電磁兼容基礎(chǔ)知識(shí)_

1、電磁兼容基礎(chǔ)知識(shí)近年來鐵路機(jī)車所用技術(shù)迅猛發(fā)展，對(duì)鐵道技術(shù)的電磁兼容性要求日益提高。采用了微處理器的牽引、制動(dòng)及列車的控制裝置以及分布在全列車上的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)，都更重視設(shè)備的抗干擾性能。隨著機(jī)車電傳動(dòng)方式由交直向交直交的變遷，機(jī)車車輛的牽引和輔助驅(qū)動(dòng)采用大功率、高電壓和高電流上升率以及極高開關(guān)頻率的現(xiàn)代變流技術(shù)，從而提高了功率部分的干擾電勢(shì)。此外，機(jī)車車輛中設(shè)備的安裝面積很有限，這一方面迫使控制裝置和功率部分挨得很近，另一方面也使功率部分和通信與信號(hào)裝置等靠的很近，由此導(dǎo)致了鐵路技術(shù)對(duì)電磁兼容性有著特殊的要求。目前我司產(chǎn)品涉及到的電磁兼容相關(guān)鐵標(biāo)如下：GB/T 17626.2-2006 電磁兼

2、容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)GB/T 17626.3-2006 電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)GB/T 17626.4-2008 電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)GB/T 17626.5-2008 電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)GB/T 17626.6-2008 電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)基于此，特對(duì)電磁兼容相關(guān)資料進(jìn)行整合，以期給從事技術(shù)及相關(guān)工作的同事帶來一些幫助，拋磚引玉。一、名詞解釋電磁騷擾：任何可能引起設(shè)備、裝置或系統(tǒng)性能降低或者有生命或者無(wú)生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁兼容（EMC)：

3、一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不會(huì)對(duì)其工作環(huán)境中的任何事物產(chǎn)生不可承受的的電磁騷擾的能力。 電磁干擾（EMI) ：電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。騷擾抗擾性度：裝置、設(shè)備或系統(tǒng)面臨電磁騷擾不降低運(yùn)行性能的能力。瞬態(tài)：在兩相鄰穩(wěn)定狀態(tài)之間變化的物理量或物理現(xiàn)象，其變化時(shí)間小于所關(guān)注的時(shí)間尺度。脈沖：在短時(shí)間內(nèi)突變，隨后又迅速返回其初始值的物理量。 沖激脈沖：針對(duì)某給定用途，近似于一單位脈沖或狄拉克函數(shù)的脈沖。 尖峰脈沖：持續(xù)時(shí)間較短的單向脈沖。騷擾限值（允許值）：對(duì)應(yīng)于規(guī)定測(cè)量方法的最大電磁騷擾允許電平。 干擾限值（允許值）：電磁騷擾使裝置、設(shè)備或系統(tǒng)最大允許的性能降低

4、。差模電壓 ：一組規(guī)定的帶電導(dǎo)體中任意兩根之間的電壓。 共模電壓：每個(gè)導(dǎo)體與規(guī)定參考點(diǎn)（通常是地或機(jī)殼）之間的相電壓的平均值。 信噪比：規(guī)定條件下測(cè)得的有用信號(hào)電平與電磁噪聲電平之間的比值。 電容耦合：又稱電場(chǎng)耦合或靜電耦合，是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的一種耦合方式。耦合是指信號(hào)由第一級(jí)向第二級(jí)傳遞的過程，一般不加注明時(shí)往往是指交流耦合。退耦：防止前后電路網(wǎng)絡(luò)電流大小變化時(shí)，在供電電路中所形成的電流沖擊對(duì)網(wǎng)絡(luò)的正常工作產(chǎn)生影響。消除電路網(wǎng)絡(luò)之間的寄生耦合。去耦電容：打破系統(tǒng)或電路的端口之間的耦合，以保證正常的操作。旁路電容：在瞬態(tài)能量產(chǎn)生的地方為其提供一個(gè)到地的低阻抗通路。儲(chǔ)能電容：保證在負(fù)載

5、快速變到最重時(shí)電壓不會(huì)下跌。二、EMC問題來源 所有電器和電子設(shè)備工作時(shí)都會(huì)有間歇或連續(xù)性電壓電流變化，有時(shí)變化速率還相當(dāng)快，這樣會(huì)導(dǎo)致在不同頻率內(nèi)或一個(gè)頻帶間產(chǎn)生電磁能量，而相應(yīng)的電路則會(huì)將這種能量發(fā)射到周圍的環(huán)境中。 EMI有兩條途徑離開或進(jìn)入一個(gè)電路：輻射和傳導(dǎo)。信號(hào)輻射是通過外殼的縫、槽、開孔或其他缺口泄漏出去；而信號(hào)傳導(dǎo)則通過耦合到電源、信號(hào)和控制線上離開外殼，在開放的空間中自由輻射，從而產(chǎn)生干擾。很多EMI抑制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)，大多數(shù)時(shí)候下面這些簡(jiǎn)單原則可以有助于實(shí)現(xiàn)EMI屏蔽：從源頭處降低干擾；通過屏蔽、過濾或接地將干擾產(chǎn)生電路隔離以及增強(qiáng)敏感電路的抗干擾

6、能力等。EMI抑制性、隔離性和低敏感性應(yīng)該作為所有電路設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)，這些性能在設(shè)計(jì)階段的早期就應(yīng)完成。 對(duì)設(shè)計(jì)工程師而言，采用屏蔽材料是一種有效降低 EMI 的方法。如今已有多種外殼屏蔽材料得到廣泛使用，從金屬罐、薄金屬片和箔帶到在導(dǎo)電織物或卷帶上噴射涂層及鍍層(如導(dǎo)電漆及鋅線噴涂等)。EMC設(shè)計(jì)的目的： 自身功能實(shí)現(xiàn)：設(shè)備內(nèi)部電路互不干擾，達(dá)到預(yù)期的功能； 對(duì)外干擾低：設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度低于特定的極限值； 對(duì)內(nèi)抗擾能力強(qiáng)：設(shè)備對(duì)外界的干擾具有一定的抵抗能力。EMC存在的三要素： 干擾源； 敏感裝置； 耦合途徑。以上三要素缺一不可，所以我們的EMC設(shè)計(jì)也就是圍繞以上三要素而展開，通常采取

7、的措施有： 減少干擾源的強(qiáng)度； 切斷耦合途徑； 耦提高設(shè)備抗干擾的能力。電磁干擾存在三個(gè)巧合： 時(shí)間巧合 空間巧合 頻率巧合只有三個(gè)巧合同時(shí)發(fā)生，才會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，所以在產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用中，電磁干擾存在隨機(jī)性、不確定性。 注意：低頻最怕回路大，高頻最怕導(dǎo)線長(zhǎng)！三、EMC常用元件介紹 3.1共模電感 由于EMC 所面臨解決問題大多是共模干擾，因此共模電感是我們常用的有力元件之一。以下簡(jiǎn)單介紹一下共模電感的原理及使用情況。 共模電感是以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個(gè)尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對(duì)稱地繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個(gè)四端器件，要對(duì)于共模信號(hào)呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對(duì)于差

8、模信號(hào)呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。原理是流過共模電流時(shí)磁環(huán)中的磁通相互疊加，從而具有相當(dāng)大的電感量，對(duì)共模電流起到抑制作用，而當(dāng)兩線圈流過差模電流時(shí)，磁環(huán)中的磁通相互抵消，幾乎沒有電感量，所以差模電流可以無(wú)衰減地通過。因此共模電感在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號(hào)，而對(duì)線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)無(wú)影響。 共模電感應(yīng)滿足以下要求： 1）繞制在磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時(shí)過電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。 2）當(dāng)線圈流過瞬時(shí)大電流時(shí)，磁芯不要出現(xiàn)飽和。 3）線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。 4）線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)

9、線圈對(duì)瞬時(shí)過電壓的抑制能力。 通常情況下，同時(shí)注意選擇所需濾波的頻段，共模阻抗越大越好，因此我們?cè)谶x擇共模電感時(shí)需要看器件資料，主要根據(jù)阻抗頻率曲線選擇。另外選擇時(shí)注意考慮差模阻抗對(duì)信號(hào)的影響，主要關(guān)注差模阻抗，特別注意高速端口。3.2磁珠 鐵氧體材料是鐵鎂合金或鐵鎳合金，這種材料具有很高的導(dǎo)磁率，他可以是電感的線圈繞組之間在高頻高阻的情況下產(chǎn)生的電容最小。鐵氧體材料通常在高頻情況下應(yīng)用，因?yàn)樵诘皖l時(shí)他們主要程電感特性，使得線上的損耗很小。在高頻情況下，它們主要呈電抗特性比并且隨頻率改變。實(shí)際應(yīng)用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高頻衰減器使用的。實(shí)際上，鐵氧體較好的等效于電阻以及電感的并聯(lián)，低頻

10、下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當(dāng)高，以至于電流全部通過電阻。鐵氧體是一個(gè)消耗元件，高頻能量在上面轉(zhuǎn)化為熱能，這是由它的電阻特性決定的。 鐵氧體磁珠與普通的電感相比具有更好的高頻濾波特性。鐵氧體在高頻時(shí)呈現(xiàn)電阻性，相當(dāng)于品質(zhì)因數(shù)很低的電感器，所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗，從而提高高頻濾波效能。在低頻段，阻抗由電感的感抗構(gòu)成，低頻時(shí)R很小，磁芯的磁導(dǎo)率較高，因此電感量較大，L 起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；并且這時(shí)磁芯的損耗較小，整個(gè)器件是一個(gè)低損耗、高Q特性的電感，這種電感容易造成諧振因此在低頻段，有時(shí)可能出現(xiàn)使用鐵氧體磁珠后干擾增強(qiáng)的現(xiàn)象。在高頻段，阻抗由電阻成分構(gòu)

11、成，隨著頻率升高，磁芯的磁導(dǎo)率降低，導(dǎo)致電感的電感量減小，感抗成分減小 但是，這時(shí)磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導(dǎo)致總的阻抗增加，當(dāng)高頻信號(hào)通過鐵氧體時(shí)，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。 鐵氧體抑制元件廣泛應(yīng)用于印制電路板、電源線和數(shù)據(jù)線上。如在印制板的電源線入口端加上鐵氧體抑制元件，就可以濾除高頻干擾。鐵氧體磁環(huán)或磁珠專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，它也具有吸收靜電放電脈沖干擾的能力。 使用片式磁珠還是片式電感主要還在于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。在諧振電路中需要使用片式電感。而需要消除不需要的 EMI 噪聲時(shí)，使用片式磁珠是最佳的選擇。片式電感：射頻（RF）和無(wú)線通訊，信息技術(shù)設(shè)

12、備，雷達(dá)檢波器，汽車電子，蜂窩電話，尋呼機(jī)，音頻設(shè)備，PDAs（個(gè)人數(shù)字助理），無(wú)線遙控系統(tǒng)以及低壓供電模塊等。片式磁珠：時(shí)鐘發(fā)生電路，模擬電路和數(shù)字電路之間的濾波，I/O 輸入/輸出內(nèi)部連接器（比如串口，并口，鍵盤，鼠標(biāo)，長(zhǎng)途電信，本地局域網(wǎng)），射頻（RF）電路和易受干擾的邏輯設(shè)備之間，供電電路中濾除高頻傳導(dǎo)干擾，計(jì)算機(jī)，打印機(jī)，錄像機(jī)，電視系統(tǒng)和手提電話中的EMI噪聲抑止。 磁珠的單位是歐姆，因?yàn)榇胖榈膯挝皇前凑账谀骋活l率產(chǎn)生的阻抗來標(biāo)稱的，阻抗的單位也是歐姆。磁珠的DATASHEET上一般會(huì)提供頻率和阻抗的特性曲線圖，一般以100MHz 為標(biāo)準(zhǔn)，比如是在100MHz頻率的時(shí)候磁珠的阻抗

13、相當(dāng)于1000歐姆。針對(duì)我們所要濾波的頻段需要選取磁珠阻抗越大越好，通常情況下選取600歐姆阻抗以上的。另外選擇磁珠時(shí)需要注意磁珠的通流量，一般需要降額80處理，用在電源電路時(shí)要考慮直流阻抗對(duì)壓降影響。3.3壓敏電阻壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低

14、頻信號(hào)線路、帶饋電的天饋線路。壓敏電阻的失效模式主要是短路，當(dāng)通過的過電流太大時(shí)，也可能造成閥片被炸裂而開路。壓敏電阻使用壽命較短，多次沖擊后性能會(huì)下降。因此由壓敏電阻構(gòu)成的防雷器長(zhǎng)時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問題。3.4 TVS管TVS是一種新型高效電路保護(hù)器件，它具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級(jí))和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，以吸收一個(gè)瞬間大電流，從而把它的兩端電壓鉗制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因?yàn)槿绱?，TVS可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電

15、壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。TVS管是瞬態(tài)電壓抑制器（TransientVoltageSuppressor）的簡(jiǎn)稱。它的特點(diǎn)是：響應(yīng)速度特別快（為ps級(jí)）；耐浪涌沖擊能力較放電管和壓敏電阻差，其10/1000s波脈沖功率從400W30KW，脈沖峰值電流從0.52A544A；擊穿電壓有從6.8V550V的系列值，便于各種不同電壓的電路使用。TVS管有單向與雙向之分（單向的型號(hào)后面的字母為“A”，雙向的為“CA”），單向TVS管的特性與穩(wěn)壓二極管TVS管使用時(shí)，一般并聯(lián)在被保護(hù)電路上。為了限制流過TVS管的電流不超過管子允許通過的峰值電流IPP，應(yīng)在線路上串聯(lián)限流元件，如電阻、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、電感

16、等。相似，雙向TVS管的特性相當(dāng)于兩個(gè)穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)。TVS管與壓敏電阻對(duì)比：共同點(diǎn)：TVS管，壓敏電阻不具有開關(guān)特性，而都具有穩(wěn)壓特性。不同點(diǎn)： 從反應(yīng)速度來看，TVS管的反應(yīng)速度很快，為ps級(jí)，而壓敏電阻反應(yīng)速度較慢，為ns級(jí)。 TVS管的可靠性高，不易劣化，使用壽命長(zhǎng)。而壓敏電阻的可靠性較差，易老化，使用壽命較短。 壓敏電阻鉗制電壓高、成本低，而TVS鉗制電壓比較低，但價(jià)格較高。四、特殊器件的布局4.1電源部分在分散供電的單板上都要一個(gè)或多個(gè)DC/DC電源模塊，加上與之相關(guān)的電路，如濾波、防護(hù)等電路共同構(gòu)成單板電源輸入部分。現(xiàn)代的開關(guān)電源是EMI產(chǎn)生的重要源頭，干擾頻帶可以達(dá)到300

17、MHz以上，系統(tǒng)中多個(gè)單板都有自己獨(dú)立的電源，但干擾卻能通過背板或空間傳播到其他的單板上，而單板供電線路越長(zhǎng)，產(chǎn)生的問題越大，所以電源部分必須安裝在單板電源入口處。如果存在大面積的電源部分，也要求統(tǒng)一放在單板一側(cè)。下面是一個(gè)比較好的放置方法，也是大多數(shù)單板所采用的方法。電源部分放置方向主要是考慮輸入輸出線順暢，避免交叉。另外，因?yàn)橥鶈伟宓碾娫床糠窒鄬?duì)比較獨(dú)立，而又常常會(huì)產(chǎn)生EMI的問題，所以推薦利用過孔帶或分割線將電源部分和其他電路部分進(jìn)行隔離，見下圖：4.2時(shí)鐘部分時(shí)鐘往往是單板最大的干擾源，也是進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)最需要特殊處理的地方。布局時(shí)一方面要使時(shí)鐘源離單板四角（尤其是螺釘安裝孔）距離

18、盡量大，另一方面要使時(shí)鐘輸出到負(fù)載的走線盡量短。多層板時(shí)，要優(yōu)先考慮布內(nèi)層，并進(jìn)行必要的匹配、屏蔽等處理。4.3電感線圈線圈（包括繼電器）是最有效的接受和發(fā)射磁場(chǎng)的器件（在繼電器選型時(shí)應(yīng)盡量考慮采用固態(tài)繼電器）。建議線圈放置在離EMI遠(yuǎn)盡量遠(yuǎn)的地方，這些發(fā)射源可能是開關(guān)電源、時(shí)鐘輸出、總線驅(qū)動(dòng)等。線圈下方PCB板上不能有高速走線或敏感的控制線，如果不能避免，就一定要考慮線圈的方向問題，要使場(chǎng)強(qiáng)方向和線圈的平面平行，保證穿過線圈的磁力線最少。4.4濾波器件濾波措施是必不可少也是最常用的對(duì)策手段，原理設(shè)計(jì)中經(jīng)常是注意到了很多的濾波措施，比如去耦電容、磁珠，電源濾波，接口濾波等，但在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)

19、，如果濾波器件的位置放置不當(dāng)，那么濾波效果將大打折扣，甚至起不到濾波作用。濾波器件安裝一般考慮的是就近原則。比如：去耦電容要盡量靠近IC的電源管腳；電源濾波要盡量靠近電源輸入或電源輸出；局部功能模塊的濾波要靠近模塊的入口；對(duì)外接口的濾波（如磁珠等）要盡量靠近接插件。下圖為范例：五、濾波電路在EMC設(shè)計(jì)中，濾波的作用基本上是衰減高頻噪聲，所以濾波器通常都設(shè)計(jì)為低通濾波器。濾波電路的典型結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。圖 低通濾波器的結(jié)構(gòu)形式圖（a）所示為電感濾波器，適用于高頻時(shí)源阻抗和負(fù)載阻抗較小的場(chǎng)合；圖（b）所示為電容濾波器，適用于高頻時(shí)源阻抗和負(fù)載阻抗較大的場(chǎng)合；圖（c）和（d）所示為型濾波器，前者適

20、用于高頻時(shí)源阻抗較小、負(fù)載阻抗較大的場(chǎng)合，后者適用于高頻時(shí)源阻抗較大、負(fù)載阻抗較小的場(chǎng)合；圖（e）所示為型濾波器，適用于高頻時(shí)源阻抗和負(fù)載阻抗較大的場(chǎng)合；圖（f）所示為T型濾波器，適用于高頻時(shí)源阻抗和負(fù)載阻抗較小的場(chǎng)合；下圖為經(jīng)典電源EMI濾波器電路，其中L為共模電感；Cx為X電容，抑制差模干擾；Cy為Y電容，抑制共模干擾。六、常見問題6.1有的電阻標(biāo)值為0 歐姆，這種電阻起什么作用呢? 1）在電路中沒有任何功能，只是在PCB 上為了調(diào)試方便或兼容設(shè)計(jì)等原因； 2)可以做跳線用，如果某段線路不用，直接不貼該電阻即可（不影響外觀）； 3)在匹配電路參數(shù)不確定的時(shí)候，以0歐姆代替，實(shí)際調(diào)試的時(shí)候，確定參數(shù)，再以具體數(shù)值的元件代替；4)想測(cè)某部分電路的耗電流的時(shí)候，可以去掉0歐姆電阻，接上電流表，這樣方便測(cè)耗電流；5)在布線時(shí)，如果實(shí)在布不過去了，也可以加一個(gè)0歐的電阻；6)在高頻信號(hào)下，充當(dāng)電感或電容、電感用，主要是解決 EM