EMC設(shè)計(jì)之EMC電磁兼容的基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)析

01

電磁兼容簡(jiǎn)介

電磁的危害

電磁兼容屬于偏門(mén)的科學(xué)，但又非常重要，涉及的技術(shù)和知識(shí)領(lǐng)域非常廣泛；可以說(shuō)這是一門(mén)貫穿電子技術(shù)的學(xué)科。

電磁干擾已經(jīng)成為了微電子、數(shù)字電路、模擬電路技術(shù)發(fā)展的巨大障礙，也是瓶頸！

電磁兼容基本概念

電磁兼容是指電氣，電子設(shè)備在指定的電磁環(huán)境中，對(duì)外不產(chǎn)生過(guò)大的電子噪聲，同時(shí)又能抵抗一定的外界電磁干擾的能力。

20世紀(jì)90年代，歐盟率先對(duì)進(jìn)入其地區(qū)的電氣電子產(chǎn)品強(qiáng)制EMC認(rèn)證制度，即CE認(rèn)證，隨后各國(guó)相繼推出自己的標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)FCC,日本的VCCL，我國(guó)的3C等等。

而在電磁兼容性能中，電子產(chǎn)品抗外界雷擊，靜電放電等瞬態(tài)強(qiáng)干擾的能力是其重要的抗干擾能力指標(biāo)。

總而言之，電路保護(hù)設(shè)計(jì)與電磁兼容性能有著密切的關(guān)系，良好的電路保護(hù)設(shè)計(jì)有助于產(chǎn)品電磁兼容性能的提高。

涉及范圍：

◆ 電磁兼容涉及的頻率范圍：400GHZ。

◆ 對(duì)于損壞設(shè)備的現(xiàn)象干擾能量，集中在低頻段，據(jù)相關(guān)資料約90%集中在小于10KHZ。

◆ 高頻部份干擾是對(duì)信號(hào)進(jìn)行破壞或失真現(xiàn)象。

電磁兼容理論基礎(chǔ)

電磁干擾場(chǎng)強(qiáng)基本單位簡(jiǎn)述：

高頻、微波電磁干擾場(chǎng)強(qiáng)的三種單位

電場(chǎng)強(qiáng)度V/m

磁場(chǎng)強(qiáng)度A/m

功率通量密度W/㎡

◆ 電磁干擾功率分貝dB

表示兩個(gè)參量的倍率關(guān)系，通常表達(dá)變化范圍很大的數(shù)值關(guān)系P為場(chǎng)景功率電平P0為基準(zhǔn)功率電平，如公式所示：

電磁環(huán)境問(wèn)題

電磁環(huán)境問(wèn)題不僅是電子工程師和電氣工程師關(guān)心的問(wèn)題，社會(huì)、個(gè)人也十分關(guān)注！電磁環(huán)境問(wèn)題分為自然干擾和人為干擾。

自然干擾 - 靜電

靜電是自然界中最普通的電磁現(xiàn)象，靜電放電在干燥地區(qū)，幾乎每人身上攜帶1.5KV以上的靜電。

靜電是由分子或原子組成，分子又是由原子組成，原子=負(fù)電荷的電子+正電荷的質(zhì)子組成。

自然干擾 - 雷電

雷雨一般沿鋒面幾百千米長(zhǎng)，20～60km寬的帶形地區(qū)發(fā)展，鋒面移動(dòng)速度每小時(shí)50～60km ，最高可達(dá)每小時(shí)100km。

自然干擾 - 自然輻射

人為干擾 - 輻射干擾

人為輻射干擾是指以人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)以電磁波形式傳播的干擾：

◆ 以場(chǎng)源為中心，在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的區(qū)域?yàn)榻鼒?chǎng)。

◆ 半徑在一個(gè)波長(zhǎng)范圍以外的稱之為輻射場(chǎng)。

◆ 近場(chǎng)基本概念：短波30MHZ到微波30GHZ，其波長(zhǎng)為0.01~10米。

◆ 常見(jiàn)的信號(hào)輻射干擾源：發(fā)送設(shè)備、本地振蕩器、非線性器件。

人為干擾 - 傳導(dǎo)干擾

◆ 傳導(dǎo)干擾源：

電磁噪聲干擾：吸塵器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、電源開(kāi)關(guān)、機(jī)動(dòng)車(chē)干擾、斷路器觸點(diǎn)、雷達(dá)發(fā)射機(jī)地線回路等等。

◆ 傳導(dǎo)干擾的特性：

傳導(dǎo)干擾的頻率一般以100MHZ從內(nèi)，其實(shí)它可以達(dá)到GHZ；

不考慮高頻率的原因，是因?yàn)楫?dāng)頻率很高時(shí)，導(dǎo)體損耗以及布線電感和分布電容的作用，傳導(dǎo)功率大大衰減。

02

電磁兼容實(shí)驗(yàn)

2.1 靜電實(shí)驗(yàn)

靜電試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T17626.2(IEC61000-4-2)。

兩種模式

◆ 直接放電(接觸放電)放電槍?zhuān)杭忸^ 。

◆ 間接放電(空氣放電)放電槍?zhuān)喊雸A頭。

試驗(yàn)儀器及放電電流波形

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

◆ 150pF電容代表人體的儲(chǔ)能電容 。

  ◆ 330Ω電阻代表人體在手握工具時(shí)的人體內(nèi)阻。

  ◆ 波形上升沿0.7~1nS,諧波成份包含達(dá)到500MHz。

  ◆ 放電為1次/秒（也有5秒每次）。

  ◆ 一般選定點(diǎn)放電20次（其中正負(fù)各10次）。

  ◆ 試驗(yàn)時(shí)為了保證結(jié)果重復(fù)性和可比性，放電電極與受試設(shè)備表面垂直 。

  注意事項(xiàng)：

  ◆ 同軸及多芯連接觸點(diǎn)。考慮到它們都有一個(gè)金屬的連接器外殼的情況，接觸放電僅僅施加在連接器的金屬外殼上。

  ◆ 對(duì)于非導(dǎo)電外殼（塑料、陶瓷）連接器中可接觸到的觸點(diǎn)，只采用空氣放電來(lái)做試驗(yàn)評(píng)估，采用半圓頭。

  ◆ 不接地設(shè)備，在試驗(yàn)ESD施加之前不能將電荷釋放，有可能儲(chǔ)存兩倍的電荷或電壓。

  ◆ 不接地設(shè)備，將兩次試驗(yàn)的時(shí)間隔加長(zhǎng)，讓前一次衰減到所需要時(shí)間；在接地電纜上采用泄放電阻（2*470KΩ）的炭纖維刷子放電電；空氣離子放電裝置，比較麻煩。

2.2 電快速瞬變脈沖群EFT實(shí)驗(yàn)

電快速瞬變脈沖群EFT標(biāo)準(zhǔn)參考 EFTGB/T17626.4(IEC61000-4-4)

模式及特點(diǎn)

◆ 群脈沖一般發(fā)生在電網(wǎng)中眾多機(jī)械開(kāi)關(guān)在切換過(guò)程（切斷感性負(fù)載、繼電器觸點(diǎn)彈跳等）時(shí)所產(chǎn)生的干擾。

  ◆ 電快速瞬變脈沖群EFT的特點(diǎn)：

? 其脈沖群間隔為300ms。

? 單脈沖寬度為50ns±30% 。

? 脈沖幅度2KV 。

? 脈沖上升沿5ns±30% 。

? 脈沖重復(fù)率為2.5KHz±20%。

? 正、負(fù)脈沖群干擾時(shí)間為1分鐘。

試驗(yàn)儀器及放電電流波形

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)?

◆ 耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的特性參數(shù)如下：

耦合電容：33nF 。

耦合方式：共模 。

容性耦合夾

◆ 耦合段與其它段所有導(dǎo)電結(jié)（受試電纜和接地平面除外）的間距應(yīng)大于0.5m。

? 電纜和耦合夾之間典型的耦合電容（100~1000PF） 。

? 圓電纜可用的直徑范圍4~40mm 。

? 絕緣耐壓能力，5KV（用綜合波的1.2/50uS) 。

◆ 對(duì)于輸入/輸出和通信端口上的連接線的驗(yàn)收試驗(yàn)采用耦合夾的耦合方式。

◆ 產(chǎn)生于感性負(fù)載的投切、繼電器切點(diǎn)彈動(dòng)的瞬間，這種干擾以共?；虿钅７绞接绊懚丝冢?a target="_blank">電源、信號(hào)、控制端口），對(duì)操作系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞性。

◆ EFT/GB三極標(biāo)準(zhǔn)：

供電端口和模擬量端口 。

共模抗干擾能力，峰值2KV，波形重復(fù)頻率為5KHZ 。

差?？垢蓴_能力，峰值1KV，波形重復(fù)頻率為5KHZ 。

◆ I/O信號(hào)/數(shù)據(jù)和控制端口

共?？垢蓴_能力，峰值1KV，波形重復(fù)頻率為5KHZ 。

差?？垢蓴_能力，峰值0.5KV，波形重復(fù)頻率為5KHZ。

2.3 浪涌實(shí)驗(yàn)

浪涌抗擾度試驗(yàn)GB/T 17626.5（IEC61000-4-5）

模式及特點(diǎn)

◆ 組合波形基本性能要求：

? 開(kāi)路輸出電壓符合1.25/50 。

? 發(fā)生器內(nèi)阻為2Ω10%誤差 。

? 要形成12、42Ω內(nèi)阻 。

? 浪涌輸出極性正負(fù) 。

? 相位：0~360度。

◆ 通信線路組合波形基本性能要求：

? 開(kāi)路輸出電壓符合10/700 。

? 發(fā)生器動(dòng)態(tài)內(nèi)阻為4Ω 。

? 浪涌輸出極性正負(fù)。

試驗(yàn)儀器以及原理

2.4 射頻場(chǎng)感應(yīng)實(shí)驗(yàn)

射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾GB/T 17626.6（IEC61000-4-6）

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)的輻射干擾測(cè)試方法是在符合要求的開(kāi)放試驗(yàn)場(chǎng)上進(jìn)行，射頻發(fā)射機(jī)※產(chǎn)生空間電磁場(chǎng)，這些磁場(chǎng)對(duì)敏感設(shè)備的各種連接饋線上感應(yīng)電流（電壓），作用于設(shè)備的敏感設(shè)備。

試驗(yàn)等級(jí)：頻率范圍150K~80MHz(可以擴(kuò)展到230MHz）。

指中短發(fā)射機(jī)、調(diào)頻發(fā)射機(jī)、電視發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

試驗(yàn)框架

2.5 電波暗室實(shí)驗(yàn)

電波暗室EN5502/EN61000-4-3 暗室分為半電波和全電波暗室。

半電波暗室

接收天線收到的場(chǎng)是直射波與反射波的矢量和，兩者相位關(guān)系；

最大場(chǎng)強(qiáng)，只有反射波路徑與直射波路徑之差等于自由空間波長(zhǎng)的整數(shù)倍兩個(gè)相位的場(chǎng)模相加值。

全電波暗室

全波暗室區(qū)別是不接收同平面地場(chǎng)的反射，理想狀態(tài)是電波傳播的特性應(yīng)該與自由空間區(qū)相同。