电磁干扰-电磁防护

1、 1.1 1.1 电磁兼容概述电磁兼容概述 1.2 1.2 电磁兼容学科研究内容、研究方法电磁兼容学科研究内容、研究方法 1.3 1.3 元件的非理想行为元件的非理想行为 第一章第一章 绪论绪论 1.1 电磁兼容概述电磁兼容概述 以半导体工业为基础和支柱的微电子技术迅以半导体工业为基础和支柱的微电子技术迅 速发展；速发展； 电磁波既有益于社会的发展，又是潜在的环电磁波既有益于社会的发展，又是潜在的环 境污染源境污染源 联合国确定联合国确定电磁环境污染电磁环境污染成为继空气、水质、成为继空气、水质、 噪声等污染之后的噪声等污染之后的第四大环境污染第四大环境污染。 喷气式民航飞机每喷气式民航飞机每

2、50001000小小 时的飞行平均遭一次雷击时的飞行平均遭一次雷击 1992年年9月月16日深圳国际机场因感日深圳国际机场因感 应雷电过电压导致应雷电过电压导致25套通讯、雷达、套通讯、雷达、 导航设备中有导航设备中有5套损坏，使机场停业套损坏，使机场停业 1996年白云机场由于雷电导致指挥年白云机场由于雷电导致指挥 系统故障系统故障 1961年，意大利发生了年，意大利发生了 “丘比特丘比特” 导弹武器系统的雷击事故导弹武器系统的雷击事故 1969年年11月美国土星月美国土星“V阿波罗阿波罗 12” 载人飞船在起飞后出现雷击事故载人飞船在起飞后出现雷击事故 对航空、电子设备的危害对航空、电子设

3、备的危害 电子战，在电子战，在1990年的海湾战争期间，美军采用电年的海湾战争期间，美军采用电 子干扰子干扰 战术来干扰伊拉克的武器系统，使之不战术来干扰伊拉克的武器系统，使之不 能正常工作；能正常工作；信息电磁安全与泄漏信息电磁安全与泄漏 对战争的影响对战争的影响 （1）高压击穿）高压击穿 （2）器件烧毁或瞬变干扰；）器件烧毁或瞬变干扰； （3）电涌击穿。）电涌击穿。 对电子元器件的损坏对电子元器件的损坏 高频辐射大于一定限值时，会使高频辐射大于一定限值时，会使 人产生失眠、嗜睡等植物神经功人产生失眠、嗜睡等植物神经功 能紊乱，以及脱发、白血球下降、能紊乱，以及脱发、白血球下降、 视力模糊、

4、晶状体混浊、心电图视力模糊、晶状体混浊、心电图 改变等症状受损有关联。改变等症状受损有关联。 中华人民共和国环境电磁波卫生标准中华人民共和国环境电磁波卫生标准规定：规定： 一级标准（小于一级标准（小于10伏米），二级标准（小于伏米），二级标准（小于25伏米）为中伏米）为中 间区，间区， 超过二级标准地区，对人体可带来有害影响；超过二级标准地区，对人体可带来有害影响； 对人类健康的影响对人类健康的影响 o 1881年英国科学家希维赛德发表了年英国科学家希维赛德发表了“论干扰论干扰”的文的文 章，标志着研究干扰问题的开端。章，标志着研究干扰问题的开端。 o 1888年德国物理学家赫兹首创了天线，第

5、一次把电年德国物理学家赫兹首创了天线，第一次把电 磁波辐射到自由空间，同时又成功地接收到电磁波，磁波辐射到自由空间，同时又成功地接收到电磁波， 用实验证实了电磁波的存在，从此开始了对电磁干扰用实验证实了电磁波的存在，从此开始了对电磁干扰 问题的实验研究。问题的实验研究。 o 1889年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题，使 干扰问题研究开始走向工业化和产业化。干扰问题研究开始走向工业化和产业化。 EMC的发的发 展展 o 二十世纪以来，随着通信、广播等无线电事业的发展，二十世纪以来，随着通信、广播等无线电事业的发展， 使人们逐渐认识到需要对各种电磁干扰进

6、行控制。使人们逐渐认识到需要对各种电磁干扰进行控制。 o 1944年德国电气工程师协会制订了世界上第一个电磁年德国电气工程师协会制订了世界上第一个电磁 兼容性规范兼容性规范VDE0878。 o 1945年美国颁布了美国最早的军用规范年美国颁布了美国最早的军用规范JAN-I-225。 成立了国家级以及国际间的组织对电磁干扰问题进行世界成立了国家级以及国际间的组织对电磁干扰问题进行世界 性有组织的研究。如：性有组织的研究。如： 国际电工委员会（国际电工委员会（IEC） 电气设备（含网络）间的电磁兼容委员会（电气设备（含网络）间的电磁兼容委员会（TC-77） 国际无线电干扰特别委员会（国际无线电干扰

7、特别委员会（CISPR） 国际电报电话咨询委员会（国际电报电话咨询委员会（CCITT） 电气电子工程师学会电磁兼容专业委员会（电气电子工程师学会电磁兼容专业委员会（IEEE-EMC） u 电磁骚扰电磁骚扰 (Electromagnetic Disturbance) 电磁噪声电磁噪声 (Electromagnetic Noise) 任何任何可能可能引起设备或系统性能下降，或对生命或无生命物引起设备或系统性能下降，或对生命或无生命物 质产生损害的电磁质产生损害的电磁现象现象，强调，强调任何可能的电磁危害任何可能的电磁危害现象现象 u 电磁干扰电磁干扰 (Electromagnetic Interf

8、erence - EMI) 电磁噪声（骚扰）所引起的设备、传输通路或系统性能的下电磁噪声（骚扰）所引起的设备、传输通路或系统性能的下 降强调电磁危害现象产生的降强调电磁危害现象产生的结果结果。分为。分为系统间干扰系统间干扰和和系系 统内干扰统内干扰 1.2 1.2 电磁兼容概念电磁兼容概念 GJB72-85 ： 设备（系统、分系统）在共同的电磁环境中能一起执行设备（系统、分系统）在共同的电磁环境中能一起执行 各自功能的共存状态，即设备不会由于受到处于同一电各自功能的共存状态，即设备不会由于受到处于同一电 磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允

9、许的降级； 也不会使同一电磁环境中其他设备（系统、分系统）因也不会使同一电磁环境中其他设备（系统、分系统）因 受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。 电磁兼容性（电磁兼容性（EMC）的确切定义：）的确切定义： 自自 然然 环环 境境 因因 素素 一一 般般 电电 磁磁 环环 境境 构构 成成 因因 素素 人人 为为 环环 境境 因因 素素 雷电电磁辐射源雷电电磁辐射源。 静电电磁辐射源。静电电磁辐射源。 太阳系和星际电磁辐射源。太阳系和星际电磁辐射源。 地球和大气层电磁场等。地球和大气层电磁场等。 各种电磁发射系统各种电磁发射系统：电视、广播发射台，无线电

10、台、：电视、广播发射台，无线电台、 站，导航系统，通信系统，差转台，干扰台，微波接站，导航系统，通信系统，差转台，干扰台，微波接 力站等。力站等。 工频电磁辐射系统工频电磁辐射系统： 高电压送、变电系统，大电流工高电压送、变电系统，大电流工 频设备，轻轨和干线电气化铁道等。频设备，轻轨和干线电气化铁道等。 工业、科学、医疗、商业领域应用的有电磁辐射的各工业、科学、医疗、商业领域应用的有电磁辐射的各 种设备或系统种设备或系统。 以电火花点燃内燃机为动力的交通工具和机器设备。以电火花点燃内燃机为动力的交通工具和机器设备。 各种家用电器、现代化办公设备、电动工具等各种家用电器、现代化办公设备、电动工

11、具等。 用于军事目的的强电磁脉冲源用于军事目的的强电磁脉冲源： 核电磁脉冲及非核电核电磁脉冲及非核电 磁脉冲源如电磁脉冲武器、高功率微波弹和各种电子磁脉冲源如电磁脉冲武器、高功率微波弹和各种电子 对抗辐射源等对抗辐射源等 电磁兼容学科的研究内容电磁兼容学科的研究内容 u骚扰源的研究骚扰源的研究 u骚扰的传输途径研究骚扰的传输途径研究 u敏感设备抗干扰能力的研究敏感设备抗干扰能力的研究 u电磁兼容性控制技术电磁兼容性控制技术 u电磁兼容性测量的研究电磁兼容性测量的研究 u电磁兼容标准电磁兼容标准、分析和预测研究、分析和预测研究 EMC的学科特点的学科特点 理论体系以电磁场理论体系以电磁场/ /电

12、路原理为基础电路原理为基础 一门新兴的综合性的交叉学科一门新兴的综合性的交叉学科 计量单位的特殊性计量单位的特殊性 大量引用无线电技术的概念和术语大量引用无线电技术的概念和术语 极强的实用性极强的实用性 极强地依赖于测量极强地依赖于测量 EMC的研究方法的研究方法 问题解决法问题解决法 规范法规范法 系统法系统法 EMIEMI的预测和分析的预测和分析 EMCEMC设计的有效性设计的有效性 EMIEMI的控制技术的控制技术 系统间电磁干扰的控制技术系统间电磁干扰的控制技术 系统内电磁干扰的控制技术系统内电磁干扰的控制技术 EMCEMC的仪器与测量技术的仪器与测量技术 元器件性能测试元器件性能测试

13、 设计及研制测试设计及研制测试 现场运行测试现场运行测试 电磁环境现场调研电磁环境现场调研 系统级电磁兼容性检验与质量认证性能测试系统级电磁兼容性检验与质量认证性能测试 系统内系统内EMI控制控制 在对电路进行分析时，往往在一定条件下，对实际在对电路进行分析时，往往在一定条件下，对实际 器件加以理想化，略去其次要性质，用一个足以表器件加以理想化，略去其次要性质，用一个足以表 征实际器件主要性质的理想元件来表示。即先用理征实际器件主要性质的理想元件来表示。即先用理 想元件建立在一定条件下反映实际电路基本特性的想元件建立在一定条件下反映实际电路基本特性的 模型，使问题得到合理的简化，然后对该电路模

14、型模型，使问题得到合理的简化，然后对该电路模型 进行定量分析。理想元件就是可精确定义并能表征进行定量分析。理想元件就是可精确定义并能表征 实际器件的主要电磁性质的一种理想化元件。实际器件的主要电磁性质的一种理想化元件。 1.3 元件的非理想行为元件的非理想行为 电尺寸和波电尺寸和波 当电路的最大尺寸小于波长的当电路的最大尺寸小于波长的1/10时，认为电路是电小尺时，认为电路是电小尺 寸，此时，适合利用集总参数电路模型和基尔霍夫定律来代寸，此时，适合利用集总参数电路模型和基尔霍夫定律来代 替麦克斯韦方程。替麦克斯韦方程。 v f ( , )cos()cos(2 )i z tItzIt z 半径为

15、半径为rw的圆形导线的直流电阻的圆形导线的直流电阻 2 w L R r 1.3.1 导线的电阻和内电感导线的电阻和内电感 集肤深度集肤深度 0 1 f 高频电阻高频电阻0 22 11 () 22 w hfdc www r rrf rrr 单位长度的直流电阻单位长度的直流电阻 2 1 lfdc w rr r 单位长度内电感单位长度内电感 0 , 8 i D C l 高频时单位长度内电感高频时单位长度内电感 0 , 211 () 4 i hfi DCw ww llr rrf 1.3.2 平行导线的外部电感和电容平行导线的外部电感和电容 外电感外电感 0 / ln( ) m e w Ls l Ir

16、总环路电感总环路电感 2 loopie LlL l L 单位长度电容单位长度电容 0 / ln( /) w Q L c Vs r 0 L Z C LC 常数, 特性阻抗 平行导线的平行导线的 集总参数等集总参数等 效电路效电路 1.3.3 元件引线的影响元件引线的影响 1.3.4 电阻电阻 复合型碳纤维电阻：复合型碳纤维电阻： 电感最小，精度稍电感最小，精度稍 差；差； 线绕型电阻：线绕型电阻：电感电感 最大，精度最高；最大，精度最高； 薄膜型电阻：薄膜型电阻：阻值阻值 比复合碳纤维型的比复合碳纤维型的 更为精密，电感小更为精密，电感小 于线绕型的。于线绕型的。 1.3.5 电容电容 典型的电

17、容类型：典型的电容类型： 陶瓷电容：陶瓷电容：5pF1F，高频特性好；，高频特性好； 钽电解电容：钽电解电容：1F1000F， 自谐振频率自谐振频率 对于噪声电流的转移，并联电容最好工作在高阻抗电路中。对于噪声电流的转移，并联电容最好工作在高阻抗电路中。 LOAD CNOISE CAPLOAD Z II ZZ 克服电容克服电容非非理想性的方法理想性的方法 大大 容容 量量 频率频率 衰减衰减 小电容 大电容大电容 并联电容 小容量小容量 简单的方案：大小电容并联，大电容抑制低频干扰、小电简单的方案：大小电容并联，大电容抑制低频干扰、小电 容抑制高频。容抑制高频。 三端电容器的原理三端电容器的原

18、理 引线电感与电容一起构成了一引线电感与电容一起构成了一 个个T形低通滤波器形低通滤波器 在引线上安装两个磁珠滤波效在引线上安装两个磁珠滤波效 果更好果更好 地线电感起地线电感起 着不良作用着不良作用 三端电容 普通电容普通电容 30 70 20 60 40 1GHz 衰减 谐振频率后移谐振频率后移 1.3.6 电感电感 磁芯磁芯/ /绕线方式对寄生电容的影响绕线方式对寄生电容的影响 铁粉芯铁粉芯(非导电）非导电） C = 4.28pf C = 3.48pf 19% 铁氧体（锰锌）铁氧体（锰锌） C = 51pf C = 49pf 4% 电感磁芯的选用电感磁芯的选用 锰锌：锰锌： r = 500 10000，R = 0.1100 m 铁粉磁芯：不易饱和、铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低导磁率低，作差模扼流圈的磁芯，作差模扼流圈的磁芯 铁氧体：最常用铁氧体：最常用 镍锌：镍锌： r = 10 100，R = 1k 1M m 超微晶：超微晶： r 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心，做大电感量共模扼流圈的磁心 v 空心线圈的电感量很小，使用导磁率空心线圈的电感量很小，使用导磁率 较高的材料作磁芯可大大地增加电感量。较高的材料作磁芯可大大地增加电感量。 1.3.7 1.3.7 铁氧体磁珠铁氧体磁珠 v 铁氧体基本上都是不导电的陶瓷材料，因此在高达几百铁氧体基本上都是不导电