EMC设计之EMC电磁兼容的基础知识简析

01

电磁兼容简介

电磁的危害

电磁兼容属于偏门的科学，但又非常重要，涉及的技术和知识领域非常广泛；可以说这是一门贯穿电子技术的学科。

电磁干扰已经成为了微电子、数字电路、模拟电路技术发展的巨大障碍，也是瓶颈！

电磁兼容基本概念

电磁兼容是指电气，电子设备在指定的电磁环境中，对外不产生过大的电子噪声，同时又能抵抗一定的外界电磁干扰的能力。

20世纪90年代，欧盟率先对进入其地区的电气电子产品强制EMC认证制度，即CE认证，随后各国相继推出自己的标准，如美国FCC,日本的VCCL，我国的3C等等。

而在电磁兼容性能中，电子产品抗外界雷击，静电放电等瞬态强干扰的能力是其重要的抗干扰能力指标。

总而言之，电路保护设计与电磁兼容性能有着密切的关系，良好的电路保护设计有助于产品电磁兼容性能的提高。

涉及范围：

◆ 电磁兼容涉及的频率范围：400GHZ。

◆ 对于损坏设备的现象干扰能量，集中在低频段，据相关资料约90%集中在小于10KHZ。

◆ 高频部份干扰是对信号进行破坏或失真现象。

电磁兼容理论基础

电磁干扰场强基本单位简述：

高频、微波电磁干扰场强的三种单位

电场强度V/m

磁场强度A/m

功率通量密度W/㎡

◆ 电磁干扰功率分贝dB

表示两个参量的倍率关系，通常表达变化范围很大的数值关系P为场景功率电平P0为基准功率电平，如公式所示：

电磁环境问题

电磁环境问题不仅是电子工程师和电气工程师关心的问题，社会、个人也十分关注！电磁环境问题分为自然干扰和人为干扰。

自然干扰 - 静电

静电是自然界中最普通的电磁现象，静电放电在干燥地区，几乎每人身上携带1.5KV以上的静电。

静电是由分子或原子组成，分子又是由原子组成，原子=负电荷的电子+正电荷的质子组成。

自然干扰 - 雷电

雷雨一般沿锋面几百千米长，20～60km宽的带形地区发展，锋面移动速度每小时50～60km ，最高可达每小时100km。

自然干扰 - 自然辐射

人为干扰 - 辐射干扰

人为辐射干扰是指以人类生产活动以电磁波形式传播的干扰：

◆ 以场源为中心，在一个波长范围内的区域为近场。

◆ 半径在一个波长范围以外的称之为辐射场。

◆ 近场基本概念：短波30MHZ到微波30GHZ，其波长为0.01~10米。

◆ 常见的信号辐射干扰源：发送设备、本地振荡器、非线性器件。

人为干扰 - 传导干扰

◆ 传导干扰源：

电磁噪声干扰：吸尘器、转换开关、电源开关、机动车干扰、断路器触点、雷达发射机地线回路等等。

◆ 传导干扰的特性：

传导干扰的频率一般以100MHZ从内，其实它可以达到GHZ；

不考虑高频率的原因，是因为当频率很高时，导体损耗以及布线电感和分布电容的作用，传导功率大大衰减。

02

电磁兼容实验

2.1 静电实验

静电试验标准参考GB/T17626.2(IEC61000-4-2)。

两种模式

◆ 直接放电(接触放电)放电枪：尖头 。

◆ 间接放电(空气放电)放电枪：半圆头。

试验仪器及放电电流波形

试验标准

◆ 150pF电容代表人体的储能电容 。

  ◆ 330Ω电阻代表人体在手握工具时的人体内阻。

  ◆ 波形上升沿0.7~1nS,谐波成份包含达到500MHz。

  ◆ 放电为1次/秒（也有5秒每次）。

  ◆ 一般选定点放电20次（其中正负各10次）。

  ◆ 试验时为了保证结果重复性和可比性，放电电极与受试设备表面垂直 。

  注意事项：

  ◆ 同轴及多芯连接触点。考虑到它们都有一个金属的连接器外壳的情况，接触放电仅仅施加在连接器的金属外壳上。

  ◆ 对于非导电外壳（塑料、陶瓷）连接器中可接触到的触点，只采用空气放电来做试验评估，采用半圆头。

  ◆ 不接地设备，在试验ESD施加之前不能将电荷释放，有可能储存两倍的电荷或电压。

  ◆ 不接地设备，将两次试验的时间隔加长，让前一次衰减到所需要时间；在接地电缆上采用泄放电阻（2*470KΩ）的炭纤维刷子放电电；空气离子放电装置，比较麻烦。

2.2 电快速瞬变脉冲群EFT实验

电快速瞬变脉冲群EFT标准参考 EFTGB/T17626.4(IEC61000-4-4)

模式及特点

◆ 群脉冲一般发生在电网中众多机械开关在切换过程（切断感性负载、继电器触点弹跳等）时所产生的干扰。

  ◆ 电快速瞬变脉冲群EFT的特点：

• 其脉冲群间隔为300ms。

• 单脉冲宽度为50ns±30% 。

• 脉冲幅度2KV 。

• 脉冲上升沿5ns±30% 。

• 脉冲重复率为2.5KHz±20%。

• 正、负脉冲群干扰时间为1分钟。

试验仪器及放电电流波形

试验标准‍

◆ 耦合/去耦网络的特性参数如下：

耦合电容：33nF 。

耦合方式：共模 。

容性耦合夹

◆ 耦合段与其它段所有导电结（受试电缆和接地平面除外）的间距应大于0.5m。

• 电缆和耦合夹之间典型的耦合电容（100~1000PF） 。

• 圆电缆可用的直径范围4~40mm 。

• 绝缘耐压能力，5KV（用综合波的1.2/50uS) 。

◆ 对于输入/输出和通信端口上的连接线的验收试验采用耦合夹的耦合方式。

◆ 产生于感性负载的投切、继电器切点弹动的瞬间，这种干扰以共模或差模方式影响端口（电源、信号、控制端口），对操作系统产生严重的破坏性。

◆ EFT/GB三极标准：

供电端口和模拟量端口 。

共模抗干扰能力，峰值2KV，波形重复频率为5KHZ 。

差模抗干扰能力，峰值1KV，波形重复频率为5KHZ 。

◆ I/O信号/数据和控制端口

共模抗干扰能力，峰值1KV，波形重复频率为5KHZ 。

差模抗干扰能力，峰值0.5KV，波形重复频率为5KHZ。

2.3 浪涌实验

浪涌抗扰度试验GB/T 17626.5（IEC61000-4-5）

模式及特点

◆ 组合波形基本性能要求：

• 开路输出电压符合1.25/50 。

• 发生器内阻为2Ω10%误差 。

• 要形成12、42Ω内阻 。

• 浪涌输出极性正负 。

• 相位：0~360度。

◆ 通信线路组合波形基本性能要求：

• 开路输出电压符合10/700 。

• 发生器动态内阻为4Ω 。

• 浪涌输出极性正负。

试验仪器以及原理

2.4 射频场感应实验

射频场感应的传导骚扰GB/T 17626.6（IEC61000-4-6）

试验标准

标准的辐射干扰测试方法是在符合要求的开放试验场上进行，射频发射机※产生空间电磁场，这些磁场对敏感设备的各种连接馈线上感应电流（电压），作用于设备的敏感设备。

试验等级：频率范围150K~80MHz(可以扩展到230MHz）。

指中短发射机、调频发射机、电视发射机产生的磁场。

试验框架

2.5 电波暗室实验

电波暗室EN5502/EN61000-4-3 暗室分为半电波和全电波暗室。

半电波暗室

接收天线收到的场是直射波与反射波的矢量和，两者相位关系；

最大场强，只有反射波路径与直射波路径之差等于自由空间波长的整数倍两个相位的场模相加值。

全电波暗室

全波暗室区别是不接收同平面地场的反射，理想状态是电波传播的特性应该与自由空间区相同。