第一部分基本概念教学课件.PPT

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1、第一章 基本概念 n电磁兼容 n电磁干扰现象 n电磁兼容标准 n电磁兼容试验 n频域与时域 n分贝的概念 电磁兼容 n 电磁兼容（Electromagnetic Compability,简称EMC)的 定义如下两种： 1.IEC60050(161)（IEC-Internal Electronic COmmittee即国际电工委员会）电磁兼容术语对电 磁兼容的定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工 作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰 的能力。” 2.电磁兼容是研究在有限的空间，有限的时间，有 限的频谱资源条件下，各种用电设备(分系统、系统，更 广义的还包括生物体)可以共存并不致

2、引起降级的一门学 科。” EMD&EMI n（1）电磁骚扰（EMD，ElectroMagnetic Disturbance） 电磁骚扰是“任何可能引起装置、设备或系统性能降级或对有生命 或无生命物质产生作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、 无用信号或传播媒介自身的变化”。 n（2）电磁干扰（EMI，ElectroMagnetic Interference） 电磁干扰是“电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降” 。电磁骚扰仅仅是电磁现象，即客观存在的一种物理现象，它可 能引起设备性能的降级或损害，但不一定已经形成后果。而电磁 干扰是由电磁骚扰引起的后果。过去在术语并未将物理现象与其 造

3、成的后果明确划分，统称为干扰（Interference）。IECS0（161 ）于1990年发布后，引入了Disturbance这一术语（中文译为“骚 扰”）给出了明确的区分。但是为了方便，通常人们分析电磁干扰 问题时常常是与电磁骚扰联系在一起讨论，或统称为电磁干扰。 电磁干扰现象 开关电源 数字脉冲电路 数 字 视 频 设 备 220AC EMC三要素 n1电磁干扰源：指产生电磁干扰的任何 元件、器件、设备、系统或自然现象。 n2耦合途径或称耦合通道：指将电磁干 扰能量传输到受干扰设备的通路或媒介。 n3敏感设备：指受到电磁干扰的设备， 或对电磁干扰发生影响的设备。 产生电磁干扰的条件 1.

4、突然变化的电压或电流，即dV/dt 或 dI/dt 很大 2.辐射天线或传导导体 设计中，遇到电压、电流的突然变化，千 万要考虑潜在的电磁干扰问题 常见干扰源 雷电 NEMP 脉冲电路 ESD 无线通信 感性负载通断 直流电机、变频调速器 电磁兼容标准 n为了确保设备及其各单元必须满足的电 磁兼容工作特性，国际有关机构、各国政 府和军事部门以及其他相关组织制定了一 系列的电磁兼容性标准。标准对设备电磁 骚扰发射和电磁抗扰度作出了规定和限制 。电磁兼容性标准是进行电磁兼容性设计 的指导性文件，也是电磁兼容性试验的依 据，因为试验项目、测试方法和极限值等 到都是标准给定的。 电磁兼容标准的内容 电

5、磁兼容标准 干扰发射 敏感度 传 导 辐 射 传 导 辐 射 电源线 信号/控制线 天线端口 电 场 磁 场 电源线/信号线 射频 瞬态 天线端口 电 场 磁 场 静 电放电 电磁兼容标准体系 基础标准 电磁兼容标准 通用标准 产品标准 被引用到 被引用到 产品的电磁兼容标准遵循原则 n产品依照标准的原则依照如此的顺序：专用产 品类标准产品类标准通用标准 n即一个产品如果有专用产品类标准，则他的 EMC性能应该满足专用产品类标准的要求；如果 没有，则应该采用产品类标准进行EMC试验，如 果没有产品类标准，则用通用标准进行EMC试验 ，以此类推。 标准编号的识别 国家或组织组织 制订单订单 位

6、标标 准 编编 号 IEC CISPR CISPR Pub. IEC TC77 IEC 欧共体CENELEC EN 美国FCC，DOD FCC Part , MIL-STD. 日本 VCCI VCCI 中国 质量技术监督 局, 国防部门 GB - GJB - 电磁兼容标准的组织和标准介绍 nIEC（国际电工委员会）：有两个平行的组织制订EMC标准，CISPR和TC77。 nCISPR（国际无线电干扰特别委员会）：1934年成立。目前有七个分会：A分 会（无线电干扰测量方法与统计方法）、B分会（工、科、医射频设备的无线电干 扰）、C分会（电力线、高压设备和电牵引系统的无线电干扰）、D分会（机动车

7、 和内燃机的无线电干扰）、E分会（无线接收设备干扰特性）、F分会（家电、电 动工具、照明设备及类似电器的无线电干扰）、G分会（信息设备的无线电干扰） 。 nTC77（第77技术委员会）：1981年成立。目前有3个分会：SC77A（低频现 象）、 SC77B（高频现象）、 SC77C（对高空核电磁脉冲的抗扰性）。 nCENELEC（欧洲电工标准化委员会）：由欧共体委员会授权制订欧洲标准EN 。EN标准中引用了很多CISPR和IEC标准，其对应关系如下： nEN55 = CISPR标准， （例： EN55011 = CISPR Pub.11） nEN6 = IEC标准， （例： EN61000-4

8、-3 = IEC61000-4-3 Pub.11） nEN50 = CENELEC自定标准， （例： EN50801 ） 电磁兼容标准的组织和标准介绍 nFCC（联邦通信委员会）：主要制订民用产品标准， 关于电磁兼容的标准主要包括在FCC Part15和FCC Part 18中。 nMIL-STD（美军标）：典型的是MIL-STD 461。 nVCCI（干扰自愿控制委员会）：民间机构，其标准与 CISPR和IEC一致。 nGB（中国国家标准）：基本采用CISPR和IEC标准，目 前已发布57个。 nGJB（中国军用标准）：基本采用美军标，例如 GJB151A = MIL-STD 461D， 电

9、磁兼容试验场地 电磁发射试验 敏感度或抗扰度试验： 开阔场（民用标准） 屏蔽暗室 可在普通环境中，但 是注意对周围设备的 影响，强电磁波会对 附近的人员造成伤害 辐射发射测试 EUT 旋转找最大面 0.8m 1 4m 1、3、10、30 米 屏蔽墙 测试仪 辐射发射测试 n测量场地：GB要求在开阔场地中测量，GJB要求在屏蔽半无反射室中测 量，由于电磁环境日趋恶化，开阔场中的背景干扰往往严重影响测量，因 此，GB测量也开始在屏蔽半无反射室中做，但要求半无反射室中的电磁场 分布与开阔场近似。 n天线到EUT（被测设备）的距离：GB要求为3米、10米或30米，GJB要 求为1米； n测量内容：GB

10、仅测量电场辐射发射，GJB对电场辐射和磁场辐射都要测 量； n测量频率范围：GB规定的测量范围为30MHz 1GHz，随着时钟频率的 升高，有扩展到18GHz的趋势，GJB规定的测量频率范围为10kHz 18GHz ， 辐射发射测试 nEUT的布置：GB和GJB都要求EUT按照实际工作状态布置（互联电缆和 所连接的外部设备全部按实际状态连接），GB要求EUT放置在木制测试台 上，GJB要求EUT放置在金属板上。距离地面的距离为0.8米； n检波方式：干扰测量仪的读数与检波方式有关，因此标准中都明确规定 检波方式，GB要求准峰值检波，GJB要求峰值检波； n最大辐射点：与处理电磁兼容问题的原则相

11、同，仅关心最坏情况。因此 ，以EUT的最大辐射值为测量结果。最大辐射值的含义有4个，第一：EUT 的工作状态处于最大辐射状态，第二：EUT最大辐射面对着天线，第三： 天线的极化方向为接收最大场强的方向，第四：天线的高度为接收最大场 强的位置。GJB中，没有第四点的要求，即，天线的高度是固定的。 n注意点：设备上的电缆是主要的辐射源，因此测量的结果往往与电缆的 摆放位置有很强的相关性。这是导致测量结果不能重复的重要原因之一。 所以在测量时，尽量使电缆的位置固定。 浪涌（模拟雷电干扰）试验装置 信号电缆用的 耦合解耦网络 接电网 接辅助设备 EUT发生器或耦合器之 间的电缆小于2米 保护地线要能够

12、 承受浪涌电流 浪涌敏感度试验波形 10s 0.5s 50s 1.2s 8s 20s 电压 电流 t t t 电压 电快速脉冲试验装置 容性卡钳距参考地 100mm,轮流卡每根电缆 EUT与参考地平面 之间的距离大于 100mm 参考地平面的每个边 要超出EUT100mm并 与大地相连 EUT与发生器或 卡钳之间的电源 线或信号线长度 小于1米 脉冲群 信号源 连辅助设 备与端接 电快速脉冲试验波形(模拟感性负载断开) 双指数脉冲 15ms脉冲串 (5kHz) 脉冲串间隔是 300ms 静电放电现象 放电电流 I 1ns100ns I t 人体放电波形 静电放电试验装置 水平耦合板 1.60.

13、8m EUT绝缘垫 垂直耦合板 500mm正方形，距EUT100mm 直接对EUT放电 垂直板间接 放电 绝缘桌 参考地板 1m2 边沿比耦合板外延 500mm 耦合板通过470k电阻接地 对于落地设备，水平耦合板=垂直耦合板，EUT放在100mm厚的绝缘板上 水平板间接放电 ESD n根据静电放电对设备造成危害的机理，静电放电试验也从两个方 面进行，一种是直接放电试验，另一种是感应场试验。 n直接放电试验：这种试验模拟了在实际环境中，导电物体与设备 接触时发生的静电放电现象。按照标准的要求，对设备上能够被触 及的部位都要做这个试验。当在某个部位发生静电放电时，静电放 电电流直接经过设备流向大

14、地，具体采取什么路径取决于设备的结 构。 n直接放电试验又分为接触放电和非接触放电。接触放电试验中， 放电针直接与受试设备接触。非接触放电试验中，放电针不直接与 受试设备接触，通过火花放电。非接触放电模拟了实际中的情况， 因为在实际中，带电物体都是逐渐接近设备的。 ESD n感应放电：这个试验不是直接在受试设 备上放电，而是在附近的接地金属板上放 电，当发生放电时，金属板附近会产生电 磁场，试验的目的是看设备是否会受到这 个电磁场的影响。这个试验模拟了设备附 近一个设备发生静电放电的情况。 试验波形 不仅静电的幅度会影响试验的结果，而且 干扰的波形也很重要。为了保证实验的可 重复性，和与现实中

15、干扰的相似性，对波 形明确定义是十分必要的。 分贝(dB) 的概念 分贝的定义：分贝数 10lg P2 P1 P1、P2 是两个功率数值，对于电流或电压，定义如下： 电压增益的分贝数 20lg V2 V1 电流增益的分贝数 20lg I2 I2 电磁兼容中为什么喜欢用分贝 n使用分贝数的好处是，用较小的坐标可 以描述很宽的范围。由于在EMC中，干扰 的幅度范围和频率范围都很宽，因此用分 贝描述更加方便。 用分贝表示的物理量绝对数值 n分贝也可以表示各个物理量的绝对数值，表示这个物 理量与某一个参考数值的比较。当以“1”为参考值时，各 个物理量的单位就变成用分贝表示的形式。下面是一些 常用的物理

16、量单位： 电压 电流 电场强度 功率 dBV, dBV dBA, dBA dBV/m dBW, dBmW n例如：1V = 0dBV ，100V = 40dBV 用分贝表示的物理量 电压：用1V、1mV、1V 为参考（例如：1V = 0dBV） 则单位为：dBV、dBmV、dBV 等， 电流：用1A、1mA、1A 为参考，则：dBA、dBmA、dBA 场强：用1V/m、1V/m 为参考，则：dBV/m、dBV/m 等， 功率：用1W、1mW 为参考，则：dBW、dBm等， 频域分析 时域波形频谱分量 付立叶级数(周期) 付立叶变换(非周 期) EMC分析更多是在频域中进行，并且不 考虑相位因素

17、。 示波器观察频谱分析仪观察 频谱分析仪 幅度 频率 扫描速率 （时间） 分辨带宽 频率范围 频谱分析仪 n频谱分析仪是做电磁兼容诊断、测量的重要工具。 n频谱分析仪能够快速地在较宽的频率范围内扫描，因此是诊断电磁干扰 发射的方便工具。使用频谱分析仪时需要注意的问题： 频谱分析仪不能观测瞬间干扰，如静电放电、雷电等； 频谱分析仪的扫描时间不能设置得太短，即不能使扫描速度太快； 从频谱分析仪屏幕上读取频率与幅度数据时，其精度与频谱仪的扫描范 围有关，范围越窄，精度越高； 当输入信号过大时，频谱分析仪会发生过载，使读取的幅度数据比实际 的小，用输入衰减器可以避免过载； 减小频谱仪的中频带宽可以提高

18、仪器的灵敏度（和选择性），但扫描时 间会更长； 宽带信号的幅度会随着中频分辨带宽的增加而增加； 电磁干扰(EMI)接收机 电磁干扰(EMI)接收机是另一种测量电磁干扰的设备，许多 人在选购仪器时搞不懂接收机与频谱仪之间的区别，下面做一 简单比较： 所有的接收机都标准配置预选器（频谱仪需要选配），能 够有效地抑制带外噪声； 所有的接收机用基频混频方式（频谱仪使用基频和谐频混 频），具有较高的灵敏度； 接收机的中频滤波器为矩形（频谱仪的中频滤波器为高斯 形），具有更好的选择性； 接收机适合于正式测量，不适合于诊断。 脉冲信号的频谱 T 1/d 1/tr d tr 谐波幅度 （电压或电流 ） 频率（

19、对数 ） -20dB/dec -40dB/dec A V( or I) = 2A(d+tr)/T V( or I) = 0.64A/Tf V( or I) = 0.2A/Ttrf2 电磁兼容分析中的化简 n在分析电磁兼容问题时，有两个特殊条 件可以利用，使问题简化。一个是通常不 考虑相位，仅考虑频谱的幅度；另一个是 ，通常考虑最坏情况。因此，在分析中， 常将频谱用最大幅度的包络线来表示。 周期性脉冲信号的频谱包络 n图中所示的是周期性脉冲信号的频谱包络线。周期 信号对应的频谱是离散谱，每根谱线的距离是脉冲重 复频率的整倍数。这个包络线上有两个拐点，一个在 1/d处，另一个在1/tr处。在1/d

20、以下，包络线幅度 保持不变，在1/d至1/tr之间，幅度以20dB/dec的速 率下降，在1/tr以上，以40dB/dec下降。1/tr的频率 称为脉冲信号的带宽。脉冲信号的上升时间越短，则 信号的频带越宽。 n说明：周期信号是电磁干扰发射的主要因素，因此 设计中要特别注意时钟信号、振荡器等产生的干扰。 非周期的脉冲信号的频谱 n由于非周期性脉冲信号的频谱是连续谱，因此用频谱强度来表示。频 谱强度以一定频带内的信号强度来计量，例如对于电压：单位为dBV/MHz ，对于电流，单位为dBA/MHz。对于特定脉冲信号，频谱强度为： nf 1/tr ： V = -14 + 20lg A - 20lg

21、tr - 40lg f （dBV/MHz） n式中：脉宽d 、周期T和上升时间tr的单位为s，f 的单位为MHz。 n如果不将结果归一化到1MHz，则加上所考虑的带宽B构成的修正因子 即可：20lgB，B的单位为MHz。 测试修补法 n在设计过程中几乎不考虑电磁兼容性，样机完成后，在对 样机进行测试的过程中发现问题，然后进行修改，再测试， 再修改，直到样机满足要求。 n可以想象的出来，这种方法的设计盲目性极强，在最后阶 段往往要花费大量的时间来测试修改（调试）样机，最终解 决方案一般不是最佳（成本最低）的。 n优点：设计阶段节省专业电磁兼容支持所增加的成本 n缺点：在产品的最后阶段解决电磁兼容问题不仅困难大， 而且成本很高 n这种方法适合比较简单的设备 现行EMC解决方法：系统设计法 n在产品的设计过程中仔细预测各种可能发生的电磁兼容问题 （可用电磁兼容预测软件进行辅助分析），并从设计的一开始 就采取各种措施，避免电磁兼容问题。由于在设计阶段采取电 磁兼容措施，因此可以采取电路与结构相结合的技术措施。采 取这种方法通常能在正式产品完成之前解决90的电磁兼容问 题。 n优点：成功率高，节省开发时间，使设计达到最优化（产品 成本低） n缺点：对设计人员电磁兼容水平的要求高，有时需要专门的 电磁兼容技术支持，增加设计成本。 n对于较复杂的设备，最好采取这种方法。