EMC兼容設(shè)計技術(shù)課件

1、 電磁兼容設(shè)計技術(shù) 電磁兼容設(shè)計技術(shù)EMC設(shè)計任務(wù)（1）大的電子系統(tǒng)EMC設(shè)計需要用到力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、自動控制、無線電電子學(xué)、能源等多種學(xué)科的專門和綜合知識，同時必須集構(gòu)形設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱控設(shè)計、電源分系統(tǒng)設(shè)計、測控與通信分系統(tǒng)設(shè)計等綜合考慮。而電子系統(tǒng)EMC設(shè)計是與上述諸設(shè)計均相關(guān)的全局性問題。當前科學(xué)技術(shù)向高頻、高速、高靈敏度、高集成度發(fā)展；有時一臺設(shè)備中安裝有幾個單位研制的電路板，目前板級產(chǎn)品的試驗驗收在工程上存在一些實際問題。更重要的是集成度提高的同時也使得系統(tǒng)內(nèi)部電磁環(huán)境異常惡劣。EMC設(shè)計任務(wù)（1）大的電子系統(tǒng)EMC設(shè)計需要用到力學(xué)、光EMC設(shè)計任務(wù)（2）電子系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)首先

2、是把用戶需求轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)的性能和功能要求，確定初步研制計劃。接著把比較籠統(tǒng)的初步研制要求逐步劃分到若干個分系統(tǒng)直至成千上萬個具體研制任務(wù)，通過設(shè)備級研制、生產(chǎn)、測試驗收以及總體電路設(shè)計、總裝設(shè)計等復(fù)雜過程，才能把這些任務(wù)研究所得成果最終完成一個技術(shù)上合理、經(jīng)濟上合算、研制周期短、能協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的電子系統(tǒng)工程設(shè)計，并要求這個系統(tǒng)能有機地隸屬于更大系統(tǒng)的有效組成部分。電子系統(tǒng)EMC設(shè)計要融進整個系統(tǒng)工程設(shè)計中。EMC設(shè)計任務(wù)（2）電子系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)首先是把用戶需求轉(zhuǎn)變EMC設(shè)計程序 （1）EMC設(shè)計從 分析任務(wù)的電磁環(huán)境和功能要求開始，首先在方案設(shè)計的基礎(chǔ)上 對系統(tǒng)頻譜特性進行分析預(yù)測；重點編制EMC設(shè)

3、計規(guī)范；包括確定系統(tǒng)的電磁環(huán)境要求，明確電磁環(huán)境試驗要求；對系統(tǒng)內(nèi)各分系統(tǒng)及其設(shè)備進行EMC分析，預(yù)估計系統(tǒng)內(nèi)的電磁環(huán)境狀況，選定現(xiàn)行有效的EMC標準，并根據(jù)實際工程要求作適當裁剪；提出電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計要求及對接地和搭接、布局和布線、屏蔽、濾波、隔離等設(shè)計技術(shù)的具體實施約定等。EMC設(shè)計程序 （1）EMC設(shè)計從 分析任務(wù)的電磁環(huán)境和功EMC設(shè)計程序（2）EMC設(shè)計分三級，電路組件級、設(shè)備和分系統(tǒng)級、系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間；前兩級的工程實施是第三級的基礎(chǔ)，第三級的設(shè)計要求是前兩級的設(shè)計依據(jù)。EMC設(shè)計工程實施必須從元器件選擇、材料選用開始，搞好電路組件設(shè)計，PCB板設(shè)計和設(shè)備樣機研制；在設(shè)備

4、驗收的基礎(chǔ)上抓好總裝工藝進行系統(tǒng)集成。在電子設(shè)備或系統(tǒng)的EMC設(shè)計中，關(guān)鍵是有源器件的正確選型和印制電路板(PCB)設(shè)計。EMC設(shè)計程序（2）EMC設(shè)計分三級，電路組件級、設(shè)備和分系610/10/2022設(shè)計師應(yīng)具備的設(shè)計理念（1）EMC設(shè)計直接影響著系統(tǒng)的安全性、可靠性、系統(tǒng)精度、界面參數(shù)和環(huán)境控制等功能指標。系統(tǒng)EMC問題不僅僅和電子設(shè)備的設(shè)計相關(guān)，而且與其結(jié)構(gòu)外形、總裝工藝、熱控等等也有直接關(guān)系。610/9/2022設(shè)計師應(yīng)具備的設(shè)計理念（1）EMC設(shè)計710/10/2022設(shè)計師應(yīng)具備的設(shè)計理念（2）EMC設(shè)計是電子系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，只有具備EMC意識的設(shè)計師才能提出性能價格比最

5、佳的設(shè)計方案。電子產(chǎn)品設(shè)計師必須關(guān)注有源器件的開關(guān)速度等特性以及無源器件的非理想特性，因為電磁干擾常常是由無源器件的無意接收和耦合引起的。710/9/2022設(shè)計師應(yīng)具備的設(shè)計理念（2）EMC設(shè)計是建立EMC意識(1)任何復(fù)雜的電子系統(tǒng)都是由最基本的電子單元組成。他們包括導(dǎo)線、連鍵盤、電阻器、電容器、電感器、鐵氧體器件和集成電路模塊等。任何電子單元都有最基本的電性能，稱為理想性能。但一旦他們被安裝在高頻電路中，由于他們自身的高頻特性，或由于寄生電容、寄生電感的存在使其呈現(xiàn)一些非理想特性，這些非理想特性與電子系統(tǒng)中的干擾現(xiàn)象相關(guān)。建立EMC意識(1)任何復(fù)雜的電子系統(tǒng)都是由最基本的電子單元建立E

6、MC意識(2)單根導(dǎo)線單位長度的電阻在低頻時與材料（電導(dǎo)率）和截面積有關(guān)，而高頻時由于趨膚效應(yīng)使得可實際利用的截面積為環(huán)形，單根導(dǎo)線單位長度的電阻隨頻率升高而變大。單根導(dǎo)線單位長度的電感（內(nèi)感），由進入導(dǎo)線內(nèi)部的磁通量引起，高頻集膚效應(yīng)作用，使其隨頻率升高而變小。建立EMC意識(2)單根導(dǎo)線單位長度的電阻在低頻時與材料（單位長度電阻與頻率相關(guān)單位長度電阻與頻率相關(guān)PCB連接盤與集膚效應(yīng)關(guān)系PCB連接盤與集膚效應(yīng)關(guān)系單位長度電感與頻率相關(guān)單位長度電感與頻率相關(guān)建立EMC意識(3)一對導(dǎo)線單位長度的電感（外感）是單位長度導(dǎo)線間的磁通量與該磁通量產(chǎn)生的電流之比。電流需要構(gòu)成回路。能在兩點間傳輸信號的

7、平行導(dǎo)體叫傳輸線。傳輸線可以是雙線、無限大平面上的單根導(dǎo)線或同軸線。源端可以是數(shù)字邏輯門、發(fā)射器。終端可以是電阻、電感、電容或非線性負載。建立EMC意識(3)一對導(dǎo)線單位長度的電感（外感）是單位長雙線傳輸線雙線傳輸線平板上單根線和同軸線平板上單根線和同軸線建立EMC意識(4)建立完整性信號概念，保證一個數(shù)字脈沖通過傳輸線傳輸時，能夠以要求的電平和波形到達接收器。工程上的實際情況是當數(shù)字信號從一端傳遞到另一端時信號會出現(xiàn)時延。傳輸線上的不連續(xù)和終端負載的不匹配產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象從而導(dǎo)致波形畸變。建立EMC意識(4)建立完整性信號概念，保證一個數(shù)字脈沖通相等傳輸路徑相等傳輸路徑不相等傳輸路徑導(dǎo)致時鐘偏移

8、不相等傳輸路徑導(dǎo)致時鐘偏移高速數(shù)字信號由于邏輯錯誤產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象高速數(shù)字信號由于邏輯錯誤產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象建立EMC意識(5)工程上建立一個電子系統(tǒng)，在電路設(shè)計中不可避免地使用不同的分立元件、電阻器、電感器、電容器。影響元件高頻性能最重要因素之一就是元件連接引線的長度。過長的連接引線在高頻時會使元件性能偏離理想狀態(tài)。下面通過一些圖形了解包含引線的電阻器、電感器、電容器的阻抗特性，建立EMC意識(5)工程上建立一個電子系統(tǒng)，在電路設(shè)計中不含引線電阻的非理想特性（1）含引線電阻的非理想特性（1）含引線電阻的非理想特性（2）含引線電阻的非理想特性（2）不同頻率下電阻器的簡化電路（1）不同頻率下電阻器的簡化電

9、路（1）不同頻率下電阻器的簡化電路（2）不同頻率下電阻器的簡化電路（2）建立EMC意識(6)下面圖告訴我們包含引線的電容器有引線電感和等效串聯(lián)電阻部分。進而告訴我們一個含引線的電容器只能旁路低于電容器自諧振頻率以下的噪聲電流。高于自諧振頻率的電容器呈現(xiàn)感性。建立EMC意識(6)下面圖告訴我們包含引線的電容器有引線電理想電容的頻率響應(yīng)理想電容的頻率響應(yīng)含引線電容的頻率響應(yīng)含引線電容的頻率響應(yīng)帶1/2英寸引線的0.15微法幅頻特性帶1/2英寸引線的0.15微法幅頻特性帶1/2英寸引線的0.15微法相頻特性帶1/2英寸引線的0.15微法相頻特性建立EMC意識(7)下面圖告訴我們包含引線的電感器有引線

10、電感、引線電容和寄生電阻部分。進而告訴我們電感器與導(dǎo)線或連鍵盤串聯(lián)可以阻塞噪聲電流。只有當噪聲頻率低于電感器自諧振頻率，一個含引線的電感器才呈現(xiàn)感性，同時還要電感器提供的阻抗大于負載阻抗時才有效。建立EMC意識(7)下面圖告訴我們包含引線的電感器有引線電理想電感的頻率響應(yīng)理想電感的頻率響應(yīng)含引線電感的頻率響應(yīng)含引線電感的頻率響應(yīng)1.2微亨電感的幅頻特性1.2微亨電感的幅頻特性1.2微亨電感的相頻特性1.2微亨電感的相頻特性大于負載阻抗串聯(lián)電感阻塞噪聲大于負載阻抗串聯(lián)電感阻塞噪聲元器件引線的磁場效應(yīng)元器件引線的磁場效應(yīng)元器件引線的電場效應(yīng)元器件引線的電場效應(yīng)建立EMC意識(8)電路或電磁輻射結(jié)構(gòu)

11、電尺寸小于十分之一波長時稱電小尺寸，可以用集總參數(shù)模型處理問題，它遵守基爾霍夫定律。當電路的最大尺寸大于1/10波長時，必須用麥克斯韋方程組解釋電磁場的分布特性。合理的低頻系統(tǒng)設(shè)計要遵循“回流原則”，即流過低頻電纜束內(nèi)的供電或信號的往返電流代數(shù)和等于“零”。建立EMC意識(8)電路或電磁輻射結(jié)構(gòu)電尺寸小于十分之一波建立EMC意識(9)合理的低頻系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)避免“地回路”，包括直流“地回路”和通過較大電容耦合的交流 “地回路“。電流總是要返回電流源（閉合）。但并不總是沿著電路圖指定的路徑返回，但一定是沿著最低阻抗路徑返回。圖11-6 屏蔽電纜電流低于某個頻率電流流地線，高于某個頻率電流流經(jīng)屏蔽層。

12、建立EMC意識(9)合理的低頻系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)避免“地回路”，包信號返回路徑說明信號返回路徑說明建立EMC意識(10)高頻情況下電阻器等效于電阻器與引線電感串聯(lián)后再與跨接在引線間電容相并聯(lián)構(gòu)成的電路。高頻情況下電容器等效于引線電阻與電感串聯(lián)后再串聯(lián)在電容器的兩側(cè)形成的電路。高頻情況下電感器等效于一個電容跨接在電感上同時在引線兩端串聯(lián)電阻形成的電路。建立EMC意識(10)高頻情況下電阻器等效于電阻器與引線電建立EMC意識(11)高頻地線的阻抗包括電阻、電感兩部分。在EMC領(lǐng)域，認為長于 4的導(dǎo)線具有電壓、電流駐波效應(yīng)。電路頻率很高時，很短的走線也會產(chǎn)生明顯的輻射和感應(yīng)。地線阻抗的存在可能引發(fā)干擾。廣義

13、天線概念是指從電磁場的觀點任何輻射元都可以看作天線效應(yīng)。 “天線集合”概念是指復(fù)雜的系統(tǒng)工程，有時多付天線一起工作，它們之間有可能沒有直接的電氣上的聯(lián)系。人們常稱這些天線為“天線集合”。建立EMC意識(11)高頻地線的阻抗包括電阻、電感兩部分。建立EMC意識(12)高頻接收電路內(nèi)部噪聲可能是放大器元器件和電阻噪聲，外部噪聲則多半來源于信號源、外界無線電波感應(yīng)交流聲、電容漏電流、接地線噪聲、電源紋波、開關(guān)切換引起的沖擊等等。一般來說在f100MHz時，以內(nèi)部噪聲為主。建立EMC意識(12)高頻接收電路內(nèi)部噪聲可能是放大器元器建立EMC意識(13)廣義阻抗匹配概念是電路間或設(shè)備間匹配都涉及到有用信

14、號的傳輸和對無用信號或干擾的抑制。任何元器件、電纜、設(shè)備、天線間都存在耦合效應(yīng)。在EMC領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它所涉及的不僅是有用信號的傳輸，同時強調(diào)電路間或設(shè)備間對無用信號或干擾的抑制?？傮w給設(shè)備下達任務(wù)時應(yīng)該特別提醒產(chǎn)品設(shè)計師在作設(shè)計方案時要盡量選擇獨立接口關(guān)系。建立EMC意識(13)廣義阻抗匹配概念是電路間或設(shè)備間匹配4510/10/2022EMC設(shè)計原則(1)EMC設(shè)計應(yīng)強調(diào)整個壽命期的整體兼容性，從方案論證階段開始，貫穿到方案階段、工程研制階段、定型階段、總裝調(diào)試、使用運行的整個壽命期。EMC設(shè)計應(yīng)遵從折衷原則，系統(tǒng)設(shè)計不追求單臺指標最好，單機設(shè)計不追求單項指標最佳，以系統(tǒng)兼容為主要目的；如

15、接收機靈敏度不是越高越好，在滿足電性能指標前提下，適當降低靈敏度可以提高系統(tǒng)抗干擾能力；又如發(fā)射功率不是越大越好，只要滿足電性能要求，適當降額使用可以有效地控制無意發(fā)射。4510/9/2022EMC設(shè)計原則(1)EMC設(shè)計應(yīng)強調(diào)整4610/10/2022EMC設(shè)計原則（2）EMC設(shè)計一定留有一定裕度，以確保系統(tǒng)的可靠性；但不是裕度越大越好。應(yīng)根據(jù)分系統(tǒng)的重要性提出合理要求，力求達到最佳設(shè)計效果。依設(shè)備對系統(tǒng)性能的重要性，設(shè)備失效可能造成危害程度，對設(shè)備進行分類。4610/9/2022EMC設(shè)計原則（2）EMC設(shè)計一定留有4710/10/2022EMC設(shè)計原則（3）系統(tǒng)EMC設(shè)計要重視把系統(tǒng)EM

16、C要求分解到分系統(tǒng)和設(shè)備中去，設(shè)備和分系統(tǒng)的EMC設(shè)計與該功能性設(shè)計同步進行?？紤]設(shè)備和分系統(tǒng)EMC要求時，遵循對EMC標準剪裁處理，以防止過設(shè)計和欠設(shè)計。EMC設(shè)計考慮的越早，可采取的措施越多，也越易見效，顯然EMC經(jīng)費使用也越少。4710/9/2022EMC設(shè)計原則（3）系統(tǒng)EMC設(shè)計要重4810/10/2022EMC設(shè)計原則（4）在采取抑制干擾措施時，應(yīng)把建立良好接地、搭接系統(tǒng)和合理布線放在首位，這是既經(jīng)濟、又實惠的選擇；因為濾波器昂貴，還會引入不可靠因素，屏蔽措施常帶來重量增加，這兩項使用時要慎重從事。重視采用回避和疏導(dǎo)等技術(shù)策略，常常收到事半功倍的效果，如注意采用例如對輻射方向作方位

17、調(diào)整等回避和疏導(dǎo)等技術(shù)策略，靈活采用空間隔離和時間隔離等分隔技術(shù)。4810/9/2022EMC設(shè)計原則（4）在采取抑制干擾措EMC設(shè)計要求 （1）為實現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)規(guī)定的性能，使其發(fā)揮最佳效能需要運用技術(shù)手段，可采用的技術(shù)措施有接地、搭接技術(shù)，布局、布線技術(shù)，屏蔽技術(shù)，濾波技術(shù)等，推薦綜合設(shè)計法。在電子設(shè)備功能性設(shè)計時，必須控制設(shè)備的無意電磁能量發(fā)射，同時注意想方設(shè)法提高設(shè)備的抗干擾能力，以滿足EMC要求。EMC要求是用具體指標來描述的，EMC要求是否達標必須通過實驗驗證。EMC設(shè)計要求 （1）為實現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)規(guī)定的性能，使其發(fā)揮最EMC設(shè)計要求 （2）EMC要求是由CE RE CS RS四類指

18、標分別量化和控制的。 EMC要求是否達標必須通過實驗驗證。傳導(dǎo)發(fā)射/傳導(dǎo)敏感度與電源母線共阻抗耦合相關(guān)。電源母線阻抗只涉及兩個負載饋電線路的共用部分電源線共阻抗。在考慮滿足傳導(dǎo)發(fā)射限制要求的時候，還要考慮其它因素，如電纜輻射的電磁場的影響等。 EMC設(shè)計要求 （2）EMC要求是由CE RE CS RS四EMC設(shè)計要求 （3）輻射發(fā)射主要是由設(shè)備連接電纜和設(shè)備殼體上的電流流動產(chǎn)生的。這些電流不是設(shè)備進行信號處理或在接口電纜上傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?。它們可能是從設(shè)備某處耦合寄生到設(shè)備外部，并沿共模路徑流動。這些電流會以如下方式耦合到受擾設(shè)備： （1）變壓器導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的耦合； （2）干擾設(shè)備的共模(CM)電壓經(jīng)電容耦合到受擾設(shè)備； （3）直接輻射到與干擾頻段相關(guān)的接收機天線中。EMC設(shè)計要求 （3）輻射發(fā)射主要是由設(shè)備連接電纜和設(shè)備殼體EMC設(shè)計要求 （4）電感和電容耦合稱為串擾。電容串擾已能得到有效控制。電感串擾也可以通過正確的接地、搭接和屏蔽設(shè)計得到控制。串擾在設(shè)備機殼內(nèi)部是個很嚴重的問題。傳導(dǎo)發(fā)射和