基于EMC的模拟电子技术

会计学1基于基于EMC的模拟电子技术的模拟电子技术第1页/共32页 电磁兼容学是一门新兴的跨学科的综合性应用学科。作为边电磁兼容学是一门新兴的跨学科的综合性应用学科。作为边缘技术，它以电气和元线电技术的基本理论为基础，并涉及许缘技术，它以电气和元线电技术的基本理论为基础，并涉及许多新的技术领域，如微波技术、微电子技术、计算机技术、通多新的技术领域，如微波技术、微电子技术、计算机技术、通信和网络技术、以及新材料等等。电磁兼容技术研究的范围很信和网络技术、以及新材料等等。电磁兼容技术研究的范围很广，儿乎所有现代化工业领域，如电力、通信、交通、航天、广，儿乎所有现代化工业领域，如电力、通信、交通、航天、军工、计算机和医疗等都必须解决电磁兼容问题。军工、计算机和医疗等都必须解决电磁兼容问题。电磁兼容学是技术与管理并重的实用工程学电磁兼容学是技术与管理并重的实用工程学 我国我国9898年已立法强制对六类进口电子产品年已立法强制对六类进口电子产品(计算机、显示器、计算机、显示器、打印机、开关电源、电视机和音响打印机、开关电源、电视机和音响)及通信终端产品施行及通信终端产品施行EMCEMC检测。检测。9999年国家质量监督局发布了年国家质量监督局发布了EMCEMC认证管理办法认证管理办法。我国电子技术标准化研究所我国电子技术标准化研究所EMCEMC测试实验室被美国联邦通信委测试实验室被美国联邦通信委员会通过了员会通过了FCCFCC（联邦通信委员会）认可。从（联邦通信委员会）认可。从20002000年年2 2月月1616日起，日起，出口美国的信息技术设备和发射及接收设备，由该实验室出具的出口美国的信息技术设备和发射及接收设备，由该实验室出具的数据将被美国直接接受。数据将被美国直接接受。目前，国内也正在审定和验收正式的目前，国内也正在审定和验收正式的EMCEMC认证机构和实验室。认证机构和实验室。产品的产品的EMCEMC检测是实现电磁兼容不可缺少的技术手段，强制检测是实现电磁兼容不可缺少的技术手段，强制贯彻电磁兼容标准，则是保证产品质量和提高市场竞争力的先决贯彻电磁兼容标准，则是保证产品质量和提高市场竞争力的先决条件。条件。第2页/共32页 EMCEMC涉及的方面：涉及的方面：EMCEMC涉及电磁能量的产生、传输和接收，这三个方面也构成涉及电磁能量的产生、传输和接收，这三个方面也构成了了EMCEMC涉及的基本构架。涉及的基本构架。防止电磁干扰的三个途径：防止电磁干扰的三个途径：抑制电磁干扰源的发射抑制电磁干扰源的发射 尽可能使电磁干扰的耦合路径无效尽可能使电磁干扰的耦合路径无效 使接收机对电磁干扰的发射不敏感使接收机对电磁干扰的发射不敏感第3页/共32页关于EMC的有关概念、定义和术语，在1995年颁布的国家标准GB/T4365“电磁兼容术语”中有详细的阐述。这里仅就几个主要概念作一些辅助说明。1.1.电磁环境电磁环境(Electromagnetic Environment)(Electromagnetic Environment)2 n H$X3 d7 L5 Y“r5 F&q8 c2 n H$X3 d7 L5 Y“r5 F&q8 c 指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。给定场所即空间。所有电磁现象包括全部时间与全部频谱。也就是说，电磁环境是由空间、时间和频谱三关要素组成，所有需要解决的电磁兼容问题都脱离不了这三个要素 2.2.电磁兼容性电磁兼容性(Electmmagnetic Compatibiiity-EMC)(Electmmagnetic Compatibiiity-EMC)&B$J0(a9 W0 G$C&B$J0(a9 W0 G$C对于对于EMCEMC这一概念，作为一门学科，可译为这一概念，作为一门学科，可译为“电磁兼容电磁兼容”，而作为一个设备，而作为一个设备或系统的电磁兼容能力，可称为或系统的电磁兼容能力，可称为“电磁兼容性电磁兼容性”。11.IEC60050(161).IEC60050(161)（IEC-Internal Electronic COmmitteeIEC-Internal Electronic COmmittee即国际电工委员即国际电工委员会）会）电磁兼容术语电磁兼容术语对电磁兼容的定义为：对电磁兼容的定义为：“设备或系统在其电磁环境中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。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。”22.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，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，各种用电设备各种用电设备(分系统、系统，更广义的还包括生物体分系统、系统，更广义的还包括生物体)可以共存并不致引起可以共存并不致引起降级的一门学科。降级的一门学科。”由定义可以看出，由定义可以看出，EMCEMC包括两个方面的含义，即设备或系统产生的电磁发包括两个方面的含义，即设备或系统产生的电磁发射，不致影响其它设备或系统的功能；而本设备或系统的抗干扰能力，又足射，不致影响其它设备或系统的功能；而本设备或系统的抗干扰能力，又足以使本设备或系统的功能不受其它干扰的影响。以使本设备或系统的功能不受其它干扰的影响。这就又引出了另外两个概念这就又引出了另外两个概念电磁干扰和电磁敏感度。电磁干扰和电磁敏感度。二、电磁兼容基本概念二、电磁兼容基本概念第4页/共32页1.1.电磁环境电磁环境(Electromagnetic Environment)(Electromagnetic Environment)R(B2 n H$X3 d7 L5 Y r5 F&q8 c R(B2 n H$X3 d7 L5 Y r5 F&q8 c 指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。给定场所即空间。所有电磁现象包括全部时间与全部频谱。二、电磁兼容基本概念二、电磁兼容基本概念电磁环境电磁环境(Electromagnetic Environment)(Electromagnetic Environment)包括：包括：自然电磁噪声源：自然电磁噪声源：大气噪声由雷暴时放电产生；大气噪声由雷暴时放电产生；宇宙噪声来自太阳月亮星球行星和银河的辐射；宇宙噪声来自太阳月亮星球行星和银河的辐射；电磁环境电磁环境(Electromagnetic Environment)(Electromagnetic Environment)还包括：还包括：人为电磁噪声源：人为电磁噪声源：弧焊机、弧焊机、RFRF加热器、工业科学和医疗设备、交流高压输电加热器、工业科学和医疗设备、交流高压输电线、汽车点火装置、荧光灯、微波炉、医院设备、高频电热设备、电动机、线、汽车点火装置、荧光灯、微波炉、医院设备、高频电热设备、电动机、通信发射机的有意辐射和杂散辐射等等通信发射机的有意辐射和杂散辐射等等调研表明：调研表明：所有城市的居民平均暴露值是所有城市的居民平均暴露值是0.137V/m，99.9的居民暴露在的居民暴露在1.94V/m以以下的下的E场强度中；场强度中；具有具有V/m量级的环境场强是少有的，但是公寓和办公大楼引起的量级的环境场强是少有的，但是公寓和办公大楼引起的EMI正在正在不断增加，具有不断增加，具有V/m量级的环境场强即使在设备的通带远离干扰频率的情况量级的环境场强即使在设备的通带远离干扰频率的情况下也是设备的潜在干扰源。下也是设备的潜在干扰源。在离人体头部在离人体头部2.5CM处测得手机产生的功率被头部吸收掉的比率与处测得手机产生的功率被头部吸收掉的比率与41V/m的入射场强被头部吸收掉的比率相同的入射场强被头部吸收掉的比率相同电磁环境电磁环境(Electromagnetic Environment)(Electromagnetic Environment)还包括：还包括：电源线传导噪声：电源线传导噪声：在机器车间距离数控机床很远的计算机可能不受辐射在机器车间距离数控机床很远的计算机可能不受辐射场强的影响，但是却对传导噪声敏感等等场强的影响，但是却对传导噪声敏感等等第5页/共32页3.3.电磁干扰电磁干扰(Electromagnetic Interference-EMI)(Electromagnetic Interference-EMI)/F3%Y/F3%Y/H:g/Q#T电磁骚扰会引起的设备、传输通道或系统性能的下降。!W7 f.9 H8,8 F)电磁骚扰电磁骚扰(Electmmagnetic Disturbance)是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或元生命物质产生损害作用的电磁现象。它可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化，它可能引起设备或系统降级或损害，但不一定会形成后果。电磁干扰电磁干扰 由电磁骚扰引起的后果。电磁干扰是由干扰源、藕合通道和接收器三部分构成的。电磁干扰是由干扰源、藕合通道和接收器三部分构成的。通常称作干扰的三要素三要素。根据干扰传播的途径，电磁干扰可分为辐射干扰和传导干扰。分为辐射干扰和传导干扰。辐射干扰辐射干扰(Radiated Interference)(Radiated Interference)通过空间并以电磁波的特性和规律传播的。但不是任何装置都能辐射电磁波的。传导干扰传导干扰(Conducted Interference)(Conducted Interference)沿着导体传播的干扰。所以传导干扰的传播要求在干扰源和接收器之间有一完整的电路连接。第6页/共32页第7页/共32页第8页/共32页第9页/共32页电磁兼容性概论电磁兼容性概论电磁兼容性概论电磁兼容性概论电磁兼容性的基本概念电磁兼容性的基本概念电磁兼容性的基本概念电磁兼容性的基本概念n n电磁干扰电磁干扰开关电源数字脉冲电路数字视频设备220AC第10页/共32页n n常见的干扰源常见的干扰源常见的干扰源常见的干扰源雷电雷电核电磁脉冲核电磁脉冲NEMP脉冲电路脉冲电路ESDESD静电放电静电放电感性负载通断感性负载通断直流电机、变频调速器直流电机、变频调速器电磁兼容性概论电磁兼容性概论电磁兼容性概论电磁兼容性概论电磁兼容性的基本概念电磁兼容性的基本概念电磁兼容性的基本概念电磁兼容性的基本概念第11页/共32页第12页/共32页第13页/共32页1、ESD现象现象静电放电静电放电电源端口信号端口静电放电ESDESD就是累计的静电荷泄放给具有较低对地电阻的另一物就是累计的静电荷泄放给具有较低对地电阻的另一物体，是一种自然现象，这种放点将产生电磁干扰。体，是一种自然现象，这种放点将产生电磁干扰。第14页/共32页传导干扰的实例传导干扰的实例1第第2 2章章 电磁干扰源性质与传输电磁干扰源性质与传输C3、C4表明人体与物体没有直接直流电连接，当手指接触物体时，其间的空隙产表明人体与物体没有直接直流电连接，当手指接触物体时，其间的空隙产生强电场，强电场产生电弧，当电弧发生时，被生强电场，强电场产生电弧，当电弧发生时，被C3旁路的而呈现在放点通路的是旁路的而呈现在放点通路的是LS、RS；R1+R21K30KL1+L20.7HC1+C2150PF第15页/共32页物体中电荷累积和静电势的建立就是存储能量物体中电荷累积和静电势的建立就是存储能量物体中电荷累积和静电势的建立就是存储能量物体中电荷累积和静电势的建立就是存储能量W W：物体中静电形式的能量（：物体中静电形式的能量（J J）C C：物体电容（：物体电容（F F）V V：电压（：电压（V V）可达可达202040KV40KV静电放电时人体能安全承受的电压上限是静电放电时人体能安全承受的电压上限是35KV35KV！第16页/共32页产生电磁干扰的条件产生电磁干扰的条件1.1.突然变化的电压或电流，即突然变化的电压或电流，即dV/dt dV/dt 或或 dI/dt dI/dt 很大很大2.2.辐射天线或传导导体辐射天线或传导导体 设计中，遇到电压、电流的突然变化，需要考虑潜在的设计中，遇到电压、电流的突然变化，需要考虑潜在的电磁干扰问题电磁干扰问题第17页/共32页地线和电源线上的噪声地线和电源线上的噪声Q1Q2Q3Q4R4R2R3R1VCC被被驱驱动动电电路路ICCI驱动驱动I充电充电I放电放电IgVg传导干扰的实例传导干扰的实例2第18页/共32页n n电源线上的噪声：电源线上的噪声：电源线上的噪声：电源线上的噪声：n n图中是一个典型的门电路输出级（图腾柱输出），当输图中是一个典型的门电路输出级（图腾柱输出），当输出为高时，出为高时，Q3Q3导通，导通，Q4Q4截止，相反，当输出为低时，截止，相反，当输出为低时，Q3Q3截截止，止，Q4Q4导通，这两种状态都在电源与地之间形成了高阻抗，导通，这两种状态都在电源与地之间形成了高阻抗，限制了电源的电流。限制了电源的电流。n n但是，当状态发生变化时，会有一段时间但是，当状态发生变化时，会有一段时间Q3Q3和和Q4Q4同时导同时导通，这时在电源和地之间形成了短暂的低阻抗，产生通，这时在电源和地之间形成了短暂的低阻抗，产生3030100100毫安的尖峰电流。当门输出从低变为高时，电源不仅毫安的尖峰电流。当门输出从低变为高时，电源不仅要提供这个短路电流，还要提供给寄生电容充电的电流，要提供这个短路电流，还要提供给寄生电容充电的电流，使这个电流的峰值更大。由于电源线总是有不同程度的电使这个电流的峰值更大。由于电源线总是有不同程度的电感，因此当发生电流突变时，会产生感应电压。这就是在感，因此当发生电流突变时，会产生感应电压。这就是在电源线上观察到的噪声。由于电源线阻抗的存在，也会造电源线上观察到的噪声。由于电源线阻抗的存在，也会造成电压的暂时跌落。成电压的暂时跌落。第19页/共32页n n除此之外还有地线上的噪声：除此之外还有地线上的噪声：除此之外还有地线上的噪声：除此之外还有地线上的噪声：n n在当电源线上产生上述尖峰电流的同时，地线在当电源线上产生上述尖峰电流的同时，地线上必然也流过这个电流，特别是当输出从高变为上必然也流过这个电流，特别是当输出从高变为低时，寄生电容要放电，地线上的峰值电流更大低时，寄生电容要放电，地线上的峰值电流更大（这与电源线上的情况正好相反，电源线上的峰（这与电源线上的情况正好相反，电源线上的峰值电流在输出从低变为高时更大）。由于地线总值电流在输出从低变为高时更大）。由于地线总是有不同程度的电感，因此会感应出电压。这就是有不同程度的电感，因此会感应出电压。这就是地线噪声。是地线噪声。n n地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工地线和电源线上的噪声电压不仅会造成电路工作不正常，而且会产生较强的电磁辐射。作不正常，而且会产生较强的电磁辐射。作不正常，而且会产生较强的电磁辐射。作不正常，而且会产生较强的电磁辐射。第20页/共32页传导干扰的实例传导干扰的实例3第第2 2章章 电磁干扰源性质与传输电磁干扰源性质与传输第21页/共32页地线干扰对电路的影响地线干扰对电路的影响地线干扰对电路的影响地线干扰对电路的影响1324寄生电容第22页/共32页n n 当门当门当门当门1 1 1 1的输出从高变为低时，会发生以下过程：的输出从高变为低时，会发生以下过程：的输出从高变为低时，会发生以下过程：的输出从高变为低时，会发生以下过程：n n 寄生电容通过门寄生电容通过门寄生电容通过门寄生电容通过门1 1 1 1放电，很大的地电流流过地线阻抗，在门放电，很大的地电流流过地线阻抗，在门放电，很大的地电流流过地线阻抗，在门放电，很大的地电流流过地线阻抗，在门2 2 2 2的地线上形的地线上形的地线上形的地线上形成地线电压，由于门成地线电压，由于门成地线电压，由于门成地线电压，由于门2 2 2 2输出低电平，这个电压直接反应到门输出低电平，这个电压直接反应到门输出低电平，这个电压直接反应到门输出低电平，这个电压直接反应到门2 2 2 2的输出端，成为的输出端，成为的输出端，成为的输出端，成为门门门门4 4 4 4 的输入信号。当幅度超过门的输入信号。当幅度超过门的输入信号。当幅度超过门的输入信号。当幅度超过门4 4 4 4的噪声门限时，导致门的噪声门限时，导致门的噪声门限时，导致门的噪声门限时，导致门4 4 4 4 误动作。误动作。误动作。误动作。n n 地线上的这些干扰不仅会引起电路的误操作，还会造成传导和辐射发射。地线上的这些干扰不仅会引起电路的误操作，还会造成传导和辐射发射。地线上的这些干扰不仅会引起电路的误操作，还会造成传导和辐射发射。地线上的这些干扰不仅会引起电路的误操作，还会造成传导和辐射发射。为了减小这些干扰，应尽量减小地线的阻抗。为了减小这些干扰，应尽量减小地线的阻抗。为了减小这些干扰，应尽量减小地线的阻抗。为了减小这些干扰，应尽量减小地线的阻抗。n n 注意：对于数字电路，地线阻抗决不是地线电阻。例如，宽注意：对于数字电路，地线阻抗决不是地线电阻。例如，宽注意：对于数字电路，地线阻抗决不是地线电阻。例如，宽注意：对于数字电路，地线阻抗决不是地线电阻。例如，宽0.5mm0.5mm0.5mm0.5mm的印制的印制的印制的印制线，每英寸电阻为线，每英寸电阻为线，每英寸电阻为线，每英寸电阻为12m12m12m12m ，电感是电感是电感是电感是15151515nHnHnHnH，对于对于对于对于160160160160MHzMHzMHzMHz的信号，其阻抗为的信号，其阻抗为的信号，其阻抗为的信号，其阻抗为9.24 9.24 9.24 9.24 ，远大于直流电阻。因此对于数字电路，减小地线电感是十分重要的。远大于直流电阻。因此对于数字电路，减小地线电感是十分重要的。远大于直流电阻。因此对于数字电路，减小地线电感是十分重要的。远大于直流电阻。因此对于数字电路，减小地线电感是十分重要的。第23页/共32页传导干扰的实例传导干扰的实例3及解决方案及解决方案第第2 2章章 电磁干扰源性质与传输电磁干扰源性质与传输第24页/共32页（三）传导干扰的实例：解决方案（三）传导干扰的实例：解决方案第第2 2章章 电磁干扰源性质与传输电磁干扰源性质与传输第25页/共32页电磁兼容三大技术电磁兼容三大技术n n接地技术n n滤波技术：无源滤波、有源滤波n n屏蔽技术第26页/共32页滤波电路实例：滤波电路实例：第27页/共32页