螺钉间距一般应小于最高工作频率的1波长，至少不大于1/20波长。5) 用螺钉或铆接进行搭接时，应首先在缝的中部搭接好，然后逐渐向两端延伸，以防金属表面的弯曲。6) 保证紧固方法有足够的压力，以便在有变形应力、冲击、振动时保持表面接触。7) 在接缝不平整的地方，或在可移动的面板等处，必须使用导电衬垫或指形弹簧材料。8) 选择高导电率和弹性好的衬垫。选择衬垫时要考虑接合处所使用的频率。9) 选择硬韧材料做成的衬垫，以便划破金属上的任何表面。10) 保证同衬垫配合的金属表面没有非导电保护层。11) 当需要活动接触时，使用指形压簧（而不用网状衬垫），并要注意保持弹性指簧的压力。12) 导电橡胶衬垫用在铝金属表面时，要注意电化腐蚀作用。纯银填料的橡胶或线形衬垫将出现最严重的电化腐蚀。银镀铝填料的导电胶是盐雾环境下用于铝金属配合表面的最好衬垫材料。表8-2是按优先等级排列的各种衬垫。表8-2 按优先等级排列的各种衬垫优先等级衬垫种类备注1金属网射频衬垫容易变形，压力为1.4kg/cm时，衰减为54dB。资料表明，频率较低时衰减最大。用于永久密封较好，不适用于开与关的面板。2铜镀合金有很高的导电性和很好的抗腐蚀性能。弹性好，最适合用于和活动面板配合。可制成指形条、螺旋和锯齿面。衰减性能常超过100dB。3导电橡胶适用于只需名义上连接和少量螺钉的地方。实现水汽密封和电气密封经150、48小时老化后，体电阻率为1020m/cm(max)。变形度限制值为25%。资料表明，频率较高时衰减为最大。4导电蒙布、泡沫衬垫在泡沫塑料上蒙一块镀银编织物，形成一个软衬垫，占去大部分疏松空间，主要为民用，适用于机柜和门板。.1.6.3 穿透和开口1) 要注意由于电缆穿过机壳使整体屏蔽效能降低的程度。典型的未滤波的导线穿过屏蔽体时，屏蔽效能降低30dB以上。2) 电源线进入机壳时，全部应通过滤波器盒。滤波器的输入端最好能穿出到屏蔽机壳外；若滤波器结构不宜穿出机壳，则应在电源线进入机壳处专为滤波器设置一隔舱。3) 信号线、控制线进入/穿出机壳时，要通过适当的滤波器。具有滤波插针的多芯连接器（插座）适于这种场合使用。4) 穿过屏蔽体的金属控制轴，应该用金属触片、接地螺母或射频衬垫接地。也可不用接地的金属轴，而用其它轴贯穿波导截止频率比工作频率高的圆管来作控制轴。5) 必须注意在截止波导孔内贯通波导金属轴或导线时会严重降低屏蔽效能。6) 当要求使用对地绝缘的金属控制轴时，可用短的隐性控制轴，不调节时，用螺帽或金属衬垫弹性安装帽盖住。7) 为保险丝、插孔等加金属帽。8) 用导电衬垫和垫圈、螺母等实现钮子开关防泄漏安装。9) 在屏蔽、通风和强度要求高而重量不苛刻时，用蜂窝板屏蔽通风口，最好用焊接方式保持线连接，防止泄漏。10) 尽可能在指示器、显示器后面加屏蔽，并对所有引线用穿心电容滤波。11) 在不能从后面屏蔽指示器/显示器和对引线滤波时，要用与机壳连续连接的金属网或导电玻璃屏蔽指示器/显示器的前面。对夹金属丝的屏蔽玻璃，在保持合理的透光度条件下，对301000MHz的屏蔽效能一般可达50110dB。在透明塑料或玻璃上镀透明导电膜，其屏蔽效果一般不大于20dB。但后者可消除观察窗上的静电积累，在仪器上常用。.2 滤 波实践表明，即使一个经过很好设计并且具有正确的屏蔽和接地措施的产品，也仍然会有传导骚扰发射或传导骚扰进入设备。滤波是压缩信号回路骚扰频谱的一种方法，当骚扰频谱成分不同于有用信号的频带时，可以用滤波器将无用的骚扰滤除。滤波就是利用滤波器将不需要的信号去除。而就电性上言，所谓滤波器是集中或分散之定值电阻、电感以及电容在不同组合下之线路，其目的是让需要的信号顺利通过，而阻止其它不需要的信号进入线路、装备或系统中。所以就传导性的干扰而言，滤波器具有极大的功能。.2.1 滤波器的特性滤波器的特性一般包括有插入损耗、频率特性、阻抗匹配、额定的电压及电流值、绝缘电阻值、物理尺寸及重量、使用之环境以及本身之可靠性。所谓插入损耗是在装置滤波器前后负载端所接收能量之差异；以算式表示：式中E1是线路中装置滤波器后之输出电压；E2则是线路中未装置滤波器时之输出电压。频率特性是在装置滤波器时插入损耗与频率之对应值。故若要该特性曲线之斜率大，则应装置大量数值准确的元件，简单的说应采用价格高（即高品质）之滤波器。阻抗匹配包括信号源与负载之阻抗，若两者均为未知者，或变动较大，则应将滤波器固定与某一阻抗，以求较稳定的效果。要使滤波器有最佳的衰减性能，滤波器端接的阻抗应使滤波器在严重失配的状态下工作，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。也就是说，如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量很大的串联电感）；如果噪音源内阻是高阻抗的，则滤波器的输入阻抗应该是低阻抗（如容量很大的并联电容）。电压使用的容许范围应涵盖所有可能的运作，尤其应特别重视较大的电压变动及脉冲存在的情况；否则，超过容许范围的电压会损及滤波器中的电容及电阻。制订额定电流时应考虑连续运作时的最大值，否则将损及其中的电感及电阻。此外，额定电流量应配合线路上所使用的保险丝、断路器以及导线的允许值。使用于滤波器上的安全系数应与线路上其它元件相配合，以避免造成安全上或价格上的困扰。由于滤波器本身的使用年限相当长，因此其绝缘电阻应能满足所有正常运作的情况。在选购滤波器时应仔细查询制造商，以求得最佳的尺寸、重量来配合整个线路。滤波器在可能使用环境中温度的考虑也很重要。通常用于军用装备中的温度范围为-65至85；而商用及工业用的温度范围则较小。滤波器的本身应有较高的可靠性，以免增加故障排除时困扰。.2.2 滤波器的种类由于滤波器使用的场合不同，因此有不同线路元件所组成的滤波器。在分类上有依功能分者，如高频通滤波器、低频通滤波器等；又有以元件及线路架构的不同分类者，如T型、L型、型等滤波器。然而不论如何，都有一个不变的通则：高值串联阻抗与低值并联阻抗用于被衰减的频段；而低值串联阻抗与高值并联阻抗用于所需的频段。此外，大部分的滤波器均由电容、电感以及阻抗所组合而成。现以线路架构着眼来简述几种类型的滤波器：1) T型滤波器一般用于信号源及负载的阻抗值均小（通常小于50欧姆）；2) 型滤波器则用于信号源及负载的阻抗值较高的场合；3) L型滤波器用于阻抗不对称的情况。上述各型滤波器的线路示意图如图8-3所示：图8-3 不同线路组合的滤波器此外，就低频通滤波器而言，上述各型滤波器的插入损耗分别为（假定RSRL以简化算式）：T型型L型对于电容式滤波器其插入损耗为：式中FfRCf：频率（赫兹）C：滤波器电容（法拉）而电感式滤波器其插入损耗为：式中FfL/RL：滤波器电感（亨利）如果滤波器之匹配不当，则其所造成的结果非但不能减弱干扰，反而会有增加。.2.3 电源滤波器.2.3.1 干扰的方式电源干扰复杂性中众多原因之一就是包含了许多可变的因素。首先，电源干扰可以以“共模”和“差模”方式存在。“共模”干扰是指电源线对大地，或中线对大地之间的电位差。对于三相电路来说，共模干扰存在于任何一相与大地之间。共模干扰有时也称为纵模干扰，不对称干扰或接地干扰，这是载流导体与大地之间电位差。参见图8-4。图8-4 共模干扰 图8-5 差模干扰“差模”干扰存在于电源相线与中线之间。对三相电路来说，还存在于相线与相线之间。差模干扰有时也称为常模干扰、串模干扰、横模干扰或对称干扰，这是载流导体之间的电位差。参见图8-5。干扰的模式给出了干扰源与耦合途径之间的关系。举例来说，差模干扰提示了干扰是源于同一条电源电路当中；而共模干扰则提示了干扰是由辐射或串扰耦合到电路中来的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。干扰在线路上经过长距离传输后，差模分量的衰减要比共模分量大，这是因为线间阻抗和线地阻抗不同的缘故。另一方面共模电流在线路上传输时会向周围邻近空间辐射，而差模电流则不会形成辐射，也就是说，共模干扰比差模干扰更容易造成电磁场干扰。连接在电源线上的电器设备接通或断开电源时所产生的脉冲电压虽然由差模电流开关转换所形成，但却很容易耦合到共模电路和接地回路中，成为信号电缆接收感应的主要来源。电源线的辐射，特别是引入设备内部电源线的辐射，还可以通过信号传输的正常途径耦合到信号电路中去，形成干扰。因此设备敏感度的问题大部分是由共模干扰所引起的。两种干扰模式的区别是十分重要的，因为对共模干扰是不能用差模干扰的方法来得到解决，反之亦然。所以我们应当把这两种模式的干扰找出来，否则只能是事倍功半。电源滤波器一般用来抑制主要是30MHz以下频率范围的噪音。根据经验，在此频率范围内又大致可分成三个频段，在5KHz以下，主要是以抑制差模干扰为主的措施；在5KHz10MHz范围内主要是以抑制共模干扰为主的措施；在10MHz30MHz范围内除主要抑制共模干扰为主外，还需注意与周围的电磁波耦合问题以及根据情况考虑加地线接地、电感等辅助抑制手段。.2.3.2 电源滤波器的构造电源滤波器有不同的构造，因此也有不同的抗干扰特性。图8-6是几种常用的电源滤波器的结果原理图。图a)是以低阻抗而起作用的，阻抗Z1/C，当它并接在电源的两端，可以滤除电源中的差模干扰。如接在电源和地之间，则可滤除电源的共模干扰。这里的电容要求高频特性非常好，而且引线电感要尽可能地小。图b)是并接在电源输出两端的两个串联电容，电容间的连接点接地。这种滤波器可以滤除电源的共模干扰。这里特别注意接地的阻抗要尽可能低，它在很大程度上影响着滤波器的高频特性。在图c)的那种电路中，C1、C2对滤除共模干扰起作用；C3对滤除差模干扰起作用。图d)是滤除电源差模干扰的滤波器，L1、L2对于干扰源来说是高阻抗，C为低阻抗。如果L1、L2构成下述的抗共模扼流圈，则还可对滤除共模干扰起很大作用。图e)是滤除共模干扰的滤波器，这里也要注意接地阻抗要充分地小，阻抗大的话，几乎没有什么效果。图8-6 各种滤波器的构成图8-7是对差模干扰和共模干扰均有滤除效果的滤波器。图8-7 滤除差模干扰和共模干扰均有效的滤波器差模抑制电容C1 ：0.1uF0.47uF；差模抑制电感L1，L2 ：100uH130uH；共模抑制电容C2，C 3 ：10000pF；共模抑制电感L ：15mH25mH。L1、L2是滤除差模干扰的，L、C2、C3是滤除共模干扰的。作为电感扼流圈L，电感量一般可选几十mH左右。另外，注意电感扼流圈的磁芯要选用较难磁饱和以及-f特性好的材料，也要注意磁芯的截面积不能太小，否则在较大的电流下会使磁芯磁饱和，效果将大幅度下降。C1要高频特性好的陶瓷电容或聚酯电容，耐压要根据电源电压值再留有充分的余量。容量可在0.047F0.47F之间选用，引线要尽可能地短。C2、C3的要求与C1相同，电容量一般选用2200pF左右。这个电容越大，效果就越好，但对接电网的电源滤波器来说，它将使机壳和电网间的阻抗变低，漏电流变大，一旦机壳接大地不良，人接触机壳就有触电的危险。漏电流由下式给出：IL=2VfC式中，是漏电流；V是加在电容上的电压；f是作用在电容上的电源频率；C是电容量。.2.3.3 滤波器的安装图8-8 滤波器接地不良引起抗共模干扰特性变坏滤波器对电磁干扰的抑制作用不仅取决于滤波器本身的设计和它的实际工作条件，而且在很大程度上还取决于滤波器的安装情况。首先，滤波器的外壳与设备的金属机壳要有可靠的接触。接触电阻增大会使滤波器抗共模干扰的特性变坏，甚至失效，关于这一点的解释可参看图8-8。设备安装滤波器后，设备的金属机壳应该接大地，这是为了防止滤波器的泄漏电流对人身的危害。设备机壳接大地不仅是出于安全角度的考虑，而且也可以大大提高设备的抗干扰能力，所以这也是电磁兼容性设计的一个重要考虑。其次，滤波器引线与安装位置也是很有讲究的问题。这是考虑到电源线除了沿电源线的传导方式传输电磁干扰外，还会在传输过程中将电磁干扰辐射出去，对附近的敏感电路（或设备）造成辐射耦合。因此必须考虑滤波器的输入线和输出线之间不存在耦合，否则会导致滤波器的性能下降。为此滤波器的输入线最好不直接引入设备内部，而是经过滤波之后才进入设备内部，利用设备机壳的自然屏蔽作用，把电源产生的辐射场排除在设备外部。在有条件的地方，可以采用带有电源插座的滤波器（这是目前用得较多的电源滤波器形式，特别适合于一些仪器和办公设备的使用），见图8-9所示：图8-9 滤波器的引线与安装位置.2.4 信号滤波器信号滤波器是用在各种信号线（包括直流）上的低通滤波器，它的作用是滤除导线上各种不需要的高频骚扰。.2.4.1 信号滤波器分类信号滤波器按照安装方式和外形分类，有线路板安装滤波器、馈通滤波器和滤波器连接器等三种。线路板安装滤波器适合于安装在线路板上，具有成本低、安装方便等优点。但线路板安装滤波器的高频效果不是很理想。馈通滤波器适合于安装在屏蔽壳体上，具有很好的高频滤波效果，特别适合于单根导线穿过屏蔽体。馈通滤波器又可根据使用场合分为焊接式滤波器、螺装滤波器和大电流高电压螺装滤波器。滤波器连接器适合于安装在屏蔽机箱上，具有较好的高频滤波效果，用于多根导线（电缆）穿过屏蔽体。.2.4.2 信号滤波器的用途1）屏蔽壳体上的穿线屏蔽壳体上不允许有任何导线穿过，屏蔽效能再高的屏蔽体，一旦有导线穿过屏蔽体，屏蔽体的屏蔽效能就会大幅度下降。当有导线要穿过屏蔽体时，必须使用馈通滤波器，这样可以将导线接收到的骚扰滤除到接地的屏蔽体上，从而避免骚扰穿过屏蔽体。2）设备内部的隔离解决电路间的相互骚扰的唯一途径就是对不同类型的电路进行隔离。当不同电路之间没有任何连线是，按照一般的屏蔽设计技术就可以了。但当电路之间有互连线时，必须对互连线进行滤波，要在互连线上使用馈通滤波器或滤波器阵列，才能达到真正的隔离。3）电缆滤波设备中的电缆是接收骚扰和辐射骚扰的最有效的天线，骚扰主要通过电缆进出设备。解决电缆接收和辐射骚扰的主要手段是屏蔽和滤波。虽然使用屏蔽电缆能够有效地减小电缆的电磁骚扰辐射和接收电磁骚扰的能力，但屏蔽电缆的屏蔽效能对屏蔽层的端接方式依赖很大，而且屏蔽电缆的屏蔽层由于是金属编织网构成的，在高频时屏蔽效能较差。此外，屏蔽电缆不能消除共模骚扰电流。为了改善这种情况，在屏蔽电缆的两端使用馈通滤波器是最有效的方法。.2.5 结语使用滤波器时必须注意到以下几点：1) 滤波器的选择不仅要满足电磁兼容性能的要求，而且要有安全性，外购的滤波器必须取得象UL、CSA和VDE等的安全认证。2) 在选择滤波器时，除了要注意插入损耗这一指标外（注意一般产品目前都是提供20时的数据），还要注意电源额定值、电压额定值和漏电流等指标。3) 在某些情况下，可能会自己用电感和电容来制作滤波器，而不用现成产品。这时要注意到线路的结构、元件的寄生参数、引线长度都可能是限制阻带宽度和插入损耗的关键因素，特别是当工作频率提高时，更不容忽视。4) 在实际使用中，由于设备所产生的杂讯中共模和差模的成分不一样，所采用的滤波电路也有变化，可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果。5) 如一级滤波器无法滤除干扰，可采用多级滤波器以减小电流扼流圈和电容的感量或容量要求。6) 滤波器对电压浪涌没有抑制能力，如要抑制电压浪涌，则必须在滤波器前端加避雷器、压敏电阻和固体放电管等过压抑制元件。第2讲 电子设备静电放电（ESD）防护2.1概述l静电是物体表面的静止电荷。物体在接触、摩擦、分离、感应、电解等过程中，发生电子或离子的转移，正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡，就形成了静电。当物体表面的静电场梯度大到一定的程度，正电荷和负电荷发生中和，就出现了静电放电（ESD）。静电放电可以出现在两个物体之间，也可由物体表面静电荷直接向空气放电。 2.1.1静电放电的危害静电作为一种普遍物理现象，近十多年来伴随着集成电路的飞速发展和高分子材料的广泛应用，静电的作用力、放电和感应现象引起的危害十分严重，美国统计，美国电子行业部门每年因静电危害造成损失高达100多亿美元，英国电子产品每年因静电造成的损失为20亿英镑，日本电子元器件的不合格品中不45是因为静电放电（ESD）造成的。不仅如此，由于ESD在许多领域给人们带来重大损失和危害；如在第一个阿波罗载人宇宙飞船中，由于ESD导致火灾和爆炸，使三名宇航员丧生。我国某次发射的卫星爆炸也是因为ESD引起的。广州五所曾对50余种型号130多个航空电子设备样品进行可靠性试验，共提供50余份电子元器件失效分析报告，其中由于使用问题占总数50。问题严重还在于很多人对静电危害的认识不足和防静电知识的无知，常把一些因ESD而造成的设备性能下降或故障，误认为是元器件早期老化失效。所造成的误区有以下几点：1.首先由于许多人对静电的产生不太了解，因为IKV 2KV以下的静电放电感觉不到的，但确能使器件因电击而受到损伤。（需知一般MOS电路和场效应管击穿电压约为300V）所以说静电的损伤是在人们不知不觉的过程中发生的。2.器件的失效分析比较困难，因为静电的损伤与其他瞬变过程的过电压造成的器件损伤有时是很难区分开来。3.有的器件在受静电损伤以后，并不是不能用，而是在特性有所下降，人们并不是当时就能发现，但已经造成了潜在的失效隐患，在将来某种特定的条件下，最终会导致器件失效，如器件氧化层出现一个孔，设备长时间工作后，金属化电迁移引起短路烧毁，从而导致设备故障。这种类型的静电损伤，将会大大的缩短元器件的使用寿命。4.有人错误的认为现在的集成电路，如MOS电路不少的生产厂家在设计上已采用了抗静电的保护电路，认为防静电并不一定需要。但是，人们在生产活动中，工作人员穿的化纤衣服，各种塑料制品包装，上述材料的滑动、磨擦、或分离，特别是在空气干燥的季节里，将会产生600V15000V的静电电压，如果湿度为20以下时，静电电压可高达3万伏。即使有保护对于静电放电的敏感器件也是非常危险的。静电主要是对半导体器件产生损伤，其失效模式如表14-1所示。有人认为静电仅对MOS类电路损伤，但不尽然，当静电电压高到某一限度时，对有些半导体器件也产生损伤。某厂在使用高频三极管3DGI42时发现了一个独特的现象，当工作人员在上班开始工作，那第一只管子测试时，常常发现是坏的，失效模式为发射结击穿，以后就全是好的，这种现象每天重复出现。经研究认为，这种失效是由静电引起的。当工作人员进入车间或实验室时，因在地板上走动时产生静电，加上自身衣服之间磨擦也会产生静电，所以当第一次拿管子时，在接触管子的瞬间静电释放，因而使管子损坏。于是，规定凡是第一次测试时，要先摸一摸地线，释放静电之后，再去拿管子，这个问题因此而得以解决。这个例子也说明，笼统地认为双极晶体管不是静电第三器件是错误的，特别是对于具有潜结构的高频或超高频晶体管，必须考虑防静电问题。件类型失效模式二极管反向漏电流增加，击穿电压降低 反向电压降增大 反向电压降增大三极管 发射极基极反向电流增加：击穿电压降低 值降低 噪声系数增大场效应管 栅源或栅漏短路 电极开路双极型数字电路 输入电流增加 失去功能双极型线性电路 输入失调电压增大，失调电流增大 MOS电容击穿短路 电极开路 电极开路MOS电路 输入或输出端与源或漏之间电流增大 其他参数退化 丧失功能表 2-1半导体器件ESD的失效模式 2.1.2 静电放电的定义静电放电（ESD-Electro static Discharge）具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移。也就是说，静电放电耦合到电子设备主要有两种方式：直接传导和空间耦合，耦合又分为电场耦合和磁场耦合。静电放电的特点静静电放电是高电位、强电场、瞬时大电流的过程。静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲（EMP）。静电放电的类型电晕放电 电晕放电一种高电位、小电流、空气被局部电离的放电过程。刷形放电 刷形放电是一种发生在导体与带电绝缘体之间，放电通道呈分散的树叉形形状的放电过程。火花放电 火花放电是一个瞬变的过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电”的火花通道，静电能量瞬时集中释放。14.2 ESD的损伤模型2.2.1 人体带电模型（HBM）HBM是根据带有静电的操作者在工作过程中与器件的管脚接触，将存储于人体的静电荷通过器件对地放电致使器件损坏而建立的，因此称为人体带电模型。可分为两种情况： 过电流的热效应模型：当带静电的人体接触器件并通过器件对地放电时，静电电流在PN结上必然产生焦耳热，结温约650700。核心温度可达到硅的熔点1415。形成不稳定的热斑甚至产生热击穿。 过电压的场击穿模型：当人体将静电荷传递给器件时，若器件对地无放电回路，器件上就会出现高压。由于过电压的作用，会导致MOS器件的栅氧化层被击穿或引起极间空气隙击穿致使器件失效。2.2.2 器件带电模型（CDM）CDM是基于已带电的器件通过引脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的。2.2.3 场感应模型（FIM）FIM是当器件处于静电场环境中时，在器件内部将感应出电位差，所感应的电位差引起器件击穿而建立的。2.3 人体静电电位。14.3.1 着不同鞋袜人体静电位。详见表2-2。 表2-2 着不同鞋袜人体静电位导电袜薄毛袜尼 龙袜 赤 脚 尼龙袜薄毛袜导电袜 赤 脚 尼龙袜薄毛袜导电袜 袜料 静电位（kV） 工作服 鞋 鞋 kV 3.53.04.02.0防静电鞋6.07.08.5a5. 5.0新皮鞋 5.0 防静电鞋20.0.01.0.019.19.020.0 橡胶底运动鞋 5.014.3.2 着不同鞋袜人体静电位。详见表2-3从表3中可以看出：湿度越高，其人体静电电位越低，效果十分显著。歼所以用增湿方法来防静电。表表2-3不同湿度人体静电位0.10.166在工作台上操作0.250.251212在乙烯树脂地板上行走1.20.620包工作说明书的乙烯树脂封皮1.51.2 1820从垫有聚氨基甲酸泡沫的工作椅上站起人体静电电位（kV）静电产生原因181.5.5； 35 35在合成纤维地毯上走动RH（6590）%90%RH（1020）%20%6.02.04.03.03.52.4 各类器件静电敏感度在采取静电防护措施时，必明确各类器件静电敏感度。各类器件的耐静电电压值 一般将静电敏感器件分为三级： 一级：0 2kV 二级：2 4kV 三级： 4 16kV一级器件应作重点控制，二级器件一般控制，抗16kV器件认为是非敏感器件。详细分类见表14-4。表2-4 ESD敏感器件分类和敏感电压范围元器件类型器件分类及敏感度 微波器件（肖特基二极管、点接触二极管及频率大于1GHz的检波二极管） MOS场效应管（MOSFET） 结型场效应管（JFET） 声表面波滤波器（SAW） 电荷耦合器件（CCD） 运算放大器（OP AMP） 集成电路（IC） 薄膜电阻器 可控硅整流器（Pt 100mW，It 100mA） 由第一级器件组成的混合电路 1GHz MOSMOSFET JFET SAW CCD OP AMP IC Pt 100mW