电磁兼容技术概述课件

电磁兼容技术概述课件第一页，共108页。第二页，共108页。第三页，共108页。海湾战争以电子战为发端，在“沙漠风暴”开始之前５个小时，多国部队就派出EA-6B等专用电子对抗飞机，对伊拉克境内的雷达、通信、指挥设施和防空系统进行了强烈的电磁干扰，使伊军雷达荧光屏一片“白雪”，造成了伊军通信中断、雷达迷盲、指挥瘫痪、防空导弹失灵，大大提高了己方作战飞机的生存率和行动自由度。战后，美国海军反映，当战斗机编队有EA-6B电子干扰机护航时，几乎就没有受到伊军地对空导弹的攻击。实战结果再次证明，只有夺得整个战场的制电磁权，才能获取制空权，并进而以较少的损失赢得战争的胜利。

第四页，共108页。第五页，共108页。第一章概述本门课程的学习方法电磁兼容的基本概念电磁兼容性设计电磁兼容性设计所涉及的技术领域本门课程讲述的主要内容第六页，共108页。§0本门课程的学习方法本门课程的工程应用性特点非常明显本门课程与多个专业基础课有关联电磁兼容技术很大范围内主要依靠经验本门课程对后续的科研、开发工作意义重大教学和学习方法：课堂讨论、工程设计实例分析、搜查资料等。重要的不是记录文字，而是学会思考！第七页，共108页。§1电磁兼容的基本概念信号、干扰和噪声常见的干扰和噪声电磁干扰对电子电气设备工作产生的影响设备的抗干扰电磁兼容第八页，共108页。信号：对电子电气电路工作“有用”的电信号，包括待处理的电信号、希望产生的输出等。噪声：除“有用”电信号以外的所有电信号，均是噪声。噪声对电路的工作多少都有些影响。干扰：由噪声导致的“不希望”出现的结果称为干扰。第九页，共108页。噪声是产生干扰的原因，干扰则是噪声的后果；噪声是客观存在的，无法消除，而只能将它减小到不产生明显干扰的程度，即不产生干扰的程度。第十页，共108页。TTL的最小输出高电平（VOH）>2.4V，最高输出低电平（VOL）<0.4V。TTL的最小输入高电平（VIH）>=2.0V，最高输入低电平（VIL）<=0.8V，TTL的噪声容限是0.4V（意味着幅值小于0.4V的噪声将不会对TTL的工作产生影响）。

第十一页，共108页。举例说明：信号、噪声和干扰一些习惯说法：干扰信号、系统受到了干扰等。习惯上所说的“干扰”就是指能够引起干扰的噪声。第十二页，共108页。常见的干扰和噪声自然干扰：自然现象产生的各种电磁噪声。人为干扰：源自人们的生活和生产活动，主要是各种电子电气设备产生的干扰。列举一些常见的自然干扰和人为干扰第十三页，共108页。自然干扰大气噪声雷电（30MHz以下）太阳异常电磁辐射银河系无线电辐射150MHz-200MHz）宇宙射线（10MHz-30GHz）地震第十四页，共108页。人为干扰元器件固有噪声：热噪声、散粒噪声、接触噪声等。物理或电化学过程噪声：原电池噪声、摩擦噪声等。放电噪声：起源于放电过程，比如静电放电、电晕放电、辉光放电、弧光放电和高频电火花放电等。电磁感应：各种电磁波干扰。第十五页，共108页。通信广播：电视，广播，各种通信台站；电力系统：发电机，变压器，电力线；工业设备：各种电动机，电焊机，加热器，机床，控制器，计算机，搅拌机，继电器；交通运输：电动机车，导航系统,汽车点火装置（10MHz-100MHz）；医疗设备：电子医疗器械，X射线；办公设备：计算机，键盘，打印机，复印机，日光灯；家用电器：微波炉，风扇，吸尘器，冰箱；军事武器：核爆炸，电磁武器；常见的人为干扰第十六页，共108页。课堂讨论：电磁干扰对电子电气设备影响第十七页，共108页。课堂讨论：电磁干扰对电子电气设备影响第十八页，共108页。设备的抗干扰所谓“抗干扰”，就是设备抵御噪声信号、使之不对系统工作产生影响的性能。干扰与抗干扰，就像一对“矛盾”。单纯的抗干扰，很容易陷入“道高一尺、魔高一丈”的恶性循环。单纯抗干扰的成本越来越高、效果却越来越差。第十九页，共108页。§2电磁兼容性设计随着电子电气设备应用范围的日益广泛、功能日益复杂，电子电气设备所面临的电磁环境日益恶化。与此同时，却对电子电气设备抗干扰性能提出了愈来愈高的要求。事实也证明，盲目提高和改善电子电气设备抗干扰性能，不但浪费巨大，而且效果并不理想。在这种情况下，就逐渐从单纯的抗干扰技术，转向发展成了综合的电磁兼容技术。ElectromagneticCompatibility（EMC）第二十页，共108页。电磁兼容性电磁兼容性包含三个方面的含义：1、电磁环境应是给定或可以预期的；2、设备不应产生超过标准或规范所规定的电磁噪声；3、设备应满足标准所规定的电磁噪声敏感度限值的要求。所谓电磁兼容，是指在有限的空间、时间和频谱资源条件下，各种设备可以共存、并不产生相互不利影响状态。设备的电磁兼容性，即设备在指定的电磁环境中正常工作、且不对环境和环境中其它设备产生不利影响的能力。第二十一页，共108页。电磁兼容性设计明确电磁环境（制定相应的电磁兼容标准）设备的抗干扰设计抑制设备产生和发射电磁干扰噪声试验检测方法、手段、标准和设备第二十二页，共108页。电磁兼容性设计效费比越早进行电磁兼容设计，手段越多、效果越好、费用越低。第二十三页，共108页。干扰的产生、传播、作用抑制干扰最有效的方法：在干扰源处对干扰进行抑制。电磁兼容措施必须综合治理，全局考虑。第二十四页，共108页。电磁兼容性设计必须考虑环境和条件不同的使用条件有不同的电磁环境；不同的使用环境有不同的电磁兼容要求；不同的使用环境有不同的成本等要求；电磁兼容没有放之四海皆准的标准，必须因地制宜。航空航天、军事设备、武器系统、医疗设备、电网系统、交通运输、家用电器、娱乐设备等第二十五页，共108页。电磁兼容措施实例第二十六页，共108页。电磁兼容设计的基本原则不单纯追求抗干扰性能；自始至终，全程参与；从源头下手，标本兼治；全局考虑，不留死角；与时俱进；因地制宜，充分考虑性能、成本、可靠性等之间的综合效益；根据系统特点，对症下药；第二十七页，共108页。§3电磁兼容性设计所涉及的技术领域电磁兼容是一门综合性科学，所涉及的主要技术领域包括： 电路原理、电磁场理论、电子电路、计算机技术、仿真技术、试验技术等等。我们在本门课程的学习中，主要涉及电路原理、基本的电磁场理论、计算机技术和电力电子技术。第二十八页，共108页。§4本门课程讲述的主要内容（受课时限制，主要讲述抗干扰的内容）详细介绍五种类型的干扰；不同干扰产生的机理、如何干扰系统；针对不同的干扰，主要的抗干扰措施；典型系统的抗干扰设计分析（微机系统和电力电子系统）；介绍一些常用的电磁兼容器件；第二十九页，共108页。考试及平分标准平分标准：平时成绩10%＋综合设计30%＋期末考试60%。考试采用开卷考试，题型主要是问答题。综合设计 题目： ×××系统的电磁兼容（抗干扰）设计 论文＋答辩 需要事先准备好PPT，课堂5分钟讲述时间，5分钟左右讨论答辩时间。第三十页，共108页。第二章抗干扰技术噪声从噪声源，经传播途径，进入系统，干扰系统工作（敏感设备）。可以从上述任何环节抑制干扰：抑制噪声的产生、阻断干扰的传播、提高设备的噪声容限。从噪声源处抑制噪声产生，效果最明显，但有时不易实现。所有噪声都是通过一定的传播途径进入系统，因此在噪声传播途径上切断噪声的传播就成为最现实和有效的选择之一。第三十一页，共108页。区别干扰的标准有很多，此处按照干扰传播（耦合）途径的不同对干扰进行分类。根据干扰进入系统途径的不同，干扰常被分为五类：传导干扰、公共阻抗干扰、电场耦合干扰、磁场耦合干扰、电磁场耦合干扰。对于每种干扰，要求掌握：各种干扰的特点、干扰进入系统的机理、根据实例进行分析、抑制干扰的原理和主要方法。第三十二页，共108页。§1传导干扰外界干扰通过电气连线，直接传导进入敏感设备。特点：干扰进入设备的途径是电气连线。传导干扰是在一般电气系统最普遍的干扰形式。大部分干扰在进入系统后，都会转变成传导干扰的形式，在整个系统内部蔓延。第三十三页，共108页。传导干扰举例传导干扰是普遍存在的传导干扰极易在系统内部通过电气连线传递系统间的设备会通过电气连线相互传导干扰（传导干扰）第三十四页，共108页。课 堂 讨 论1、干扰通过电气连线进入系统，会出现什么情况？干扰将和信号混杂在一起。2、如何抑制传导干扰？利用干扰和信号之间的差异，将干扰“过虑”掉。3、有哪些差异可以被利用呢？两者一般在源阻抗、能量、频谱、持续时间等方面都有很大的不同。第三十五页，共108页。因此抑制传导干扰的关键和前提是找出信号和传导噪声之间可以被利用的差异。第三十六页，共108页。利用源阻抗的差异对传导干扰进行抑制一般而言，干扰源的阻抗较大，而信号源的阻抗较小。如何利用这个特点？降低敏感设备的输入阻抗。第三十七页，共108页。课堂讨论：光耦如何达到抑制传导干扰目的？光电耦合器是一种常用的电磁兼容器件。利用光耦输入阻抗低的特点，可以用来抑制传导干扰。光耦利用光来传递信号，从源头上切断了干扰传导的途径，因此成为抑制传导干扰最常用的器件之一。第三十八页，共108页。课堂讨论：光耦在应用上有什么限制？光耦一般只适于传递数字信号，若要传递模拟信号，还需要特殊的设计和电路。分布电容的存在，会为高频传导噪声提高一条进入系统的途径。第三十九页，共108页。利用频谱的差异对传导干扰进行抑制一般而言，干扰的频谱较高，而信号的频谱较低。如何利用这个特点？加设各种滤波器，其中最常用的滤波器是低通滤波器（LPF）第四十页，共108页。常用的几种低通滤波电路第四十一页，共108页。电磁兼容中滤波器的几个设计原则：1、结构简单2、尽量采用无源器件3、电感、电容必须仔细选型、小心使用4、对于高频干扰，器件的分布参数影响很大第四十二页，共108页。课堂讨论：为什么尽量不采用有源器件设计EMC滤波器有源器件本身对噪声相对比较敏感，因此并不适合用于EMC设计。即是使用有源器件，也应对电信号进行必要的预处理。第四十三页，共108页。课堂讨论：普通电感和电容用于EMI有何限制？线绕电感匝间的分布电容影响电感的高频特性如何减小绕线匝间电容和引线电感的影响？电容引线上的分布电感也有类似的效果第四十四页，共108页。常用电路抗干扰滤波器铁氧体磁珠三端电容穿心电容第四十五页，共108页。铁氧体磁珠第四十六页，共108页。三端电容第四十七页，共108页。穿心电容第四十八页，共108页。对于频率较低的传导干扰，如何滤除？要滤除低频传导干扰，有什么困难？如果采用滤波器，不可避免使用较大的电容和电感。有什么更好的方法？采用数字方法，比如数字滤波、坏值剔除等。第四十九页，共108页。如果传导干扰已经进入系统，怎么办？可以考虑系统本身的抗扰性。数字化是一个不错的选择。为什么数字系统的抗扰性要强于模拟系统？第五十页，共108页。提高系统抗扰性实例之一：采用数字信号第五十一页，共108页。提高系统抗扰性实例之二过零比较器问题的特征：有用信号很弱，干扰相对很强。怎么办？第五十二页，共108页。采用滞环比较器第五十三页，共108页。小结传导干扰是通过电气连线传导进入系统的一种干扰，切断系统与外界的电气连线可以从根本上解决传导干扰的入侵。由于系统内部大量存在电气连线，传导干扰的存在非常普遍。大部分干扰在进入系统后都会演变成传导干扰。抑制传导的关键在于找出传导干扰与信号之间可以被利用的差异。分布参数的存在，使得EMC更加复杂和困难。如果传导干扰无法利用“一般”方法剔除，可以考虑数字化、运算处理等“先进”方法。第五十四页，共108页。§2公共阻抗干扰Za、Zb、Zc的存在会对电路的工作产生什么影响？噪声电流在系统间的公共阻抗上产生噪声电压，并由此对系统的工作产生干扰。第五十五页，共108页。公共阻抗干扰举例公共阻抗干扰和传导干扰很容易混淆：公共阻抗干扰很多（大多）最终以传导的方式进入系统。两者的区别更多在最终的成因上。公共阻抗干扰往往是相互的第五十六页，共108页。公共阻抗干扰的特点系统间存在公共阻抗，也就是有共同的电流通道。系统工作产生的噪声电流将流过系统间的公共阻抗。公共阻抗普遍存在，至少是所有的导线都存在分布电感和电阻。对于公共阻抗干扰，在电气连线中，分布电感的作用远大于电阻，因此大多数情况下，更关注高频公共阻抗干扰。公共阻抗干扰对于不同的系统有不同的影响。第五十七页，共108页。公共阻抗干扰的影响前级将小信号放大，后级实现功率放大。哪个方案更好？同样存在公共阻抗干扰，但如果以电源的负极作为电位的基准，左边方案中前级受到的干扰更严重，因为相对于后级，前级更容易受到干扰。虽然公共阻抗干扰往往是相互的，但影响却可能有很大的差异第五十八页，共108页。公共阻抗干扰的一种典型形式共地阻抗干扰广泛存在于各种接地环节（包括电源的供电系统和参考电位）为了抑制其影响，有多种接地方案接地的一种作用：作为参考电位第五十九页，共108页。接地结构简单，但公共阻抗干扰的影响最严重。第六十页，共108页。接地结构复杂，但公共阻抗干扰的影响较小。第六十一页，共108页。复合式单点接地将线路或装备加以归类，而同时使用串联与并联法，可同时兼顾降低公共阻抗干扰影响和简化接地结构的优点。第六十二页，共108页。公共阻抗干扰的另一种典型形式对于电源内部的反馈电路，如果负载较大、负载电流中的脉动较大，而线路又较长，这种设计有什么问题？干扰影响反馈采用独立的反馈信号通道，可以消除公共阻抗干扰的影响。第六十三页，共108页。对于一些应用，尽可能靠近电源是一个不错的选择。第六十四页，共108页。公共阻抗干扰的抑制措施根据公共阻抗干扰的特点，常采取以下抑制措施：减小公共阻抗，也即是尽量减小连线的公共阻抗；避免噪声电流流过公共阻抗；尽可能减小敏感环节受干扰的程度；下面简单举例说明第六十五页，共108页。公共阻抗干扰抑制措施之一：PCB设计80196电源线信号线分清连线性质，合理设计连线的宽度和走向。第六十六页，共108页。PCB板上的电源网线可以大幅度减小公共阻抗干扰PCB板上的电源网线第六十七页，共108页。电源去耦是电路设计中最常用的电磁兼容措施之一；特别是对于微机这样的高速电路，电源去耦非常必要；公共阻抗干扰抑制措施之一：电源去耦第六十八页，共108页。电源线电感储能电容此环路的阻抗尽可能小从另一个角度看电源去耦第六十九页，共108页。高速集成电路芯片有多个电源引脚。去耦电容就近与电源引脚连接。采用高频特性好的电容器。电解电容高频特性很差，因此常采用组合方案。电解电容抑制低频噪声高频小容量电容抑制高频噪声提高电源去耦的效果之一第七十页，共108页。集成电路内部包含多个部分，各部分都需要连接电源，采取多个电源引脚，可以减小电源部分公共阻抗的影响。第七十一页，共108页。就近连接去耦电容是十分重要的，必要的情况下，有时不得不采取“极端”的做法。第七十二页，共108页。电源地铁氧体注意铁氧体安装的位置接地线面细线粗线用铁氧体增加电源端阻抗用细线增加电源端阻抗提高电源去耦的效果之二第七十三页，共108页。课堂讨论：为什么很多模数混合系统都建议将数字地与模拟地分开？模拟系统很容易受到数字电路的干扰第七十四页，共108页。课堂讨论：为什么数字电路容易产生干扰？数字信号自身的特点决定了数字电路是一个非常严重的干扰源，特别是高速数字电路。第七十五页，共108页。公共阻抗干扰小结噪声电流流过系统之间的公共阻抗，就可能产生公共阻抗干扰。公共阻抗干扰与传导干扰，定义上各有侧重，不要混淆。由于电源引线就存在公共阻抗，因此公共阻抗干扰是普遍存在的。抑制公共阻抗干扰的关键有两点：减小公共阻抗、减小流过公共阻抗的噪声电流。公共阻抗干扰对于不同的系统可能有不同的影响。第七十六页，共108页。系统间通过磁场传递的干扰，就是电感耦合干扰（磁场耦合干扰）§3电感耦合干扰第七十七页，共108页。根据电感耦合的定性公式，可以总结出以下特点：主要通过磁场传播，与系统间的互感有关。干扰磁场主要由干扰电流产生，与电流大小有关。与干扰电流的频率有关。电感耦合干扰的特点第七十八页，共108页。根据电感耦合干扰的特点，可以总结出以下抑制措施：减小系统间的互感－改变系统间的相对位置阻挡磁力线－磁屏蔽降低系统阻抗－减小干扰电压的影响电感耦合干扰的抑制第七十九页，共108页。减小系统之间的互感，抑制电感耦合干扰减小系统间的互感，是抑制电感耦合干扰最直接的方法；具体的做法包括增大系统之间的距离，改变系统之间的相对位置等；在体积和范围没有太大限制的场合，不失是一个十分有效和简单的方法，并得到广泛采用；其应用范围和有效性有时会受到很大的限制，特别是在一些装置和电子产品中；第八十页，共108页。H1磁场屏蔽主要是依赖高导磁材料所具有的低磁阻，对磁通起着分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大大减弱。磁场屏蔽通常是对直流或甚低频磁场的屏蔽，其效果比对电场屏蔽和电磁场屏蔽要差得多，因此磁场屏蔽是个棘手的问题。磁场屏蔽的关键是减少屏蔽体的磁阻：选用高导磁率的材料，如坡莫合金；增加屏蔽体的壁厚；磁 场 屏 蔽笨重、昂贵第八十一页，共108页。涡流产生的磁场抵消了部分干扰磁场，从而保护了系统。为了提高利用涡流抑制高频磁场干扰的效果，有什么方法？提高屏蔽层的导电性；保证电流通路的完整；确保屏蔽层与磁场的相对位置；对付高频磁场干扰，还有更好的方法第八十二页，共108页。变压器利用涡流进行磁场屏蔽实例注意屏蔽层的包裹方式。它为什么要这样包裹？这是一个音频功放中使用的工频变压器；在高频开关电源中，利用涡流进行高频磁场屏蔽更加普遍；第八十三页，共108页。抑制低频电感耦合干扰的限制什么情况下利用涡流抑制电感耦合干扰效果更好？对于频率越高的电感耦合干扰，感应产生的涡流越大，抵消的磁场也越强，抑制效果越好。高频电感耦合干扰借助涡流效应，比较容易消除。但是，对于低频电感耦合干扰，如果还想利用涡流进行抑制，会有什么限制？对导体的导电率提出非常苛刻的要求，难以实现。抑制低频电感耦合干扰，磁屏蔽往往是唯一选择。从而不得不承受笨重、“愚蠢”的屏蔽体。第八十四页，共108页。低频磁场屏蔽产品第八十五页，共108页。磁屏蔽材料的频率特性151015坡莫合金金属镍钢冷轧钢0.010.11.010100kHzr103没有一种材料可以满足从低频到高频范围磁屏蔽的需要。第八十六页，共108页。磁屏蔽设计实例高导电材料高导磁材料高导电材料电磁兼容领域的“综合治理”－发挥各自优势，综合对付干扰。第八十七页，共108页。双绞线对外界磁场有一定的抑制作用。双绞线也可以抑制自身电流产生的干扰磁场。磁场屏蔽的效果与“绞距”有关。利用双绞线实现磁场屏蔽第八十八页，共108页。减小敏感系统的阻抗对于同样大小的电感耦合干扰，系统的阻抗越小，干扰产生的影响也就越小。这和我们前面说过的什么概念是吻合的？电感耦合干扰进入系统之后，转变成了传导干扰。能不能找出这种方法的一个实例？示波器探头对空间中广泛存在的50Hz磁场耦合干扰非常敏感，但在进行正常的实际测量时，却影响不大。第八十九页，共108页。“电感耦合干扰”小结电感耦合干扰是由于系统间存在磁场耦合、其中一个系统产生的磁场通过磁场耦合进入另一个系统形成的。电感耦合干扰的特点有三个：与系统间互感有关、与（产生）磁场（的电流）大小有关、与电流的频率有关。分析和抑制电感耦合干扰直接从其三个特点下手。适当改变系统之间的相对位置，减小互感是首先需要考虑的措施，磁场屏蔽实现受到很多限制。利用涡流抑制电感耦合干扰的方法非常简单，但只对频率较高的干扰有效。低频电感耦合干扰是比较难以抑制和消除的。第九十页，共108页。§4电容耦合干扰Un=?所谓“电容耦合干扰”，就是系统间通过电场耦合的干扰，因此也称为“电场耦合干扰”。第九十一页，共108页。根据电容耦合的定性公式，总结出以下特点：通过电场传播，与系统间分布电容有关。干扰电场主要由干扰电压产生，与电压大小有关。与干扰电压的频率有关。与系统的对地阻抗有关。电容耦合干扰的特点第九十二页，共108页。电容耦合干扰的抑制根据电容耦合干扰的特点，可以总结出以下抑制措施：减小系统间的分布电容－改变系统间的相对位置。阻挡电力线－电场屏蔽（静电屏蔽）。降低系统的对地阻抗－减小干扰电压的影响。第九十三页，共108页。减小系统间分布电容，抑制电容耦合干扰减小系统间的分布电容，是抑制电容耦合干扰最直接的方法；最常用的做法包括增大系统之间的距离；在体积和范围没有太大限制的场合，不失是一个十分有效和简单的方法，并得到广泛采用；其应用范围和有效性有时会受到很大的限制，特别是在一些装置和电子产品中；第九十四页，共108页。电场屏蔽（静电屏蔽）所谓电场屏蔽，就是利用处于零电位的金属体，对电场进行“阻隔”屏蔽。第九十五页，共108页。电场屏蔽的特点电场屏蔽具有“双向”性，既能阻挡外部电场的进入，也能阻挡内部电场的外泄。屏蔽体要求良好接地（零电位点）。屏蔽体的厚度没有要求。要求屏蔽体有良好的导电性和完整性？为了保证屏蔽体的零电位，对付高频的电场耦合干扰，必须提高屏蔽体的导电性和完整性。第九十六页，共108页。通风口显示窗键盘指示灯电缆插座调节旋钮电源线缝隙在实际的产品装置中，静电屏蔽的完整性受到很大的限制。第九十七页，共108页。“电容耦合干扰”小结电容耦合干扰是由于一个系统产生的电场进入另一个系统形成的。特点有四个：与分布电容有关、与（产生）电场（的电压）大小有关、与（电场）电压的频率有关、与系统的对地阻抗有关。分析和抑制电容耦合干扰直接从其特点下手。适当改变系统之间的相对位置，减小分布电容是首先需要考虑的措施。静电屏蔽是抑制电容耦合干扰最常用和最有效的措施。静电屏蔽的效果取决于：屏蔽体的电位、导电性和完整性。第九十八页，共108页。§5电磁场（辐射、耦合）干扰在电感耦合和电容耦合干扰的讨论中，采用集总参数、利用等效电路来进行分析；进一步深入的分析应