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电磁兼容(EMC)基础概念

jf_78858299 来源:信号完整性学习之路 作者:广元 2023-05-18 16:33 次阅读

EMC(Electro Magnetic Compatibility,电磁兼容)是指电子电气设备或系统在预期的电磁环境中,不会因为周边的电磁环境而导致性能降低、功能丧失或损坏,也不会在周边环境中产生过量的电磁能量,以致影响周边设备的正常工作。

EMI(Electro Magnetic Interference,电磁干扰):自身产生的电磁干扰不能超过一定的限值。

EMS(Electro Magnetic Susceptibility,电磁抗扰度):自身承受的电磁干扰在一定的范围内。

电磁环境:同种类的产品,不同的环境就有着不同的标准。

需要说明的是,以上都基于一个前提:一定环境里,设备或系统都在正常运行下。

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电磁干扰的产生原因:电压/电流的变化中不必要的部分。

电磁干扰的耦合途径有两种:导线传导和空间辐射。

导线传导干扰原因是电流总是走“最小阻抗”路径。以屏蔽线为例,低频(f<1kHz)时,导线的电阻起到主要作用,大部分电流从导线的铜线中流过;高频(f>10kHz)时,环路屏蔽层的感抗小于导线的阻抗,因此信号电流从屏蔽层上流过。

干扰电流在导线上传输有两种方式: 共模和差模

一般有用的信号为差模信号,因此共模电流只有转变为差模电流才能对有用信号产生干扰。阻抗平衡防止共模电流向差模转变,可以通过多点接地用来降低地线公共阻抗,减小共地线阻抗干扰。

空间辐射干扰分 近场和远场

近场又称为感应场,与场源的性质密切相关。

当场源为高电压小电流时,主要表现为电场;

当场源为低电压大电流时,主要表现为磁场。

无论是电场还是磁场,当距离大于λ/2π时都变成了远场。

远场又称为辐射场。远场属于平面波,容易分析和测量,而近场存在电场和磁场的相互转换问题,比较复杂。

这里面有问题的是如果导线变成天线,有时候就分不清是传导干扰还是辐射干扰?

低频带下特别是30 MHz以下的主要是传导干扰。或者可以估算当设备和导线的长度比波长短时,主要问题是传导干扰,当它们的尺寸比波长长时,主要问题是辐射干扰。

干扰信号以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量,再以泄漏和耦合形式,通过绝缘支撑物等(包括空气)为媒介,经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。

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举例:900MHz,平面波的转折点在50 mm

电磁波辐射有两个必要条件:变化的电压/电流和辐射天线。两者缺一,都不会产生大量的辐射干扰。

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有些资料会给出瞬态干扰的概念,顾名思义:时间很短但幅度较大的电磁干扰。瞬态干扰一般指各类电快速脉冲瞬变(EFT)、各类浪涌(SURGE)、静电放电(ESD)等三种。

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重点:消除其中任何一个因素就可以满足电磁兼容设计的要求。

切断耦合途径是最有效的电磁兼容处理措施。

了解下传播路径:

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电磁干扰可以通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的传导干扰,也有通过空间直接传播的空间辐射干扰。这些干扰或者噪声并不是独立存在的,在传播过程中又会出现新的复杂噪声,这种问题叠加问题才是解决问题的难点。

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近场区,波阻抗与辐射源的位置、阻抗、频率及辐射源周围的介质有关;远场区,波阻抗等于电磁波传播介质的特性阻抗;在真空中,波阻抗为377Ω。

由377Ω想到自由空间的特性阻抗:

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有个基础概念需要讲一讲:dB&dBm区别。dB之前的常提常见。dBm是功率相对于1 mW的值。

至于区别,上公式比较直接:

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环路

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电流在传递路径与返回路径中形成的环路是PCB辐射发射的一个原因。

电子产品中任何信号的传递都存在环路,如果信号是交变的,那么信号所在的环路都会产生辐射,当产品中信号的电流大小、频率确定后,信号环路产生的辐射强度与环路面积有关,管控信号环路的面积可以控制EMC问题。

单点&多点接地

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电子设备是否选择单点接地,主要取决于系统的工作信号频率和接地线的长度,即其表征量 L/λ 。L/λ<=0.1时,选择单点接地,单点接地的应用范围一般在300kHz以下,在有些场合也可用在1MHz以下。

当地线长度为1/4波长的奇数倍时,地线阻抗变得很高,产生天线效应,即地线像天线一样向外辐射噪声信号。若用一点接地,地线长度不得超过波长的 1/20 ,否则应采用多点接地。

散热&屏蔽

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屏蔽和散热是互相矛盾的,散热孔一般是一组孔洞,利用风扇进行强迫对流,这些孔洞将会引起电磁泄漏,使屏蔽效果下降,孔洞越大,屏蔽效果越差。通常系统的外壳都配置了散热孔,这种散热孔会影响整个系统的屏蔽性能。

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电磁兼容测试分为两大类:

一类是电磁干扰度(EMI)测试,测试电子产品系统对其他设备、对电磁空间的干扰发射情况。

一类是电磁抗扰度(EMS)测试,测试电子设备抵御空间电磁干扰的能力。

国家标准中EMI测试项目为2项,军用标准中EMI测试项目为7项,EMS测试项目为10项,军用保证EMS测试项目为12项。

列出不同数量测试项目,说明针对不同行业,有着不同要求,这个也好理解。问题是EMC测试有不同标准,各个行业再依据标准进行细化,确定自己满足的等级和要求。

EMI测试项目:

①传导骚扰(CE)测试(电源线、信号、控制线)

②辐射骚扰(RE)测试

③谐波(Harmonic)测量

④电压波动和闪烁(Fluctuation and Flicker)测量

EMS测试项目:

①静电放电抗扰度(ESD)

② 电快速瞬变脉冲群抗扰度(EFT)

③ 浪涌(SURGE)

④ 辐射抗扰度(RS

⑤ 传导抗扰度(CS)

⑥ 电压跌落与中断(DIP)

EMI测试场地有半电波暗室、全电波暗室、开阔场三种。

产品相关EMC测试是必须的,产品EMC测试出现相关问题,整改方向:

1.静电抗扰度测试—>屏蔽

2.电快速瞬变脉冲群抗扰度测电源隔离,使用屏蔽双绞线&安装磁环。

3.浪涌(冲击)抗扰度测试安装浪涌抑制器

4.射频场感应的传导骚扰抗扰度测试屏蔽、接地、滤波

5.射频电磁场辐射抗扰度测试导电泡棉将线缆压紧,保持最小的缝隙。

6.传导发射电源隔离、滤波、接地、减小回路面积。

7.辐射发射出现超标屏蔽接地,检查连接,安装磁环,检查模拟设备。

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产品电磁兼容性设计,必须通过整体设计,从电路设计元器件选型,从PCB制版到样机调试,从电子设备的测试到发布,每一步都要考虑有可能引起的电磁兼容问题,从产品最初规划到最后认证结束,每一步都要融入电磁兼容设计思想,才能真正管控好电磁兼容问题。

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