EMC原理之传导及辐射

VIC56

一.EMC 概念介绍
2 Q. U3 ?& A! y! I3 n" V8 _( Y        EMC（electromagnetic compatibility）作为产品的一个特性，译为电磁兼容性；如果作为一门学科，则译为电磁兼容。它包括两个概念：EMI 和 EMS。EMI (electromagnetic inteRFerence) 电磁干扰，指自身干扰其它电器产品的 电磁干扰量。EMS (electromagnetic susceptibility) 电磁敏感性，也有称为电磁抗扰度，是指能忍受其它电器产品的电 磁干扰的程度。因此，电磁兼容性 EMC 一方面要滤除从电源线上引入的外部电磁干扰(辐射+传导)，另一方面还能避 免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。EMC 滤波器主要是用来滤除 传导干扰，抑制和衰减外界所产生的噪声信号干扰和影响受到保护的设备，同时抑制和衰减设备对外界产生干扰。而 辐射干扰主要通过屏蔽的手段加以滤除。
! Z( C9 ]9 v4 N% e! K3 X$ `( S% F& l        从滤波器的功能来看，它的作用是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分无用频率的信号则受到较 大的抑制，它实质上是一个选频电路。而我们常见的低通滤波器功能是允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频 分量或干扰噪声。
        电源噪声干扰在日常生活中很常见。比如你正在使用电脑的时候，当手机信号出现时，电脑音响会有杂音。比如 电话或手机通话时有嗞嗞的杂声。又比如使用电吹风烫头发时，电视机不但会产生噪音，而且屏幕会出现很大的雪花 般的条纹。这都是一些常见的噪声信号干扰，但实际上有些干扰日常看不到，一但受到影响就有可能措手不及，甚至 找不到根源。这些噪声信号如果出现在自动化仪器，医疗仪器有可能带来极大的损失甚至生命安全。比如，会造成自 动化仪器误动作，造成医疗仪器失控等等。
        我们常说的噪声干扰,是指对有用信号以外的一切电子信号的一个总称，也可以理解为电磁干扰。最初，人们把造成收音机之音响设备所发出噪声的那些电子信号，称为噪声。但是，一些非有用电子信号对电子电路造成的后果并 非都和声音有关，因此，后来人们逐步扩大了噪声概念。如：某一频率的无线电波信号，对需要接收这种信号的接收 机来讲，它是正常的有用信号，而对于另一频率的接收机它就是一种无用信号，即是噪声。
- @8 z7 `, T& Q7 |% u2 L        噪声按传播路径来分可分为传导噪声干扰和空间噪声干扰。其传导干扰主要通过导体传播,通过导电介质把一个 电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络,其频谱主要为 30MHz 以下。而空间噪声干扰源通过空间把其信号耦合 （干扰）到另一个电网络,其频率范围比传导噪声频率宽很多,30Hz-30GHz。传导噪声干扰可以通过设计滤波电路或追 加滤波器的方法来进行抑制和衰减，而空间辐射干扰主要通过主要应用密封屏蔽技术，在结构上实行电磁封闭。目前 为减少重量大都采用铝合金外壳，但铝合金导磁性能差，因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆，内壁贴覆高导磁率的 屏蔽材料。
        上面我们提到传导噪声干扰，又分为差模干扰与共模干扰两种。差模干扰是两条电源线之间（简称线对线）的 噪声，主要通过选择合适的电容(X 电容)，差模线圈来进行抑制和衰减。共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对 地）的噪声，主要通过选择合适的电容（Y 电容），和共模线圈来进行抑制和衰减。我们常见的低通滤波器一般同时 具有抑制共模和差模干扰的功能。
二.感应干扰（近场）
5 c5 g; V; W8 i/ A, D7 F7 O" n        常见的电场 如两个金属板两端加电压. 常见的磁场 如两个磁铁之间的磁场
) }8 q' e, D; G. H5 G5 J        电磁波的速度在空气中接近于光速。 波长=c/f=3x108/f = 300/F(MHz) 如，F=10MHz 波长=30 米 r =波长/2*3.14 =4.77 米。
        频率为 10MHz 的电磁波发射源，在离发射源大于 4,77 米时，为远场，小于 4,77 米时，为近场。
' a1 G% B& R* y三.辐射干扰(远场)
' O& V, q% F; ]" D) p$ t3.1 原理及产生原因
8 F. |7 z1 }+ L6 E- X        根据麦克斯韦方程，变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化的电场。 设备内每个电路都可能是天线，外壳和电缆都可能是天线的一部分。
' O/ y# J  o7 Q  M  C  i5 h        我的理解是 静电场 和静磁场 只对近距离的设备产生干扰。
        交变的电场 和交变的磁场 不光对近距离设备产生干扰，还对很远处的设备产生干扰。 不论是电场干扰 还是磁场干扰 远距离传播以后，都是以交变的电磁场形式传播。
        电磁场解释 （载自百度） 电磁场 有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称 。随时间变化的电场产生磁场 ， 随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因 如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的一 种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。
, W  p7 Z& ^+ p7 R3.2 如何影响设备 敏感设备受空间干扰
/ H- E( u) x# N% ^: f        设备内的天线是互易的，既可发射，也可接受。
        磁场天线的接收（场-电路的干扰）： e= 2πfBAcosθ
        电场天线的接收：（场-电缆的干扰） e= El有效长效
        其中 f 为频率 B 为磁感应强度 A 为面积 E 为电场强度 3．3．如何滤除辐射干扰
        如在源及敏感设备外围加屏蔽,隔断辐射路径;以及在敏感设备各端口增加滤波电路,阻止已耦合到端口上噪声 进入设备内.
3.4 如何减少辐射干扰 方法 1: 采用同轴电缆 双绞线 绞合电缆。
: h4 N0 E% z5 l) J3 A9 j        如 MR6； IDM11 的电缆线就是绞合电缆
9 D7 P7 r5 M6 b/ p4 ?        方法 2：应尽量 减小有用信号的高次谐波成分 (频率越高，辐射越强) 方法 3：采取屏蔽方法通气口，尽量用小圆孔， 避免用长条形通气孔。
        如图 1，3 为差模电容，2 为共模电感，4 为共模电容。 一般滤波器不单独使用差模线圈，因为共模电感两边绕线不一致等原因，电感必定不会相同，因此能起到一定的差模电感的作用。 如果差模干扰比较严重，就要追加差模线圈。
& v+ E% Q5 R2 Z' D四.差模干扰
4.1 差模干扰:简单的说就是线对线的干扰。
        如图，我们可以看到差模的原理图。UDM 就是差模电压，IDM 就是差模电流。IDM 大小相同，方向相反。
1 N* `! V: ?# o$ B+ ]' L4.2 差模干扰产生的原因
        差模干扰中的干扰是起源在同一电源线路之中(直接注入). 如同一线路中工作的电机,开关电源，可控硅等，他们在电 源线上所产生的干扰就是差模干扰。
. b$ j! Z' D# X& C, ^4.3 如何影响设备。
# o3 N- _( P- h8 E( V        差模干扰直接作用在设备两端的，直接影响设备工作，甚至破坏设备。（表现为尖峰电压,电压跌落及中断.）
4.4 如何滤除差模干扰
        主要采用差模电感 和 差模电容。
4．4-1 差模电感工作原理:
" x, b; q6 K6 C2 a5 F% c        可以看到，当电流流过差模线圈之后，线圈里面的磁通是增强的，相当于两个磁通之和。
        线圈特性 低频率低阻抗 高频率高阻抗 决定了在高频时利用它的高阻抗衰减 差模信号。（如图下图所示）： 当频率为 50Hz 时，线圈阻抗接近于 0，相当于一根导线，不起任何衰减作用。
        当频率为 500k Hz 时， 阻抗达到 5k 欧, 而理想状态下，此时负载阻抗一般考虑为 50 欧， 根据上面公式，此时差模线圈分得了 99%的差模干扰电压，而负载只分得了 1%的差模干扰电压。 同时 电流也有很大衰减。 (可以算出此时线圈的差模插入损耗)
4.4-2 差模电容工作原理。
, }+ W: h1 V; _7 J  j3 j* P        可以看到， 电容特性 低频率高阻抗 高频率低阻抗。 滤波器利用电容在高频时它的低阻抗短路掉差模干扰。（如图下图所示：）
        当频率为 50Hz 时，电容阻抗趋近于无穷大，相当于短路，不起任何衰减作用。
        当频率为 500k Hz 时， 电容阻抗很小, 根据上式可以看到 差模负载的电流衰减为趋近于 0 如当频率为 500k Hz 时 负载 50 欧 容抗 0.05 欧
  J, O% a1 F7 r0 S3 N% ]; e9 @        此时电容分得了 99.9%的差模干扰电流，而负载只分得了 0.1%的差模干扰电流。
' `* s+ y  l  X; p- [' ?8 G5 B# R        也就是说 500k Hz 时，电容使得差模干扰下降了 30dB。
五.共模干扰
5.1 共模 就是共同对地的干扰：
8 o8 [9 w  W5 g4 N% c) F3 f2 k        如图，我们可以看到共模的原理图。UPQ 就是共模电压，ICM1 ICM2 就是共模电流。 ICM1 ICM2 大小不一定相同，方向相同。
% T' T% e" |7 l/ u5.2．共模干扰产生的原因很多。
& `) B0 I0 G9 e; Y! Y  m1 n: u- _主要原因有以下几点。
1．电网串入共模干扰电压
% G5 I; d* l9 q! O+ c2．辐射干扰(如雷电，设备电弧，附近电台，大功率辐射源) 在信号线上感应出共模干扰。
  X3 R) }9 q4 ^% U（原理是 交变的磁场 产生交变的电流， 由于地线-零线回路面积 与地线-火线回路面积不相同，两个回路阻抗不同 等原因造成电流大小不同）
5 W9 R) E# J) B' }# W3．接地电压不一样。 也就是说地电位差异引入共模干扰。
  ]+ i8 e% w: f4. 也包括设备内部电线 对电源线的影响。
5.3．如何影响设备。
4 S( Y* k! w  e- h        共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达 130V 以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏，这种共模干扰可为直流、 亦可为交流。 如图
4 f" F- m" i  }* I! r5 R5.4 如何滤除共模干扰 (共模线圈 共模电容)
* a' y0 G# E! ], _  g% o5.4-1 共模线圈
  W' Y5 I+ R2 W+ O- t+ o" R( {0 q        共模线圈和差模线圈原理比较类似，都是利用线圈高频时的高阻抗来衰减干扰信号。 共模线圈和差模线圈绕线方法刚好相反（如图）。 因为差模线圈在滤除干扰的同时，还会一定程度的增加阻抗，而共模线圈对方向相反的电流基本不起作用， 所以我们在能够满足特性的前提下，一般很少使用差模线圈。
        文献一 这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消， 此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同 向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。
        文献二 我们了解电流定律,也知道电流产生磁通后,而且知道相同大小,相同圈數,不同方向的电流产生的磁通是會互相抵消,导致整个共模线圈对不同方向的电流不起作用,而仅仅让其通过;但对相同方向的电流所产生的磁通,因为磁通方向相同,磁通沒有抵消,故些共模线圈起着阻抗器的作用,压制了同方向的杂讯电流,达成抗电磁干扰的目的。
5.4-2 共模电容工作原理
! [2 i6 D1 A0 R( m        共模电容的工作原理和差模电容的工作原理是一致的， 都是利用电容的高频低阻抗，使高频干扰信号短路，而低频时电路不受任何影响。 只是差模电容是两极之间短路。 而共模电容是线对地短路。
3300pF 1.6mm 引脚 共模电容谐振频率点为 19.3 M Hz
（以下仅为个人观念，仅供参考 我觉得，共模电容不是单独工作的。它是和共模电感共同工作组成一个谐振回路共同起作用☺ 如下图，因为我对此没有 100%把握。)
        在实际工程中，要滤除的电磁噪声频率往往高达数百 MHz，甚至超过 1GHz。对这样高频的电磁噪声必须使用穿心电 容才能有效地滤除。普通电容之所以不能有效地滤除高频噪声，是因为两个原因，一个原因是电容引线电感造成电容谐振， 对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用；另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降 低了滤波效果，如图下所示。
! M! y% p6 s/ l- a$ A: X+ p        穿心电容之所以能有效地滤除高频噪声，是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题，而且 穿心电容可以直接安装在金属面板上，利用金属面板起到高频隔离的作用。但是在使用穿心电容时，要注意的问题是安装 问题。穿心电容最大的弱点是怕高温和温度冲击，这在将穿心电容往金属面板上焊接时造成很大困难。许多电容在焊接过 程中发生损坏。特别是当需要将大量的穿心电容安装在面板上时，只要有一个损坏，就很难修复，因为在将损坏的电容拆 下时，会造成邻近其它电容的损坏。        我的理解是 首先，穿心电容是一个共模电容， 它是线对地的电容。 其次，穿心电容是一个比较理想的电容，它没有引线，大大提高了谐振频率点。        我没有具体测过，但是从插入损耗曲线可以推断，在频率为 100M-10G 时，穿心电容有很低的阻抗，很接近理想电容曲线。

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Terran

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