电磁兼容设计技术

为什么要掌握电磁兼容技术因为：电子电路日益复杂，调试越来越难电磁兼容标准强制实施市场竞争日益激烈，开发周期越来越短 为什么要“调”电路信号畸变不能达到预期的功能信号本身失真 反射 损耗串扰地线、电源噪声外界干扰（辐射、传导）电磁兼容设计信号完整性 电磁兼容设计是必须的电路图产品EMCSI 设备之间的干扰也不容忽视 开关电源数字脉冲电路数字视频设备220AC 怎样对付这些干扰问题屏蔽接地滤波选什么材料屏蔽体怎样接地屏蔽效能取决于什么因素地线与干扰有什么关系应该怎样设计地线怎样实现有效的滤波为什么滤波并不有效 一个干扰的例子RS105，脉冲电磁场试验 消除干扰的措施与结果共模滤波电容滤波的测试结果滤波的软件仿真结果 实践电磁兼容技术课程特点：n注重物理概念和应用背景，避免空洞理论和复杂公式n内容实用，立竿见影n培养解决电磁干扰的综合能力（基本理论、分析方法、问题解决能力等） 课程内容电磁兼容要求（标准）与试验方法地线造成的干扰问题与解决方法电磁屏蔽与搭接电磁干扰滤波技术电缆设计线路板设计 对电磁兼容技术有全面的了解 掌握接地、滤波、屏蔽等关键技术 在产品电磁兼容设计方面有明确的思路 使产品顺利通过电磁兼容试验 具备进一步学习的能力通过学习本课程要达到： 第一章预备知识与基本概念 电路之间的干扰模拟电路控制电路（处理器）信号处理电源 电容耦合电场V N = VSZL/(ZC+ZL) ZL VS VN容抗： ZC = 1/jC 电感耦合I1 VN 公共阻抗耦合数字电路模拟电路V N 传导性干扰模拟电路数字电路 天线接收天线：将天线上的电磁波变成端口上的电压辐射天线：将端口上的电压变成电磁波VV 基本天线结构环天线 偶极天线 单极天线 V V V 环天线产生的辐射近场区内（ D /2 ）: H = IA / (4D3) A/m E = Z 0IA / (2D2) V/m 远场区内（D /2） : H = IA / ( 2D) A/m E = Z0 IA / ( 2D) V/m A I D 导线的辐射近场区内: H = I L / (4D2) A/m E = Z 0I L / (8 2 D3) V/m远场区内: H = I L / (2 D) A/m E = Z0 I L / (2 D) V/mI L D 波阻抗的概念波阻抗377 / 2 到观测点距离 rE/H ZW = Z0（2D/）ZW = Z0 = 377 I L A IZW = Z0（/2D) 寄生天线偶极天线：只要两个体之间存在电位差，就构成了偶极天线。环天线：只要存在电流环路，就形成了一个环天线。 常见等效偶极(单极)天线机箱接地线PCB VG主板电缆子板笔记本 PCB电缆没接地的散热片 常见环天线 用天线的概念处理问题1 用天线的概念看待设备中的导体,发现隐蔽的天线2 尽量消除这些具有天线性能的结构3 不能消除时，控制天线的辐射 减小环天线的面积 减小两个导体之间的射频电压 分贝(dB) 的概念分贝的定义：分贝数 10lgP2P1P1、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 V 2V1电流增益的分贝数 20lg I2I1 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， “分贝”仅表示相对概念991 0.1SE = 20lg(100/1.1) 40dB 991 10SE = ?如果把绿色辐射体去掉，屏蔽体的屏蔽效能是多少？ 频域分析处理电磁干扰的问题必须熟悉频域分析：电磁兼容标准中大部分指标都是在频域中表示的对电磁干扰的各种措施都与频率有关通过频率特征容易查找干扰源 频域中表示的辐射发射限值 10203040 50607080 90 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G 100GFrequency (Hz)Limit Level (dBV/m) 243444 896979 18GFixed Wing External (2MHz to18 GHz)and Helicopters Fixed Wing Internal,25 meters Nose to TailFixed Wing Internal, 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心 各种铁氧体磁芯 电感量与饱和电流的计算SD1 D2饱和电流： Imax = Bmax S (D1-D2)/2L电感量： L （nH）= 0.2 N 2 r S(mm) ln (D1/D2)电感量厂家手册给出 厂家经常给出每匝的电感量“AL”，则 L （nH）= AL N2 干扰抑制用铁氧体 铁氧体电感高频时成为电阻铁氧体电感（高损耗）空心电感（高Q） 不同材质的铁氧体有不同的频率特性 偏置电流对阻抗的影响 铁氧体次环作共模扼流圈使用 贴片电感的阻抗 贴片电感的滤波效果 贴片电感的滤波效果 注意频率特性 低通滤波器对脉冲信号的影响 信号滤波器的安装位置板上滤波器无屏蔽的场合滤波器靠近被滤波导线的靠近器件或线路板一端。有屏蔽的场合：在屏蔽界面上 板上滤波器的注意事项滤波器要并排安装 线路板的干净地与金属机箱或大金属板紧密搭接为滤波设置干净地在接口处设置档板滤波器靠近接口 面板上滤波的简易（临时）方法容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短 电缆滤波的方法屏蔽盒馈通滤波器连接器滤波连接器虽然是最佳选择，但是当空间允许时，也可以这样： 平板滤波阵列用于制造滤波连接器 面板安装滤波器注意事项滤波器与面板之间必须使用电磁密封衬垫！ 使用形滤波器的注意事项滤波器接地阻抗预期干扰电流路径实际干扰电流路径对接地没有把握时，避免使用形滤波器！ 电源线滤波器的基本电路共模扼流圈差模电容共模电容共模滤波电容受到漏电流的限制 注意滤波器的高频特性 高频滤波性能的重要性滤波器高频性能差 滤波器高频性能好无滤波 改善滤波器高频特性的方法或精心绕制或多个电感串联 注意插入增益问题0-10 50 / 50100 / 0.1 或 0.1 / 100频率插入损耗解决办法：差模电感上并联电阻（50 1k)，差模电容上串联电阻（0.5 10） 插入增益现象 串联谐振导致插入增益V QVQV 插入增益的对策V 选择滤波器的保险方法滤波器 0.1 100滤波器 0.11000衰减50条件下的插入损耗0.1/100条件下的插入损耗 插入损耗增益会暴露出来 器件距离对高频性能的影响 滤波器安装在线路板的问题机箱内干扰电源线泄漏严重 线路板上滤波的改进方法机箱内干扰被滤波器挡住被滤波器旁路掉面板滤波器电源线无泄漏 电源线滤波器的错误安装PCB滤波器 滤波器输入线过长输入、输出耦合PCB 电源线滤波器的错误安装滤波器绝缘漆PCB滤波器通过细线接地，高频效果很差！接地线 滤波器的正确安装滤波器PCB 滤波器直接接地尽量短 输入、输出线隔离滤波器安装在线路板上时，在电源线入口处增加一只高频共模滤波器电源PCB滤波电路 110VAC使用交流滤波器的问题 为什么信号滤波器容易损坏220VAC 110VAC 机箱浮地 没问题220VAC 全部浮地 没问题220VAC 全部接地 没问题220VAC 第五章电缆的EMC设计 电缆辐射场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰 第六部分电缆的EMC设计 电缆辐射场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰 外拖电缆的共模辐射I2 CPI3I1 C P尽管共模成份的比例很小，但是由于辐射环路大，仍然是主要的辐射因素 “无关”的电缆也辐射 地线也辐射不接地线接上地线你喜欢电缆屏蔽层接地吗 ? 无关电缆辐射机理VCM机箱内的所有信号都会通过电缆辐射！ 电缆辐射机理的总结电 缆 辐 射差模辐射共模辐射差模电流转变为共模电流信号地上共模电压导致共模电流临近电路的耦合产生共模电压，进而导致共模电流工作电流回路形成的环路天线 电缆差模辐射的对策同轴电缆扁平电缆双绞线 电缆共模辐射的对策减小共模电流回路面积减小共模电流增加共模电流回路的阻抗共模电流滤波减小共模电压屏蔽电缆电缆靠近地线面线路板屏蔽其它 电缆共模辐射的对策减小共模电流回路面积减小共模电流增加共模电流回路的阻抗共模电流滤波减小共模电压屏蔽电缆电缆靠近地线面线路板屏蔽其它 降低电缆辐射的方法I2 CPI3I1 C P通过额外的地线板减小共模电流的回路面积 屏蔽电缆抑制共模辐射的本质CM CMDM思考题16：用屏蔽的方法减小信号电缆的辐射时，最关键的因素是什么？ 不完整的屏蔽电缆CM CM CM CMDM 屏蔽电缆的评估CM CMDMV辐射环路 VI ZT = V / I 不同屏蔽层的传输阻抗 102 103 104 105 106 107 1080.0010.010.1110100100010000传输阻抗（m /m）H z铝箔单层编织最佳单层编织双层编织双层编织 + 一层金属双层编织 + 双层金属实心铜 屏蔽层的错误接法 CM思考题17：什么情况下屏蔽电缆的辐射比非屏蔽电缆辐射更强，为什么？ D型连接器的屏蔽层搭接 圆形连接器屏蔽层搭接 接线端子上的屏蔽电缆 尽量减小小辨接法的危害 电缆共模辐射的对策减小共模电流回路面积减小共模电流增加共模电流回路的阻抗共模电流滤波减小共模电压屏蔽电缆电缆靠近地线面线路板屏蔽其它 共模电流主要由寄生电容产生线路板接地线路板不接地C P较大CP较小频率MHz共模电流 增加共模回路的阻抗PCB PCB共模回路思考题18：共模扼流圈的效果与什么因素有关？ 铁氧体效果的估算设原来电缆形成的共模回路阻抗为ZCM1，铁氧体的阻抗为ZL改善量 = 20lg(E1 / E2) = 20lg ( ICM1 / ICM2 ) = 20lg(VCM / ZCM1) / (VCM / ZCM2) =20 lg ( ZCM2 / ZCM1) =20 lg ( 1+ Z L / ZCM1 ) dB 铁氧体磁环 干扰抑制用铁氧体 不同磁导率的铁氧体阻抗特性i = 700i = 4000 铁氧体的安装方法尽量靠近电缆端头匝数多匝数少频率衰减整根电缆穿过内径尽量小长度尽量大壁厚尽量大 电缆共模辐射的对策减小共模电流回路面积减小共模电流增加共模电流回路的阻抗共模电流滤波减小共模电压屏蔽电缆电缆靠近地线面线路板屏蔽其它 用滤波消除辐射 第六部分电缆的EMC设计 电缆辐射场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰 处于电磁场中的电缆信号线和回流线在一根电缆中用地线面作回流线共模电流差模电压不平衡直接产生差模电压Sh 电磁场在电缆上的感应电压 10kH z 100kH z 1MH z 10MH z 100MH z 1G H z 10G H z 0-10-20-30-40-50 1 2 3A B CD E h = 0.5mS: A = 100m B = 30m C = 10m D = 3m E = 1m与 S、h 无关dBV 1V/m场强产生的电压 平衡电路的抗干扰特性电磁场V1 V2I1I2 VD平衡性好坏用共模抑制比表示： CMRR = 20lg ( V C / VD )VC 高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低 提高共模干扰抑制的方法平衡电路屏蔽电缆共模扼流圈平衡电路CMRR CMRR f f 非平衡转换为平衡 屏蔽电场0V电缆长度 /20，多点接地 磁场对电缆的干扰VNVN ( d / dt ) = A ( dB / dt )磁通回路面积A感应电压当面积一定时 减小感应回路的面积理想同轴线的信号电流与回流等效为在几何上重合，因 此电缆上的回路面积为0，整个回路面积仅有两端的部分 屏蔽电缆减小磁场影响VS VS VS只有两端接地的屏蔽层才能 屏蔽磁场 抑制磁场干扰的试验数据100 1M1M 1M100100每米18节(A)(B) (D)(E)(C) 02713 13281M1M100100 抑制磁场干扰的实验数据 100 1M1M 1M100100每米18节(F)(G) (I)(J)(H) 805570 63771M1M100100 C与D的实验数据说明设：总电磁场为1000，其中磁场为999，电场为1，双绞线的磁场抑制效果为：20lg(1000/230) 13 dB单端接地的屏蔽层的效果：20lg(230/229) 0 dB双绞线单端接地屏蔽层 G与H的实验数据说明设：总电磁场为1000，其中磁场为999，电场为1，双绞线的磁场抑制效果为：20lg(1000/1.3) 58 dB单端接地的屏蔽层的效果：20lg(1.3/0.3) 13 dB双绞线单端接地屏蔽层 第六部分电缆的EMC设计 电缆辐射场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰 导线之间两种串扰机理M C I CIC ILILR0 RLR2G R2L 耦合方式的粗略判断ZSZL 10002： 电场耦合为主3002 ZSZL 10002：取决于几何结构和频率 电容耦合模型C12C1G C2GR C1G C2GC12 RV N V1V1 j C12 / ( C12 + C2G)j + 1 / R ( C12 + C2G) V1 VN 耦合公式化简 R 1 / j ( C12 + C2G ) VN = V1 C12 / ( C12 + C2G ) 电容耦合与频率的关系耦合电压VN = j RC12V1C12V1 (C12 + C2G )VN = 1 / R (C 12 + C2G )频率 屏蔽对电容耦合的影响全屏蔽屏蔽层不接地：V N = VS =V1 C1S / ( C1S + CSG ) ，与无屏蔽相同屏蔽层接地时：VN = VS = 0， 具有理想的屏蔽效果 C1sC1G CsG C1G CSGC1s VsV1V1 Vs C2S 部分屏蔽对电容耦合的效果R 很大时：V N = V1 C12 / ( C12 + C2G + C2S ) C1sC1G CsG CSGC1s VNV1V1 VN C2SC12 C12 C2GR 很小时：V N = jRC12 互电感定义与计算定义： 自感L 1 / I1 ， 互感 M 12 / I1 1 是电流I1在回路1中产生的磁通， 12 是电流I1在回路2中产生的磁通回路1回路2 a ba M = （ / 2 ）lnb2/（b2- a2） 减小M的方法：回路1用双绞线或同轴线，减小回路2的面积，增加两 个回路的距离 电感耦合M R2R R1 RR2V N d12 / dt = d(MI1)/dt = M dI1 / dtR1I1 VN I1 VNV1V1 电感耦合与电容耦合的判别IN = j C12V1 R2R1V V VN = j M12 I1 R2R1电容耦合电感耦合 非磁性屏蔽对电感耦合的影响I1M1S M12关键看互感是否由于屏蔽措施而发生了改变 双端接地屏蔽层的分析M1SM12 M S2+ - - + V12 VS2导体1导体2屏蔽体V12 = j M12 I1 VS2 = j MS2 IS VN = V12 + VS2 I1IS求解这项 VS2项求解+ + + LS = / IS MS2 = / IS 因此：LS = MS2 导体2屏蔽层VS2 = j MS2 I S = j MS2 ( V S / ZS) = j LS V S / ( jLS+RS ) = VS j / ( j+RS/LS) 屏蔽后的耦合电压VN = V12 + VS2 V12 = j M12I1 VS = j M1SI1因为：M12 = M1S所以：VS = j M12I1所以：V S2 = j M12I1 j / ( j+RS / LS)VN = V12 - V12 j / ( j+RS / LS) = V12 (RS / LS) / ( j+RS / LS) V12 屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果VN M12 I1（Rs / Ls )V N j M12 I1VN Rs / Ls 无屏蔽电缆屏蔽效能屏蔽电缆 lg 第七章 PCB的电磁兼容设计 线路板上的电磁兼容问题线路板的辐射外界电磁场对线路板的干扰地线和电源线噪声地线引起的公共阻抗耦合走线之间的串扰信号的反射（传输线效应） 走线是主要辐射源 地线和电源线上的噪声Q1 Q2Q3Q 4R4R2R3R1 VCC被驱动电路ICC I驱动I充电I放电Ig Vg 电源线、地线噪声电压波形输出ICCVCCIgV g 地线干扰对电路的影响1 32 4寄生电容 线路板走线的电感 L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 HW S L = ( L 1L2 - M2 ) / ( L1 + L2 - 2M ) 若：L1 = L2L= ( L1 + M ) / 2M I I 地线网格 电源线噪声的消除电源线电感L, V =L(di/dt)储能电 容这个环路尽量小 电源解耦电容的正确布置尽量使电源线与地线靠近 解耦电容的选择C = dI dt dV Z f1/2 LC各参数含义：在时间dt内，电源线上出现了瞬间电流dI，dI导致了电源线上出现电压跌落dV。 增强解耦效果的方法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 有效滤波的例子普通电容（1）三端电容（0.1）三端电容 + 铁氧体 注意位置！ 多个电容改善解耦效果 电源面与地线面之间也有电容 选择合适的电容种类 插线电容 表贴电容 线路板的两种辐射机理差模辐射共模辐射电流环杆天线 实际电路的辐射ZG ZLV ZC = ZG + ZL近场：ZC 7.9 D f E = 7.96VA / D3 （V/m） Z C 7.9 D f ， E = 63 I A f / D2 （ V/m） H = 7.96IA / D3 （ A/m）远场： E = 1.3 I A f 2 /D （ V/m）环路面积 = A I 常用的差模辐射预测公式考虑地面反射时： E = 2.6 I A f 2 /D （ V/m） 脉冲信号差模辐射的频谱频谱包络线差模辐射频率特性线 脉冲的差模辐射包络线 1/d 1/tr40dB/dec f ff- 20dB/dec - 40dB/dec E = 2.6 I A f 2 /D EdB = 20lg（2.6 I A /D） +40lg f 40dB/dec 20dB/dec 不同逻辑电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积逻辑 系列 上升时间 电流 不同时钟频率允许的面积（cm 2 ） 4MHz 10 30 100 4000B 40 6 1000 400 74HC 6 20 50 45 18 6 74LS 6 50 20 18 7.2 2.4 74AC 3.5 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74F 3 80 5.5 2.2 0.75 0.25 74AS 1.4 120 2 0.8 3 0.15 仅代表了一个环路的辐射情况，若有N个环路辐射，乘以 N 。因此，可能时，分散时钟频率。 如何减小差模辐射？E = 2.6 I A f 2 / D低通滤波器布线 控制高频信号的回路 电路中的强辐射信号 1 10 100 1000 1 10 100 1000dBV/m dBV/m所有电路加电工作只有时钟电路加电工作 控制回路面积是布线的主要目的 L=20cm 减小面积降低辐射L=10cmL=5cm 单层或双层板如何减小环路的面积 不良布线举例68HC1174HC00A B连接A、BE时钟 随便设置的地线没有用在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是EMC设计吗？ 开关电源干扰发射的原因220VAC共模干扰耦合路径 地线对辐射的影响 地线对辐射的影响 多层板能减小辐射信号1电源层地线层信号2低频高频 DC0.5 1 10 100 1G110地线面的阻抗，m/ 平方地线面具有很小的地线阻抗 地线面上的缝隙的影响模拟地 数字地A/D变换器 L75mm25mmL : 0 10cm VAB : 15 75mVA B 过孔的阻抗1.5mm PGA128-pinC/4 PGA1010010.1 nH/cm 25 50 75 100与过孔之间的距离 mm 六层板的设计好不好好不好这种非典型布线具有 最好的电磁兼容特性注意方向 八层板的设计较好最好差很好很好电源很好注意方向 十层板的设计很好很好较好注意方向 线路板边缘的一些问题关键线（时钟、射频等）产生较强辐射无地线电源层 地线层20H 扁平电缆的使用地线 一部分信号回流经过ABCDABC D最好较好差较好，但端接困难扁平电缆这两处都有地线 注意隐蔽的辐射环路电源/地线信号线电源/地线信号线 电源信号线+电源+地线电源/地线电源 直流线的辐射线路板1线路板2线路板3直流线也会产生射频辐射 地线也辐射不接地线接上地线你喜欢电缆屏蔽层接地吗 ? 地线辐射产生的原因地线噪声电源线电感信号回路电源回路 减小共模电压 改善地线减小共模电压 减小空间感应的共模电压 两个措施同时采取 滤波器滤除高频成份 滤波器电容量的选择R负载R源电容合适电容过大 低速接口10 100kB/s 高速接口 2MB/s低速CMOS TTL上升时间 tr 0.51s 50ns 100ns 10ns带宽 BW 320kHz 6MHz 3.2MHz 32MHz 总阻抗 R 120 100 300 100150最大电容 C 2400pF 150pF 100pF 30pF 平衡接口电路+Vcc-Vcc+V-V Z0/2Z 0/2 I/O接口布线的一些要点干净区域滤波电容电源线连接地线连接信号滤波器隔离变压器/光耦隔离器 桥壕沟时钟电路、高速电路