EMC入門：干擾耦合原理詳解

1.綜素

1.1?介紹

擾可以通過不同的方式耦合到電氣設(shè)備和散播開來。本節(jié)講述了不同的耦合方式，或者說耦合機(jī)理。本節(jié)還講述了哪些參數(shù)會(huì)決定耦合干擾信號(hào)的大小。在本文末尾，還給出了一個(gè)列表，用來說明對(duì)每一種耦合所應(yīng)采取的措施。

清楚地了解各種耦合機(jī)理，影響耦合的參數(shù)，以及合適的基本解決方案，對(duì)于在工業(yè)設(shè)備中明確并正確選擇 EMC 措施來說，是非常必要的。

1.2 本文內(nèi)容

干擾耦合機(jī)理；

電流耦合；

感性耦合；

容性耦合；

輻射耦合；

電磁波感應(yīng)；

對(duì)各種耦合都應(yīng)該采取哪些措施；

2.干擾耦合機(jī)理 2.1?綜述

為了在規(guī)劃和服務(wù)過程中使用正確的EMC措施，您需要了解耦合干擾的類型，效果以及傳輸方式。唯其如此，才能有效地處理相關(guān)問題。

一般來說，關(guān)于在電磁場(chǎng)中進(jìn)行能量傳輸?shù)奈锢矶啥歼m用于耦合過程。

2.2?傳輸方式

干擾信號(hào)可以通過一根導(dǎo)線(定向的) 或者通過空間(非定向的/輻射的) 來進(jìn)行傳輸。干擾信號(hào)通常以線路定向干擾和輻射干擾的形式同時(shí)出現(xiàn)，并且耦合到輸入，輸出，電源以及數(shù)據(jù)線。

2.3?波長“尺寸”

如果干擾變量的波長大于源和接收器的特征尺寸，電磁場(chǎng)傳輸機(jī)制被分別進(jìn)行監(jiān)控。

與公共阻抗在重要的電路(源和接收器)的電流耦合；

與源以及接收器的公共磁場(chǎng)的感性耦合(低通場(chǎng)耦合)；

與源與接收器之間的電場(chǎng)的容性耦合(低通場(chǎng)耦合)；

2.4?“短”波長

如果干擾信號(hào)的波長等于或者小于源和接收器的特征尺寸，則必須監(jiān)控電磁場(chǎng)上的耦合。下面的機(jī)制在其中發(fā)揮作用：

和線路中的電磁波活動(dòng)相伴的電磁波感應(yīng)；

通過空間進(jìn)行的輻射耦合；

2.5?耦合機(jī)理

通過以下機(jī)理發(fā)生干擾耦合：

3.電流耦合 3.1 機(jī)理

電流耦合屬于線路定向耦合。在線路段被不同的電路所共享的時(shí)候，會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。每當(dāng)其中一個(gè)電路的電流發(fā)生改變時(shí)，就會(huì)在公共線上產(chǎn)生電壓變化，這樣就?使得各個(gè)電路相互影響。

電流耦合通常發(fā)生在以下電路中：

不同電路到同一電源的耦合；

在工作電路和接地電路之間的耦合(大地電路耦合)；

通過一個(gè)公共參考導(dǎo)體系統(tǒng)來使不同的電路進(jìn)行耦合；

3.2?舉例

下面給出了具有一個(gè)公共參考導(dǎo)體的兩個(gè)電路的圖示。

字符定義：

當(dāng)一個(gè)電路按如上圖所示的方式進(jìn)行接線時(shí)，開啟電路 1 中的接觸器會(huì)導(dǎo)致公共線?阻抗 ZL 上的壓降。這個(gè)壓降會(huì)以干擾信號(hào)的形式覆蓋電路 2 中的正常信號(hào)。

3.3?干擾的大小

干擾的強(qiáng)度取決于公共導(dǎo)體的阻抗和電流改變的程度。

注意：過高的瞬態(tài)干擾電流會(huì)產(chǎn)生極大的壓降。

在一個(gè)公共導(dǎo)體上因電流改變而產(chǎn)生的壓降：

字符定義：

?

（1）實(shí)際電阻 RL

直流歐姆電阻 RL 對(duì)頻率在千赫茲范圍內(nèi)的電流有效。使用一個(gè)橫截面足夠?qū)挼木€路會(huì)解決這個(gè)問題。

（2）趨膚效應(yīng)電阻 RSK

因?yàn)橼吥w效應(yīng)而增加的電阻，其變化值遵循以下公式：

字符定義：

（3）線路感應(yīng)系數(shù) LL

自感應(yīng)系數(shù) LL 取決于線路的幾何尺寸以及到地的距離，在使用了表面積更大的導(dǎo)體以后可以減少到原來的十分之一。在使用了標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)線路和配線的情況下，它的值約為：

（4）線路幾何尺寸的影響

在下面的圖示中，給出了線路幾何尺寸對(duì)取決于頻率的有效電阻 R 的影響。左面的圖表示具有圓形橫截面的導(dǎo)體的情況，右面的圖則對(duì)應(yīng)具有矩形橫截面的導(dǎo)體的情況。

注意：可以通過采用表面積更大的導(dǎo)體來降低有效電阻，從而降低高頻干擾電流的影響。

4.感性耦合 4.1?機(jī)理

感性耦合-抑或有時(shí)被稱為變壓器耦合-是一種經(jīng)由電磁場(chǎng)進(jìn)行的耦合。這種耦合在彼此并行的線路之間發(fā)生。一條線路中的電流變化會(huì)引起電磁場(chǎng)的波動(dòng)。電磁場(chǎng)會(huì)影響并行線路，并在其中引起感應(yīng)電壓。這樣一來就會(huì)有電流流過，產(chǎn)生干擾信號(hào)，從而覆蓋掉原來的有用信號(hào)。

電感性耦合產(chǎn)生于電纜，線束和電纜管道中的并行線路。

眾所周知的干擾源包括：

具有較高的和波動(dòng)的工作和干擾電流?(短路電流) 的導(dǎo)體和電氣設(shè)備；

雷擊放電電流；

電容開關(guān)；

焊接電流發(fā)生器；

下面的電路圖給出了電感性耦合的產(chǎn)生方式。由啟動(dòng)較大的負(fù)載或者短路而造成的?電路 1 中的電流變化，引發(fā)了磁場(chǎng)的波動(dòng)。

4.2?干擾的大小

由電感性耦合引起的干擾電壓，取決于兩個(gè)導(dǎo)體間的感應(yīng)耦合系數(shù)MK，以及在電源線中的電流變化率di/dt：

4.3?感應(yīng)耦合系數(shù) MK

感應(yīng)耦合系數(shù)MK取決于電路的布局。如果整個(gè)電路通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)變壓器緊湊地排列在一起，在這種情況下耦合系數(shù)最大。

4.4?距離-電纜間距的影響

下面關(guān)于兩個(gè)電路之間發(fā)生的電感性耦合的計(jì)算，表明了電纜間距對(duì)感應(yīng)干擾電壓量的影響：把兩根電纜之間的距離從 4 mm(緊湊結(jié)構(gòu))增加到10cm，在被干擾電路中的感應(yīng)電壓下降了98%!

并行電纜的長度l=100m；

電源線的開關(guān)電流I=100A；

電流浪涌的持續(xù)時(shí)間t=10μs；

在被干擾電路中的感應(yīng)電壓取決于：

? 5.?電容性耦合 5.1?機(jī)理

電容性耦合是通過電場(chǎng)進(jìn)行的耦合。它發(fā)生于相鄰電路之間-比如在較大的電源線電流和信號(hào)線電流之間。在這兩個(gè)電路之間，如果電位差發(fā)生波動(dòng)，那么就會(huì)有電流流過位于它們之間的絕緣介質(zhì)，比如說空氣。彼此相臨近的兩條線路可以看作是一個(gè)電容器的兩極，用耦合電容CK表示。

對(duì)于這種耦合來說，眾所周知的干擾源包括：

關(guān)斷電源線；

感應(yīng)開關(guān)；

雷擊放電；

靜電放電；

下面的電路給出了電容性耦合的形成過程。電路1代表一個(gè)具有較高電流的電源線，電路2是一個(gè)模擬測(cè)量線路。當(dāng)高電流的電源線關(guān)斷時(shí)，在兩條相鄰的線路之間的電位差發(fā)生了變化。干擾電流iK從耦合電容上流過。

字符定義：

5.2?干擾大小

由電容性耦合所引起的干擾電流 ISt，其大小取決于位于兩個(gè)導(dǎo)體之間的耦合電容CK，以及電源線上電壓變化 du/dt 所持續(xù)的時(shí)間。

在敏感設(shè)備 ( 電路 2) 中產(chǎn)生的干擾電壓取決于：

注意：在敏感設(shè)備中產(chǎn)生的干擾電壓和該設(shè)備中的阻抗值成正比。與此同時(shí)，這個(gè)阻抗又隨著干擾信號(hào)頻率的增加而增加。這樣就使得雙方之間存在著彼此影響的關(guān)系。

帶有高值阻抗的傳輸線路，和低阻抗線路相比，對(duì)干擾更為敏感一些。

如果“連接夾”處干擾電容上的電壓頻率增加，那么干擾電流會(huì)隨之而增加。

在高頻干擾中，比較大的耦合電容會(huì)引起彼此間互相感應(yīng)的電路之間的短路。

5.3?耦合電容CK

耦合電容 CK 隨著線路之間并行長度的增加而線性增加，與此同時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)?算方法，耦合電容隨著線路之間距離的增加而減小。

注意：當(dāng)線路間距離為 20 cm 時(shí)，CK發(fā)生變化的程度很小。

6.?輻射耦合 6.1?機(jī)理

當(dāng)一些系統(tǒng)部件被與該部件尺寸相匹配波長的電磁波所激發(fā)時(shí)，就會(huì)輻射能量，并通過電磁場(chǎng)向接收器傳播。由環(huán)路，偶極子或者單地線構(gòu)成的天線就屬于此類敏感部件。

在這種情況下，眾所周知的干擾源包括：

屏蔽不夠充分的高頻設(shè)備；

無線電廣播和電視廣播設(shè)備；

熒光燈；

無線電話機(jī)，蜂窩電話(移動(dòng)電話)；

6.2?干擾的大小

激發(fā)和輻射的強(qiáng)度，取決于部件尺寸和波長的比例。接收的電壓量可以通過如下公式來進(jìn)行估算：

字符定義：

注意：

在干擾信號(hào)的頻率達(dá)到30兆赫茲或者更高時(shí)，輻射耦合會(huì)比較顯著。

如果“天線”的長度是波長的整數(shù)倍，那么干擾效果會(huì)最強(qiáng)。

7.?電磁波感應(yīng) 7.1?機(jī)理

如果信號(hào)波長小于部件的尺寸，也就是說信號(hào)為高頻的情況下，電磁波感應(yīng)是并行線路的容性耦合與感性耦合的結(jié)合形式。

在這種情況下，運(yùn)動(dòng)的電磁波會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)和一個(gè)磁場(chǎng)，從而成為干擾源。在線路中的電流和電壓分布，取決于下面給出的其他各種因素：

線路的波阻；

線路的終接電阻；

如果在連接點(diǎn)的波阻發(fā)生了變化，或者波阻和終接電阻不一樣大的話，在線路中或者末端就會(huì)發(fā)生信號(hào)反射。這種反射會(huì)把原來進(jìn)入的電磁波覆蓋掉。

在漫游場(chǎng)范圍內(nèi)的線路屬于敏感設(shè)備。在個(gè)體線路之間的耦合，通過線路各自的局部波阻力來實(shí)現(xiàn)。

7.2?干擾大小

耦合干擾的大小，取決于被干擾線路的阻抗。在相關(guān)的導(dǎo)體理論中，已經(jīng)有關(guān)于比率計(jì)算可以用來參考。

8.?對(duì)各種耦合都應(yīng)該采取哪些措施

根據(jù)干擾傳播(耦合)的類型，可以相應(yīng)地采取各種措施來弱化或者消除干擾。關(guān)于各種措施的詳細(xì)說明，會(huì)在下一篇給出：

審核編輯：黃飛

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