电磁兼容设计技术.ppt

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1、1,为什么要掌握电磁兼容技术,因为：电子电路日益复杂，调试越来越难电磁兼容标准强制实施市场竞争日益激烈，开发周期越来越短,2,为什么要“调”电路,信号畸变,不能达到预期的功能,信号本身失真 反射 损耗,串扰,地线、电源噪声,外界干扰（辐射、传导）,电磁兼容设计,信号完整性,3,电磁兼容设计是必须的,4,设备之间的干扰也不容忽视,开关电源,数字脉冲电路,数字视频设备,220AC,5,怎样对付这些干扰问题,屏蔽,接地,滤波,选什么材料,屏蔽体怎样接地,屏蔽效能取决于什么因素,地线与干扰有什么关系,应该怎样设计地线,怎样实现有效的滤波,为什么滤波并不有效,6,一个干扰的例子,RS105，脉冲电磁场试

2、验,7,消除干扰的措施与结果,共模滤波电容,滤波的测试结果,滤波的软件仿真结果,8,实践电磁兼容技术,课程特点：注重物理概念和应用背景，避免空洞理论和复杂公式内容实用，立竿见影培养解决电磁干扰的综合能力（基本理论、分析方法、问题解决能力等）,9,课程内容,电磁兼容要求（标准）与试验方法地线造成的干扰问题与解决方法电磁屏蔽与搭接电磁干扰滤波技术电缆设计线路板设计,10,对电磁兼容技术有全面的了解 掌握接地、滤波、屏蔽等关键技术 在产品电磁兼容设计方面有明确的思路 使产品顺利通过电磁兼容试验 具备进一步学习的能力,通过学习本课程要达到：,11,第一章,预备知识与基本概念,12,电路之间的干扰,模拟

3、电路,控制电路（处理器）,信号处理,电源,13,电容耦合,电场,VN=VSZL/(ZC+ZL),ZL,VS,VN,容抗：ZC=1/jC,14,电感耦合,I1,VN,15,公共阻抗耦合,数字电路,模拟电路,VN,16,传导性干扰,模拟电路,数字电路,17,天线,接收天线：将天线上的电磁波变成端口上的电压辐射天线：将端口上的电压变成电磁波,V,V,18,基本天线结构,环天线 偶极天线 单极天线,V,V,V,19,环天线产生的辐射,近场区内（D/2）:H=IA/(4D3)A/m E=Z0IA/(2D2)V/m 远场区内（D/2）:H=IA/(2D)A/m E=Z0 IA/(2D)V/m,D,20,导

4、线的辐射,近场区内:H=I L/(4D2)A/m E=Z0I L/(8 2 D3)V/m远场区内:H=I L/(2 D)A/m E=Z0 I L/(2 D)V/m,D,21,波阻抗的概念,波阻抗,377,/2,到观测点距离 r,E/H,ZW=Z0（2D/）,ZW=Z0=377,ZW=Z0（/2D),22,寄生天线,偶极天线：只要两个体之间存在电位差，就构成了偶极天线。环天线：只要存在电流环路，就形成了一个环天线。,23,常见等效偶极(单极)天线,机箱,接地线,PCB,VG,主板,电缆,子板,笔记本,PCB电缆,没接地的散热片,24,常见环天线,25,用天线的概念处理问题,1 用天线的概念看待设

5、备中的导体,发现隐蔽的天线2 尽量消除这些具有天线性能的结构3 不能消除时，控制天线的辐射 减小环天线的面积 减小两个导体之间的射频电压,26,分贝(dB)的概念,分贝的定义：分贝数 10lg,P2,P1,P1、P2 是两个功率数值，对于电流或电压，定义如下：,电压增益的分贝数 20lg,V2,V1,电流增益的分贝数 20lg,I2,I1,27,用分贝表示的物理量,电压：用1V、1mV、1V 为参考（例如：1V=0dBV）则单位为：dBV、dBmV、dBV 等，,电流：用1A、1mA、1A 为参考，则：dBA、dBmA、dBA,场强：用1V/m、1V/m 为参考，则：dBV/m、dBV/m 等

6、，,功率：用1W、1mW 为参考，则：dBW、dBm等，,28,“分贝”仅表示相对概念,99,1,0.1,SE=20lg(100/1.1)40dB,99,1,10,SE=?,如果把绿色辐射体去掉，屏蔽体的屏蔽效能是多少？,29,频域分析,处理电磁干扰的问题必须熟悉频域分析：电磁兼容标准中大部分指标都是在频域中表示的对电磁干扰的各种措施都与频率有关通过频率特征容易查找干扰源,30,频域中表示的辐射发射限值,31,时域 频域变换,时域周期信号,离散的谱线,时域非周期信号,连续频谱,t,f,t,付立叶级数,付立叶变换,32,脉冲信号的频谱,tr、d 的单位s，f的单位MHz，A的单位V,33,脉冲频

7、谱的化简,仅考虑最大值，sinX=1不考虑相位，仅考虑绝对值当X趋于0时，sinX/X=1,V(f)=2Ad,f很小,f较小,f较大,34,脉冲频谱的包络线（对数坐标）,20lg(2Ad),20lg(2A/)20lgf,20lg(2A/2tr)40lgf,dBV/MHz,lg(f),1/d,1/tr,35,周期性脉冲信号的频谱,tr,T,d,A,36,脉冲信号的频谱包络线,dBV,lg(f),1/d,1/tr,37,上升沿越陡高频越丰富,38,扩谱时钟,39,扩频时钟的效果,40,频谱分析仪,幅度,频率,扫描速率（时间）,分辨带宽,频率范围,41,第二章 地线干扰与接地技术,为什么要地线地环路

8、问题与解决方法公共阻抗耦合问题与解决方法各种接地方法,42,安全地,220V,0V,+,+,+,+,+,43,信号地,电路工程师：地线是电位参考点EMC工程师：地线是信号电流流回信号源的低阻抗路径,44,地线引发干扰问题的原因,V=I R,地线电压,地线是等电位的假设不成立,电流走最小阻抗路径,我们并不知道地电流的确切路径,地电流失去控制,45,地线电位示意图,2mV,200mV,2mV 10mV,10mV 20mV,20mV 100mV,100mV 200mV,46,理解地线阻抗,地 线 阻 抗,导线阻抗,回路阻抗,决定了地线电位差,决定了实际地线电流,47,导线的阻抗,Z=RAC+jL,L

9、 1H/m,=1/(f r r)1/2,RAC=0.076r f1/2 RDC,r,电流,深度,0.37I,I,趋肤效应,48,导线的阻抗,高频时，导线的直径作用减小,49,金属条与导线的阻抗比较,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,S/W,金属条阻抗/导线阻抗,50,电流回路的阻抗,L,R,I,Z=R+jLL=/I A,51,地线问题地环路,IG,VG,VN,地环路,I1,I2,52,隔离变压器,屏蔽层只能接2点！,C2,VG,1,2,C1,屏蔽,CP,VG,VS,VN,RL,53,光隔离器,发送,发送,接收,接收,RL,RL,VG,

10、VS,VS,VG,光耦器件,Cp,54,共模扼流圈的作用,Vs,R1,R1,RL,L,VG,IN1,IN2,IS,VS+VN,=R1/L,VN/VG,RL/（RS+RL）,M,f,55,平衡电路对地环路干扰的抑制,VG,RS1,VS1,RS2,RL2,RL1,VS2,IN1,IN2,IS,VL,56,地线问题公共阻抗耦合,电路1,电路2,地电流1,地电流2,公共地阻抗,V,改进1,改进2,57,接地方式种类,信号接地方式,并联单点接地,串联单点接地,混合接地,多点接地,单点接地,58,单点接地,1,2,3,1,2,3,串联单点接地优点：简单缺点：公共阻抗耦合,并联单点接地优点：无公共阻抗耦合缺

11、点：接地线过多,I1,I2,I3,I1,I2,I3,A,B,C,A,B,C,R1,R2,R3,59,串联单点、并联单点混合接地,模拟电路1,模拟电路2,模拟电路3,数字逻辑控制电路,数字信息处理电路,继电器驱动电路,马达驱动电路,60,线路板上的地线,噪声,模拟,数字,61,长地线的阻抗,设备,Z0=(L/C)1/2,R,R,L,L,C,C,FP1=1/2(LC)1/2,ZP=(L)2/R,RAC,RDC,串联谐振,并联谐振,62,多点接地,R1,R2,R3,L1,L2,L3,电路1,电路2,电路3,地线阻抗一定保持很小，避免公共阻抗耦合,镀银（减小表面电阻）良好搭接（减小地线阻抗）宽金属板（

12、减小电感）,63,混合接地,Vs,地电流,Rs,Vs,安全接地,Rs,安全接地,地环路电流,64,放大器屏蔽壳的接地,C1S,C3S,C2S,C1S,C3S,C2S,等效电路,65,接地位置不当造成的干扰,稳压电源,稳压电源,火灾报警器,火灾报警器,66,第三章 电磁屏蔽技术,屏蔽材料的选择 实际屏蔽体的设计,67,电磁屏蔽,屏蔽前的场强E1,屏蔽后的场强E2,对电磁波产生衰减的作用就是电磁屏蔽,电磁屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量:SE=20 lg(E1/E2)dB,68,实心材料屏蔽效能的计算,入射波,场强,距离,吸收损耗A,R1,R2,SE R1 R2 AB,R AB,B,69,吸收损耗的计

13、算,t,入射电磁波E0,剩余电磁波E1,E1=E0e-t/,A 20 lg(E0/E1)=20 lg(e t/)dB,0.37E0,A 8.69(t/)dB,A=3.34 t f rr dB,70,趋肤深度举例,71,反射损耗,R 20 lg,ZW,4 Zs,反射损耗与波阻抗有关，波阻抗越高，则反射损耗越大。,ZS=3.68 10-7 f r/r,远场：377,近场：取决于源的阻抗,同一种材料的阻抗随频率变,72,不同电磁波的反射损耗,远场:R 20 lg,377,4 Zs,4500,Zs=屏蔽体阻抗，D=屏蔽体到源的距离（m）f=电磁波的频率（MHz）,2 D f,D f Zs,Zs,电场:

14、R 20 lg,磁场:R 20 lg,dB,73,影响反射损耗的因素,150,0.1k 1k 10k 100k 1M 10M 100M,平面波,3 108/2r,f,R(dB),r=30 m,电场r=1 m,靠近辐射源,r=30 m,磁场 r=1 m,靠近辐射源,74,综合屏蔽效能(0.5mm铝板),150,250,平面波,0,0.1k 1k 10k 100k 1M 10M,高频时电磁波种类的影响很小,电场波 r=0.5 m,磁场波 r=0.5 m,屏蔽效能（dB）,频率,75,多次反射修正因子的计算,电磁波在屏蔽体内多次反射，会引起附加的电磁泄漏，因此要对前面的计算进行修正。B=20 lg(

15、1-e-2 t/),说明：B为负值，其作用是减小屏蔽效能 当趋肤深度与屏蔽体的厚度相当时，可以忽略 对于电场波，可以忽略,76,怎样屏蔽低频磁场？,低频磁场,低频,磁场,吸收损耗小,反射损耗小,高导电材料,高导磁材料,高导电材料,77,高导磁率材料的磁旁路效果,H0,H1,H0,Rs,R0,H1,R0,Rs,SE=1+R0/RS,78,低频磁场屏蔽产品,79,磁屏蔽材料的频率特性,1,5,10,15,坡莫合金,金属,镍钢,冷轧钢,0.01 0.1 1.0 10 100 kHz,r 103,80,磁导率随场强的变化,磁通密度 B,磁场强度 H,饱和,起始磁导率,最大磁导率,=B/H,81,强磁场

16、的屏蔽,高导磁率材料：饱和,低导磁率材料：屏效不够,低导磁率材料,高导磁率材料,82,加工的影响,20,40,60,80,100,10 100 1k 10k,跌落前,跌落后,83,良好电磁屏蔽的关键因素,屏蔽体导电连续,没有穿过屏蔽体的导体,屏蔽效能高的屏蔽体,不要忘记：选择适当的屏蔽材料,你知道吗：与屏蔽体接地与否无关,84,实际屏蔽体的问题,通风口,显示窗,键盘,指示灯,电缆插座,调节旋钮,实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等,电源线,缝隙,85,远场区孔洞的屏蔽效能,L,L,SE=100 20lgL 20lg f+20lg（1+2.3

17、lg(L/H)=0 dB 若 L/2,H,86,孔洞在近场区的屏蔽效能,若ZC（7.9/Df）：（说明是电场源）SE=48+20lg ZC 20lg L f+20lg(1+2.3lg(L/H)若ZC（7.9/Df）：（说明是磁场源）SE=20lg(D/L)+20lg(1+2.3lg(L/H)（注意：对于磁场源，屏效与频率无关！）,87,缝隙的泄漏,低频起主要作用,高频起主要作用,88,缝隙的处理,电磁密封衬垫,缝隙,89,电磁密封衬垫的种类,金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的)导电橡胶(不同导电填充物的)指形簧片(不同表面涂覆层的)螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的)导电布,90,指形簧片,91,

18、螺旋管电磁密封衬垫,92,电磁密封衬垫的主要参数,屏蔽效能(关系到总体屏蔽效能)回弹力（关系到盖板的刚度和螺钉间距）最小密封压力（关系到最小压缩量）最大形变量（关系到最大压缩量）压缩永久形变（关系到允许盖板开关次数）电化学相容性（关系到屏蔽效能的稳定性）,93,电磁密封衬垫的安装方法,绝缘漆,环境密封,94,不同金属之间发生腐蚀,腐蚀加重,95,截止波导管,损耗,频率,fc,截止频率,频率高的电磁波能通过波导管，频率低的电磁波损耗很大！工作在截止区的波导管叫截止波导。,截止区,96,截止波导管的屏效,截止波导管 屏蔽效能,=,反射损耗：远场区计算公式近场区计算公式,+,吸收损耗圆形截止波导：3

19、2 t/d矩形截止波导：27.2 t/l,孔洞计算屏蔽效能公式,97,截止波导管的损耗,98,截止波导管的设计步骤,孔洞的泄漏不能满足屏蔽要求SE,确定截止波导管的截面形状,确定要屏蔽的最高的频率 f,确定波导管的截止频率 fc,计算截止波导管的截面尺寸,由SE 确定截止波导管的长度,5f,99,显示窗/器件的处理,隔离舱,滤波器,屏蔽窗,滤波器,100,操作器件的处理,屏蔽体上开小孔,屏蔽体上栽上截止波导管,用隔离舱将操作器件隔离出,101,通风口的处理,穿孔金属板,截止波导通风板,102,贯通导体的处理,103,屏蔽电缆穿过屏蔽机箱的方法,在内部可将电缆延伸,表面做导电清洁处理，保持360

20、度连接注意防腐,屏蔽互套,屏蔽体边界,屏蔽电缆,与电缆套360度搭接,104,搭接,电子设备中，金属部件之间的低阻抗连接称为搭接。例如：电缆屏蔽层与机箱之间搭接屏蔽体上不同部分之间的搭接 滤波器与机箱之间的搭接 不同机箱之间的地线搭接,105,搭接不良的滤波器,滤波器接地阻抗,预期干扰电流路径,实际干扰电流路径,106,搭接不良的机箱,V,I,航天飞行器上的搭接阻抗要小于2.5m!,107,搭接阻抗的测量,机柜,搭接阻抗,频率,寄生电容,导线电感,并联谐振点,V,I,Z=V/I,108,不同的搭接条,109,频率不同搭接方式不同,110,搭接面的腐蚀,I,IV,III,II,111,搭接点的保

21、护,112,第四章 干扰滤波技术,干扰滤波在EMC设计中作用 差模干扰和共模干扰 常用滤波电路 怎样制作有效的滤波器 正确使用滤波器,113,滤波器的作用,信号滤波器,电源滤波器,切断干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同构成完善的干扰防护。,114,满足电源线干扰发射和抗扰度要求,115,满足抗扰度及设备辐射发射要求,信号线滤波器,干扰源,116,电缆是主要辐射源,117,用滤波消除辐射,118,共模和差模电流,119,共模/差模干扰的产生,V,V,ICM,ICM,ICM,IDM,120,滤波器的共模插损,IL=U1/U2,121,滤波器的差模插损,IL=U1/U2,122,干扰滤波器类

22、型,C,T,L,反,123,滤波器的级数越多越好吗？,增加级数,降低截止频率,原滤波器,f1,124,器件数与插入损耗的关系,20,40,60,80,100,fc 10fc 100fc 1000fc,5阶 4阶 3阶 2阶 1阶,20N/十倍频程6N/倍频程,插入损耗,dB,125,确定滤波器阶数,50 100,欲衰减20dB,4 6=24 20至少4阶滤波器,10 100,1 20=201阶滤波器就可以了为了保险，可用2阶,欲衰减20dB,L、C的数值决定截止频率,阶数决定过渡带的陡度,126,根据阻抗选用滤波电路,规律：电容对高阻，电感对低阻,127,插入损耗的估算,Fco=1/(2 Rp

23、 C),ZL,Zs、ZL并联,C,IL=20 lg(CRp),IL,IL=20 lg(L/Rs),Fco=Rs/(2 L）,Zs、ZL串联,Zs,L,Zs,ZL,128,电路阻抗对滤波特性的影响,三端电容,铁氧体,129,器件参数的确定,L,C,R,R,L=R/2FC C=1/2RFC对于T形（多级T）和 形（多级）电路，最外边的电感或电容取 L/2 和 C/2，中间的不变。,130,一个干扰的例子,RS105，脉冲电磁场试验,131,消除干扰的措施与结果,共模滤波电容,滤波的测试结果,滤波的软件仿真结果,132,实际电容器的特性,ZC,实际电容,理想电容,f,1/2 LC,C,L,R,电感,

24、电阻,133,表面贴装电容的阻抗特性,134,温度对陶瓷电容容量的影响,0.15,-0.15,0,-55,125,5,-15,0,-55,125,-10,-5,COG,X7R,-60,20,-30,90,-30,0,Y5V,30,%C,%C,%C,135,电压对陶瓷电容容量的影响,COG,X7R,Y5V,20,0,-20,-40,-60,-80,0 20 40 60 80 100%额定电压（Vdc）,%C,136,实际电感器的特性,ZL,理想电感,实际电感,f,1/2 LC,L,C,137,电感寄生电容的来源,每圈之间的电容 CTT导线与磁芯之间的电容CTC,磁芯为导体时，CTC为主要因素，磁

25、芯为非导体时，CTT为主要因素。,138,克服电容非理想性的方法,衰减,电容并联 LC并联 电感并联,小电容,大电容,并联电容,频率,大容量,小容量,139,三端电容器的原理,引线电感与电容一起构成了一个T形低通滤波器在引线上安装两个磁珠滤波效果更好,地线电感起着不良作用,140,三端电容与普通电容的比较,141,三端电容的正确使用,接地点要求：1 干净地2 与机箱或其它较大 的金属件射频搭接,142,贴片三端电容,143,三端电容器的不足,寄生电容造成输入端、输出端耦合,接地电感造成旁路效果下降,144,穿心电容更胜一筹,金属板隔离输入输出端,一周接地电感很小,145,穿心电容的特性,146

26、,穿心电容、馈通滤波器,以穿心电容为基础的馈通滤波器广泛应用于RF滤波,147,馈通滤波器使用注意事项,必须安装在金属板上，并在一周接地 最好焊接，螺纹安装时要使用带齿垫片 焊接时间不能过长 上紧螺纹时扭矩不能过大,148,线路板上使用馈通滤波器,线路板地线面,上面,底面,149,磁芯对电感寄生电容的影响,铁粉芯 C=4.28pf C=3.48pf 19%铁氧体（锰锌）C=51pf C=49pf 4%,150,减小电感寄生电容的方法,然后：起始端与终止端远离（夹角大于40度）尽量单层绕制，并增加匝间距离多层绕制时，采用“渐进”方式绕，不要来回绕分组绕制（要求高时，用大电感和小电感串联起来使用）

27、,如果磁芯是导体，首先：用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离,151,共模扼流圈防止饱和,共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因此磁芯不会饱和。,有意增加漏磁，利用差模电感,152,共模扼流圈的优点,差模电感导致信号失真,共模电感不影响信号,153,电感磁芯的选用,铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低，作差模扼流圈的磁芯,铁氧体：最常用,锰锌：r=500 10000，R=0.1100m,镍锌：r=10 100，R=1k 1Mm,超微晶：r 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心,154,各种铁氧体磁芯,155,电感量与饱和电流的计算,S,D1,D2,饱和电流：Imax=Bmax S(D

28、1-D2)/2L,电感量：L（nH）=0.2 N2 r S(mm)ln(D1/D2),电感量,厂家手册给出,厂家经常给出每匝的电感量“AL”，则 L（nH）=AL N2,156,干扰抑制用铁氧体,157,铁氧体电感高频时成为电阻,铁氧体电感（高损耗）,空心电感（高Q）,158,不同材质的铁氧体有不同的频率特性,159,偏置电流对阻抗的影响,160,铁氧体次环作共模扼流圈使用,161,贴片电感的阻抗,162,贴片电感的滤波效果,163,贴片电感的滤波效果,164,注意频率特性,165,低通滤波器对脉冲信号的影响,166,信号滤波器的安装位置,板上滤波器,无屏蔽的场合,滤波器靠近被滤波导线的靠近器

29、件或线路板一端。,有屏蔽的场合：在屏蔽界面上,167,板上滤波器的注意事项,滤波器要并排安装,线路板的干净地与金属机箱或大金属板紧密搭接,为滤波设置干净地,在接口处设置档板,滤波器靠近接口,168,面板上滤波的简易（临时）方法,容量适当的瓷片电容或独石电容，引线尽量短,169,电缆滤波的方法,屏蔽盒,馈通滤波器,连接器,滤波连接器虽然是最佳选择，但是当空间允许时，也可以这样：,170,平板滤波阵列,用于制造滤波连接器,171,面板安装滤波器注意事项,滤波器与面板之间必须使用电磁密封衬垫！,172,使用形滤波器的注意事项,滤波器接地阻抗,预期干扰电流路径,实际干扰电流路径,对接地没有把握时，避免

30、使用形滤波器！,173,电源线滤波器的基本电路,共模扼流圈,差模电容,共模电容,共模滤波电容受到漏电流的限制,174,注意滤波器的高频特性,175,高频滤波性能的重要性,滤波器高频性能差,滤波器高频性能好,无滤波,176,改善滤波器高频特性的方法,或,精心绕制或多个电感串联,177,注意插入增益问题,0,-10,50/50,100/0.1 或,0.1/100,频率,插入损耗,解决办法：差模电感上并联电阻（50 1k)，差模电容上串联电阻（0.5 10）,178,插入增益现象,179,串联谐振导致插入增益,V,QV,QV,180,插入增益的对策,V,181,选择滤波器的保险方法,滤波器,0.1,

31、100,滤波器,0.1,100,0,衰减,50条件下的插入损耗,0.1/100条件下的插入损耗,插入损耗增益会暴露出来,182,器件距离对高频性能的影响,183,滤波器安装在线路板的问题,机箱内干扰,电源线泄漏严重,184,线路板上滤波的改进方法,机箱内干扰,被滤波器挡住,被滤波器旁路掉,面板滤波器,电源线无泄漏,185,电源线滤波器的错误安装,PCB,滤波器,滤波器,输入线过长,输入、输出耦合,PCB,186,电源线滤波器的错误安装,滤波器,绝缘漆,PCB,滤波器通过细线接地，高频效果很差！,接地线,187,滤波器的正确安装,滤波器,PCB,滤波器直接接地尽量短 输入、输出线隔离,滤波器安装

32、在线路板上时，在电源线入口处增加一只高频共模滤波器,电源,PCB,滤波电路,188,110VAC,使用交流滤波器的问题,189,为什么信号滤波器容易损坏,220VAC,110VAC,190,机箱浮地 没问题,220VAC,191,全部浮地 没问题,220VAC,192,全部接地 没问题,220VAC,193,第五章电缆的EMC设计,电缆辐射场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰,194,第六部分电缆的EMC设计,电缆辐射场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰,195,外拖电缆的共模辐射,I2,CP,I3,I1,CP,尽管共模成份的比例很小，但是由于辐射环路大，仍然是主要的辐射因素,196,“无关”的电

33、缆也辐射,197,地线也辐射,不接地线,接上地线,你喜欢电缆屏蔽层接地吗?,198,无关电缆辐射机理,VCM,机箱内的所有信号都会通过电缆辐射！,199,电缆辐射机理的总结,电 缆 辐 射,差模辐射,共模辐射,差模电流转变为共模电流,信号地上共模电压导致共模电流,临近电路的耦合产生共模电压，进而导致共模电流,工作电流回路形成的环路天线,200,电缆差模辐射的对策,同轴电缆,扁平电缆,双绞线,201,电缆共模辐射的对策,减小共模电流回路面积,减小共模电流,增加共模电流回路的阻抗,共模电流滤波,减小共模电压,屏蔽电缆,电缆靠近地线面,线路板,屏蔽,其它,202,电缆共模辐射的对策,减小共模电流回路

34、面积,减小共模电流,增加共模电流回路的阻抗,共模电流滤波,减小共模电压,屏蔽电缆,电缆靠近地线面,线路板,屏蔽,其它,203,降低电缆辐射的方法,I2,CP,I3,I1,CP,通过额外的地线板减小共模电流的回路面积,204,屏蔽电缆抑制共模辐射的本质,CM,CM,DM,思考题16：用屏蔽的方法减小信号电缆的辐射时，最关键的因素是什么？,205,不完整的屏蔽电缆,CM,CM,CM,CM,DM,206,屏蔽电缆的评估,CM,CM,DM,V,辐射环路,V,I,ZT=V/I,207,不同屏蔽层的传输阻抗,102 103 104 105 106 107 108,0.001,0.01,0.1,1,10,1

35、00,1000,10000,传输阻抗（m/m）,Hz,铝箔,单层编织,最佳单层编织,双层编织,双层编织+一层金属,双层编织+双层金属,实心铜,208,屏蔽层的错误接法,思考题17：什么情况下屏蔽电缆的辐射比非屏蔽电缆辐射更强，为什么？,209,D型连接器的屏蔽层搭接,210,圆形连接器屏蔽层搭接,211,接线端子上的屏蔽电缆,212,尽量减小小辨接法的危害,213,电缆共模辐射的对策,减小共模电流回路面积,减小共模电流,增加共模电流回路的阻抗,共模电流滤波,减小共模电压,屏蔽电缆,电缆靠近地线面,线路板,屏蔽,其它,214,共模电流主要由寄生电容产生,线路板接地,线路板不接地,CP较大,CP较

36、小,频率MHz,共模电流,215,增加共模回路的阻抗,PCB,PCB,共模回路,思考题18：共模扼流圈的效果与什么因素有关？,216,铁氧体效果的估算,设原来电缆形成的共模回路阻抗为ZCM1，铁氧体的阻抗为ZL改善量=20lg(E1/E2)=20lg(ICM1/ICM2)=20lg(VCM/ZCM1)/(VCM/ZCM2)=20 lg(ZCM2/ZCM1)=20 lg(1+ZL/ZCM1)dB,217,铁氧体磁环,218,干扰抑制用铁氧体,219,不同磁导率的铁氧体阻抗特性,i=700,i=4000,220,铁氧体的安装方法,尽量靠近电缆端头,匝数多,匝数少,频率,衰减,整根电缆穿过,内径尽量

37、小长度尽量大壁厚尽量大,221,电缆共模辐射的对策,减小共模电流回路面积,减小共模电流,增加共模电流回路的阻抗,共模电流滤波,减小共模电压,屏蔽电缆,电缆靠近地线面,线路板,屏蔽,其它,222,用滤波消除辐射,223,第六部分电缆的EMC设计,电缆辐射场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰,224,处于电磁场中的电缆,信号线和回流线在一根电缆中,用地线面作回流线,共模电流,差模电压,不平衡,直接产生差模电压,S,h,225,电磁场在电缆上的感应电压,10kHz 100kHz 1MHz 10MHz 100MHz 1GHz 10GHz,0,-10,-20,-30,-40,-50,1,2,3,A,B,C

38、,D,E,h=0.5mS:A=100m B=30m C=10m D=3m E=1m,与 S、h 无关,dBV,1V/m场强产生的电压,226,平衡电路的抗干扰特性,电磁场,V1,V2,I1,I2,VD,平衡性好坏用共模抑制比表示：CMRR=20lg(VC/VD),VC,高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低,227,提高共模干扰抑制的方法,平衡电路,屏蔽电缆,共模扼流圈,平衡电路,CMRR,CMRR,f,f,228,非平衡转换为平衡,229,屏蔽电场,0V,电缆长度/20，单点接地,电缆长度/20，多点接地,230,磁场对电缆的干扰,VN,VN(d/dt)=A(dB/dt),磁通,回路面积A

39、,感应电压,当面积一定时,231,减小感应回路的面积,理想同轴线的信号电流与回流等效为在几何上重合，因此电缆上的回路面积为0，整个回路面积仅有两端的部分,232,屏蔽电缆减小磁场影响,VS,VS,VS,只有两端接地的屏蔽层才能 屏蔽磁场,233,抑制磁场干扰的试验数据,100,1M,1M,1M,100,100,每米18节,(A),(B),(D),(E),(C),0,27,13,13,28,1M,1M,100,100,234,抑制磁场干扰的实验数据,100,1M,1M,1M,100,100,每米18节,(F),(G),(I),(J),(H),80,55,70,63,77,1M,1M,100,10

40、0,235,C与D的实验数据说明,设：总电磁场为1000，其中磁场为999，电场为1，双绞线的磁场抑制效果为：20lg(1000/230)13 dB单端接地的屏蔽层的效果：20lg(230/229)0 dB,双绞线,单端接地屏蔽层,236,G与H的实验数据说明,设：总电磁场为1000，其中磁场为999，电场为1，双绞线的磁场抑制效果为：20lg(1000/1.3)58 dB单端接地的屏蔽层的效果：20lg(1.3/0.3)13 dB,双绞线,单端接地屏蔽层,237,第六部分电缆的EMC设计,电缆辐射场在导线中感应的噪声电缆之间的串扰,238,导线之间两种串扰机理,M,C,IC,IC,IL,IL

41、,R0,RL,R2G,R2L,239,耦合方式的粗略判断,ZSZL 10002：电场耦合为主3002 ZSZL 10002：取决于几何结构和频率,240,电容耦合模型,C12,C1G,C2G,R,C1G,C2G,C12,R,VN,V1,V1,j C12/(C12+C2G),j+1/R(C12+C2G),V1,VN,241,耦合公式化简,R 1/j(C12+C2G),j C12/(C12+C2G),j+1/R(C12+C2G),V1,VN,VN=j R C12 V1,R 1/j(C12+C2G),VN=V1 C12/(C12+C2G),242,电容耦合与频率的关系,耦合电压,VN=j RC12V

42、1,C12V1,(C12+C2G),VN=,1/R(C12+C2G),频率,243,屏蔽对电容耦合的影响全屏蔽,屏蔽层不接地：VN=VS=V1 C1S/(C1S+CSG)，与无屏蔽相同屏蔽层接地时：VN=VS=0，具有理想的屏蔽效果,C1s,C1G,CsG,C1G,CSG,C1s,Vs,V1,V1,Vs,C2S,244,部分屏蔽对电容耦合的效果,R 很大时：VN=V1 C12/(C12+C2G+C2S),C1s,C1G,CsG,CSG,C1s,VN,V1,V1,VN,C2S,C12,C12,C2G,R 很小时：VN=jRC12,245,互电感定义与计算,定义：自感L 1/I1，互感 M 12/

43、I1,1 是电流I1在回路1中产生的磁通，12 是电流I1在回路2中产生的磁通,回路1,回路2,a,b,a,M=（/2）lnb2/（b2-a2）,减小M的方法：回路1用双绞线或同轴线，减小回路2的面积，增加两 个回路的距离,246,电感耦合,M,R2,R,R1,R,R2,VN d12/dt=d(MI1)/dt=M dI1/dt,R1,I1,VN,I1,VN,V1,V1,247,电感耦合与电容耦合的判别,IN=j C12V1,R2,R1,V,V,VN=j M12 I1,R2,R1,电容耦合,电感耦合,248,非磁性屏蔽对电感耦合的影响,I1,M1S,M12,关键看互感是否由于屏蔽措施而发生了改变

44、,249,双端接地屏蔽层的分析,M1S,M12,MS2,+-,-+,V12,VS2,导体1,导体2,屏蔽体,V12=j M12 I1 VS2=j MS2 IS VN=V12+VS2,I1,IS,求解这项,250,VS2项求解,+,+,+,+,+,+,+,+,+,LS=/IS MS2=/IS 因此：LS=MS2,导体2,屏蔽层,VS2=j MS2 I S=j MS2(V S/ZS)=j LS V S/(jLS+RS)=VS j/(j+RS/LS),251,屏蔽后的耦合电压,VN=V12+VS2,V12=j M12I1 VS=j M1SI1因为：M12=M1S所以：VS=j M12I1所以：VS2

45、=j M12I1 j/(j+RS/LS),VN=V12-V12 j/(j+RS/LS)=V12(RS/LS)/(j+RS/LS),V12,252,屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果,VN M12 I1（Rs/Ls),VN j M12 I1,VN,Rs/Ls,无屏蔽电缆,屏蔽效能,屏蔽电缆,lg,253,第七章 PCB的电磁兼容设计,254,线路板上的电磁兼容问题,线路板的辐射外界电磁场对线路板的干扰地线和电源线噪声地线引起的公共阻抗耦合走线之间的串扰信号的反射（传输线效应）,255,走线是主要辐射源,256,地线和电源线上的噪声,Q1,Q2,Q3,Q4,R4,R2,R3,R1,VCC,被驱动电路,ICC

46、,I驱动,I充电,I放电,Ig,Vg,257,电源线、地线噪声电压波形,输出,ICC,VCC,Ig,Vg,258,地线干扰对电路的影响,1,3,2,4,寄生电容,259,线路板走线的电感,L=0.002S(2.3lg(2S/W)+0.5 H,W,S,L=(L1L2-M2)/(L1+L2-2M)若：L1=L2L=(L1+M)/2,M,I,I,260,地线网格,261,电源线噪声的消除,电源线电感L,V=L(di/dt),储能电容,这个环路尽量小,262,电源解耦电容的正确布置,尽量使电源线与地线靠近,263,解耦电容的选择,C=,dI dt,dV,Z,f,1/2 LC,各参数含义：在时间dt内，

47、电源线上出现了瞬间电流dI，dI导致了电源线上出现电压跌落dV。,264,增强解耦效果的方法,电源,地,铁氧体,注意铁氧体安装的位置,接地线面,细线,粗线,用铁氧体增加电源端阻抗,用细线增加电源端阻抗,265,有效滤波的例子,普通电容（1）,三端电容（0.1）,三端电容+铁氧体,注意位置！,266,多个电容改善解耦效果,267,电源面与地线面之间也有电容,268,选择合适的电容种类,插线电容 表贴电容,269,线路板的两种辐射机理,差模辐射,共模辐射,电流环,杆天线,270,实际电路的辐射,ZG,ZL,V,ZC=ZG+ZL,近场：ZC 7.9 D f E=7.96VA/D3（V/m）ZC 7.

48、9 D f，E=63 I A f/D2（V/m）H=7.96IA/D3（A/m）远场：E=1.3 I A f 2/D（V/m）,环路面积=A,I,271,常用的差模辐射预测公式,考虑地面反射时：E=2.6 I A f 2/D（V/m）,272,脉冲信号差模辐射的频谱,频谱包络线,差模辐射频率特性线,脉冲的差模辐射包络线,1/d 1/tr,40dB/dec,f,f,f,-20dB/dec,-40dB/dec,E=2.6 I A f 2/D EdB=20lg（2.6 I A/D）+40lg f,40dB/dec,20dB/dec,273,不同逻辑电路为了满足EMI指标要求所允许的环路面积,仅代表了

49、一个环路的辐射情况，若有N个环路辐射，乘以 N。因此，可能时，分散时钟频率。,274,如何减小差模辐射？,E=2.6 I A f 2/D,低通滤波器,布线,275,控制高频信号的回路,276,电路中的强辐射信号,1 10 100 1000,1 10 100 1000,dBV/m,dBV/m,所有电路加电工作,只有时钟电路加电工作,277,控制回路面积是布线的主要目的,L=20cm,278,减小面积降低辐射,L=10cm,L=5cm,279,单层或双层板如何减小环路的面积,280,不良布线举例,68HC11,74HC00,A,B,连接A、B,E时钟,281,282,283,284,随便设置的地线

50、没有用,在线路板上没有布线的地方全部铺上地线是EMC设计吗？,285,开关电源干扰发射的原因,220VAC,共模干扰耦合路径,286,地线对辐射的影响,287,地线对辐射的影响,288,多层板能减小辐射,信号1,电源层,地线层,信号2,低频,高频,DC0.5 1 10 100 1G,1,10,地线面的阻抗，m/平方,地线面具有很小的地线阻抗,289,地线面上的缝隙的影响,模拟地,数字地,A/D变换器,L,75mm,25mm,L:0 10cm VAB:15 75mV,A,B,290,过孔的阻抗,1.5mm,PGA128-pin,C/4,PGA,10,100,1,0.1,nH/cm,25 50 7