电气设备的EMC设计测试和整改课件2.ppt

1、2022年8月15日星期一电气设备的电气设备的EMC设计测设计测试和整改试和整改（一）（一）EMC设计基础设计基础 1.电磁干扰三要素 2.传导和辐射 3.共模 和差模 4.近场和远场 5.电磁干扰耦合方式与研究思路（二）产品（二）产品EMC接地设计接地设计（三）产品（三）产品EMC滤波设计滤波设计（四）产品（四）产品EMC屏蔽设计屏蔽设计（五）（五）PCB板的板的EMC设计设计（六）（六）EMC技术的综合设计技术的综合设计 案例解析：（七）测试故障诊断流程与整改措施（七）测试故障诊断流程与整改措施 1.测试故障的诊断分析 2.测试中常见测试频谱超标的定位 3.测试故障的整改措施（一）（一）E

2、MC设计基础设计基础 电磁兼容（EMC-Electromagnetic Compatibility）是一门新兴的综合性学科，主要研究电磁干扰和抗干扰电磁干扰和抗干扰的问题。即怎样使在同一电磁环境下工作的各种电子电气的器件、电路、设备或系统器件、电路、设备或系统，都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。(一）1、电磁干扰三要素EUTEUT骚扰源传输途径敏感设备空间辐射的电磁波导线传导的电压电流任何电子电气设备都可能是骚扰源，也可能是敏感设备。任何电子电气设备都可能是骚扰源，也可能是敏感设备。电磁骚扰源是客观存在的，只有在影响了敏感设备的正常电磁骚扰源是客观存在的，只有在影响了敏感设备的正常工作时才

3、构成工作时才构成“干扰干扰”，也就是人们通俗所说的电磁干扰。，也就是人们通俗所说的电磁干扰。设备越敏感，抗扰度越差。设备越敏感，抗扰度越差。EMC研究对象的扩展 人为骚扰源和自然骚扰源 任何电子电气设备都可能是人为骚扰源。雷电、静电放电是自然骚扰源。电磁噪声-不带任何信息的电磁现象，例如：雷电、静电放电；电气设备运行中出现的电火花；晶体管、二极管关断时产生的脉冲噪声等。无用信号-功能性信号，例如广播、电视、雷达、信息技术设备等，本身是有用信号，但干扰了其它设备的正常工作，所以对敏感设备而言是无用信号。辐射发射RE-通过空间以电磁波的形式发射电磁骚扰能量。主要研究：电波传播的规律（距离特性、方向

4、性、波阻抗）；远场感应产生的干扰；近场耦合产生的干扰。传导发射CE-通过导线以电压电流的形式发射电磁骚扰能量。主要研究：导线（信号线、电源线）的阻抗（分布参数）；地环路干扰。案例：脉冲针灸仪对收音机的干扰脉冲重复频率=2.36KHz,脉宽=27s广播中波5501500KHz,短波5.8522MHz,调频88108MHz 骚扰的数字数字脉冲脉冲信号信号的频的频谱分谱分析析雷电的模拟波形开路电压 1.2/50 s 绝缘跳火器件试验短路电流 8/20s导电不跳火器件试验CCITT波形 10/700 s通信设备试验雷电模拟波形的频谱分析雷电波形是脉冲信号，具有很宽的频带。能量主要集中在低频部分，由脉冲

5、强度（幅度X宽度）决定。带宽可以用1/tr来估算，tr为脉冲的上升沿时间，脉冲的前沿越陡峭，则脉冲包含的高频能量越大。从电磁兼容角度应该考虑的最高频率约在300KHz10MHz。电快速瞬变脉冲群模拟波形的频谱分析模拟波形的频谱分析 DC-AC逆变器的干扰DC-AC逆变器，输入300V以上直流，输出三相10KHz的PWM调制波，功率100W供大功率三相交流驱动电机。直流供电母线上有IGBT的关断浪涌和续流二极管的恢复浪涌。PWM调制波输出具有高频谐波成分。骚扰的有效频带与模拟电路的接收频带无重迭，但由于骚扰非常强，仍会产生干扰。(一）2、传导和辐射一.二./2/2 +Q-QVE 器件 1 和器件

6、 2共用一个电源供电，通过Zs供电线路的阻抗（主要是分布电感的感抗），互相干扰。骚扰源是差模源。共地线（回流线）阻抗耦合接地线的功能是保持零电位，应该没有电流，不要和回流线混淆。回流线一般接地，所以俗称地线。（一）3、共模和差模 差模电流：信号线-回流线电流，大小相等方向相反；差模电压：信号线-回流线间电压；共模电流：线-大地间电流，方向相同；共模电压：线-大地间电压有用信号都是差模的，骚扰可能是差模的，也可能是共模的。地环路干扰共模的地环路干扰在线-线间差模干扰在线-地间共模的地环路干扰（一）4、近场和远场电场天线磁场天线根据麦克斯韦方程，变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场。设备内每

7、个电路都可能是等效磁场天线，机壳和电缆都可能是等效电场天线的一部分。设备内有无数个等效磁场天线信号源传输线负载组成电流环路，相当于磁场天线。所有信号环路、电源供电环路、输入和输出环路,都相当于磁场天线。设备辐射的磁场是设备内所有磁场天线辐射磁场的矢量迭加。磁场天线磁场天线骚扰设备的等效磁场天线的差模电流辐射敏感设备的等效磁场天线接受空间干扰骚扰设备的等效电场天线的共模电流辐射共模源-由差模源（有用信号源）驱动产生 基本驱动模式：*电流驱动模式 *电压驱动模式共模天线-不对称振子 天线 *设备的外部连接线 *设备的机箱以及内部印刷板的地线、电源面、散热片、金属支撑架等等敏感设备的等效电场天线接收

8、空间干扰（一）5、电磁干扰耦合 方式与研究思路EMC的研究思路（二）产品（二）产品EMC接地设计接地设计接地技术接地是提供一个等电位点或等电位面。接地的目的有二个：1、为了保护人身和设备的安全，免遭雷击、漏电、静电等危害，这类地线称保护地线，应与真正大地相连接。2、为了保证设备的正常工作，例如直流电源常需要有一极接地，作为参考零电位，其他极与之比较，例如士 12V,+5V 等。信号传输也常常需要有一根线接地，作为基准电位，传输信号的大小与该基准电位相比较。对设备进行屏蔽时在很多情况下只有与接地相结合，才能起到应有的效果。这类地线称工作地线。工作地线的回流线和接地线电路接地-共地线阻抗耦合解决办

9、法分地（回流地）在每个设备中可能有多种接地线，但概括起来可以分成三类。以安全为目的的保护地线，通常与金属机壳机架相连接。为设备中各个电路提供稳定的零基准电位的工作接地，其地线称为系统地线。为了抑制噪声，电缆、变压器等的屏蔽层需接地，相应的地线称为屏蔽地线。（三）产品（三）产品EMC滤波设计滤波设计滤波技术的基本概念n用于切断沿导线传播的传导骚扰。nEMI滤波器多为低通滤波器n插入损耗定义：信号源不接滤波器直接加在负载上的电压和信号源通过滤波器后加在负载上的电压之比。滤波技术的分类反射式滤波器反射式滤波器 n电容滤波器电容滤波器 穿心电容穿心电容n电感滤波器电感滤波器 共模扼流圈 Ll和L2：几

10、十毫亨，C1：0.0470.22微法X电容，L3和L4：几毫亨，C2和C3：几纳法Y电容。高频时 电容器是电容C和分布电感的串联电路，电感器是电感L和分布电容的并联电路。电源滤波器的正确安装电源滤波器的正确安装 吸收式铁氧体滤波器及其等效电路铁氧体滤波器及其等效电路 带共模去耦器的插座四、产品EMC屏蔽设计屏蔽的基本概念屏蔽的基本概念/2，SEE（dB)=20 lg(E2 /E1)SEH（dB)=20 lg（H2H1)/2，SEE=SEH=SE电磁场屏蔽可同时屏蔽电场和磁场，采用薄的金属导体材料。空间电磁波在入射到金属体表面时会产生反射和吸收，电磁能量被大大衰减，从而起到屏蔽作用。吸收损耗 机

11、箱的屏蔽效能由孔缝直径决定，机箱孔缝等效于二次发射天线。孔缝长度等于半波长的整数倍时，漏泄能量最大。对于固定的孔缝长度，频率越高，泄漏越严重。设计中使缝隙尺寸满足要求:商用设备：d/20，20dB 军用设备：d100W供大功率三相交流驱动电机。直流供电母线上有IGBT的关断浪涌和续流二极管的恢复浪涌。PWM调制波输出具有高频谐波成分。（七）3、测试故障的整改措施 采用地环路干扰的抑制方法：1.采用平衡电路2.隔离变压器3.共模扼流圈4.光电耦合器5.光纤传输系统中的信号线、电源线上都可能由于感应雷的作用而产生浪涌高压脉冲，对此我们必须采用适当的浪涌抑制器件。常用的浪涌抑制器件有气体放电管、硅雪

12、崩二极管、金属氧化物压敏电阻和固态瞬变电压抑制器SSTVS气体放电管响应时间约为100ns，有残留尖峰。优点是能承受很高的冲击电流，大于20kA，几十微秒。缺点是放电时呈短路状态，浪涌过后仍延续一段时间，直到电源下半周才恢复，这对内部电路的正常工作是不利的。只能用在交流电源上，如用在直流电源上则放电后可能无法恢复。使用时最好串联一个限制后续电流的电阻。原理是电压钳位，响应时间小于1ns。优点：与放电短路方式相比，浪涌抑制过程中输人电源端不会短路，因此不会影响内部电路；同时响应速度快，残留尖峰很小，抑制效果好；浪涌过后即自行恢复，没有延迟时间；交直流电源都能运用。缺点：承受尖峰电流能力比放电管差

13、。原理是电压钳位，响应时间小于50ns，稍慢于硅雪崩二极管，但峰值电流承受能力和能量级别比二极管高。固体瞬变电压抑制器SSTVS吸收了气体放电管和硅雪崩二极管的优点。浪涌侵入，超过规定电压时抑制器首先起钳位作用，象雪崩二极管一样，防止浪涌的快速上升边沿损坏内部电路，响应时间约几个纳秒。然后就象气体放电管一样短路，把浪涌中的能量泄放掉，直至泄放电流低于维持电流，抑制器恢复阻断状态。其体积很小，可以在印制电路板上表面安装，但承受电流能力还达不到气体放电管的水平 气体放电管安排在最前面，硅雪崩二极管或金属氧化物压敏电阻安排在后面，中间用电阻或电感隔离。当浪涌侵人时，因为二极管响应速度快，可先对浪涌的

14、快速上升沿进行钳位，大量的能量则通过放电管泄放为了防止放电管因为后级的钳位而达不到其放电起始电压，所以利用电阻或电感来隔离。传导方式人手触摸印制板上的轨线、管脚、设备的 /O接口端子、同轴插座的芯线等等静电放电电流直接设备内的电路造成干扰 人体电阻R=500 人体电容C=300pF 静电电压U=10KV 静电能量WE=15mJIC输入电阻Ri=5K 数字信号幅度3.5V 宽度4ns 数字信号能量Ws=9.8x10-9mJ显然静电能量WE数字信号能量Ws，集成片肯定会产生误动作，严重的还会损坏芯片。1、金属机壳无孔缝，无连接线1，有接地线2：2、金属机壳有孔缝，有连接线1和接地线2：普通塑料（PVC、聚酯等）的击穿电压为8KV/mm。空气击穿电压的安全距离为1KV/mm。塑料机箱有孔缝时塑料机箱有孔缝时ESD仍可能进入，特别是孔缝中有灰尘、污垢和潮湿时更易漏电，所以PCB板不要布置在孔缝处，应留有安全距离812mm以上。机箱表面安装的器件例如显示器件、薄膜面板、触觉键盘等表面一般带有15KV 的ESD保护层，但边缘处应良好处理。例如用挡板避免手指靠近边缝，或用绝缘胶填充，或用金属导电衬垫填充，把ESD电流引开。夹在塑料层中的电路不要贴近边缘走线。