EMI设计简介课件.ppt

1、EMI设计简介一一.EMI.EMC.EMS.EMI.EMC.EMS的定义及相互关系的定义及相互关系1.EMI定义:EMI是Electro-Magnetic Intererence的缩写,译为电磁干扰,是指某一装置 或系统在执行其应具有的功能的过程中,如出现有不利于对其他电子设备或系统运作功能的讯号,而此讯号是不需要的,且是没意义的,则称此讯号为”EMI”,此讯号可能来自外界,亦可能来自设备或系统本身.参见图1.2.EMS定义:EMS是Electro-Magnetic Susceptibility的缩写,译为电磁免疫,是指某一装置或系统在执行应具有功用的过程中不受周围电,磁环境影响的能力.参见图

2、1EMI知识简介EMI知识简介图1 EMI和EMS示示意图EMIEMS3.EMC3.EMC定义定义:EMCEMC是是Electro-Magnetic Compatibility Electro-Magnetic Compatibility 的缩写的缩写,译为电磁兼容译为电磁兼容,是指某一装是指某一装置或系统和其它装置和系统同时运作时置或系统和其它装置和系统同时运作时,互相间不会国为互相间不会国为EMIEMI问题而使功能受到影问题而使功能受到影响响,即可称即可称”兼容兼容”.三者关系三者关系:异常电源对电力电子设备会发生干扰异常电源对电力电子设备会发生干扰,同时电力电子设备亦会产生干同时电力电子

3、设备亦会产生干扰波影响其它用电设备扰波影响其它用电设备,故对所有的干扰源必须具备如图故对所有的干扰源必须具备如图2所示的兼容观念所示的兼容观念.EMI知识简介EMI知识简介EMI应注意应能够EMS不產生電磁雜訊妨礙其他電子設備就是EMC的觀念不受其他電子設備所產生的電磁影響图2.EMC的观念二二.EMI/EMS之分类之分类:EMI知识简介EMCEMSEMIRSCSRECE传导性干扰传导性干扰 Conducted emission对传导的免疫对传导的免疫Conductedsusceptibility对辐射的免疫对辐射的免疫Radiatedsusceptibility辐射性干扰辐射性干扰Radia

4、tedemission无论是传导性无论是传导性EMI(Conducted EMI)EMI(Conducted EMI)还是辐射性还是辐射性EMI(Radiated EMI)EMI(Radiated EMI)均有差均有差 模模(differential mode noise)(differential mode noise)和共模和共模(common mode noise)(common mode noise)之分之分.三三.EMI.EMI之产生之产生,解决方案及国际标准解决方案及国际标准.1.EMI1.EMI产生产生(1)(1)自然界所产生的电磁干扰自然界所产生的电磁干扰:a.a.电电?磁场磁

5、场(low-frequency electric and magnetic field)(low-frequency electric and magnetic field)b.b.雷击雷击(lightning)(lightning)c.c.高频电磁波（高频电磁波（high-frequency electromagnetic fieldhigh-frequency electromagnetic field）EMI知识简介(2)(2)人为设备所产生干扰人为设备所产生干扰.射频发射机射频发射机(radio transmitter)b.b.数字讯号处理与传输数字讯号处理与传输(digital si

6、gnal processing and transmission)(digital signal processing and transmission)c.c.电热应用电热应用(electro-heat application)(electro-heat application)d.d.电力设备及输电电力设备及输电(power conditioning and transmission)(power conditioning and transmission).低频导电性低频导电性(low frequency conducted)(low frequency conducted)干扰干扰(谐

7、波谐波?电压变动电压变动?电压瞬降电压瞬降?不平衡不平衡?载波讯号载波讯号?其它低频其它低频).高频辐射性高频辐射性(high frequency radiated)(high frequency radiated)干扰干扰.高频导电性高频导电性(high frequency conducted)(high frequency conducted)干扰干扰(低电压系统的尖波低电压系统的尖波?高电压变电所的突波电压高电压变电所的突波电压.高频辐射性高频辐射性(high frequency radiated)(high frequency radiated)干扰干扰e.e.开关时的瞬时开关时的瞬时

8、(switching transient)(switching transient)f.f.静电放电静电放电(electrostatic discharge,ESD)(electrostatic discharge,ESD)g.g.核爆电磁脉波核爆电磁脉波(nuclear electromagnetic pulse,NEMP)(nuclear electromagnetic pulse,NEMP)EMI知识简介2.EMI2.EMI的表现形态的表现形态:(1)(1)由电源电路进入的噪声干扰由电源电路进入的噪声干扰(2)(2)由讯号线的噪声干扰由讯号线的噪声干扰(3)(3)由静电感应引起的噪声干扰

9、由静电感应引起的噪声干扰(4)(4)电磁感应引起的噪声干扰电磁感应引起的噪声干扰(5)(5)由电磁波引起的噪声干扰由电磁波引起的噪声干扰(6)(6)由电路间共同阻抗引起的噪声干扰由电路间共同阻抗引起的噪声干扰(7)(7)由反射引起的噪声干扰由反射引起的噪声干扰(8)(8)由接地或屏蔽不当引起的噪声干扰由接地或屏蔽不当引起的噪声干扰(9)(9)由配线不良引起的噪声干扰由配线不良引起的噪声干扰(10)(10)由接地不良引起的噪声干扰由接地不良引起的噪声干扰EMI知识简介3.3.噪声干扰的对策噪声干扰的对策:(1)接地接地(Grounding)(2)屏蔽屏蔽(Shielding)(3)滤波滤波(Fi

10、ltering)(4)平衡平衡(Balancing)(5)隔离隔离(Isolation)(6)分离与取向分离与取向(Separation and Orientation)(7)电路阻抗控制电路阻抗控制(Circuit impedance level control)(8)配线设计配线设计(Cable design)(9)速度与频宽控制速度与频宽控制(Speed and band width control)EMI知识简介4.4.有关有关EMIEMI的国际标准的国际标准(1)FCC:U.S.Federal Communication Commission(1)FCC:U.S.Federal Co

11、mmunication Commission美国联邦通信委员会美国联邦通信委员会 Docket 20780(2)VDE(2)VDE(3)MIL(3)MIL(4)IEC(4)IECEMI知识简介Conduction Emission LimitsConduction Emission LimitsTable 1 FCC Class A Radiated Emission LimitsTable 1 FCC Class A Radiated Emission LimitsEMI知识简介Frequency Measuring FieldFrequency Measuring Field(MHz)Di

12、stance Strength(MHz)Distance Strength(m)(uV/m)(m)(uV/m)30-88 30 3030-88 30 3088-216 30 5088-216 30 50216-1000 30 70216-1000 30 70Frequency Measuring FieldFrequency Measuring Field(MHz)Distance Strength(MHz)Distance Strength(m)(uV/m)(m)(uV/m)30-88 3 10030-88 3 10088-216 3 15088-216 3 150216-1000 3 20

13、0216-1000 3 200Table 2 FCC Class B Radiated Emission LimitsTable 2 FCC Class B Radiated Emission Limits四四.传导性传导性EMIEMI和辐射性和辐射性EMIEMI如前所述如前所述,电磁干扰电磁干扰(EMI)(EMI)有两种传播途径有两种传播途径:传导传导(Conduction)(Conduction)和辐射和辐射(Radiation),(Radiation),即电磁干扰分为传导性电磁干扰即电磁干扰分为传导性电磁干扰(Conducted EMI)(Conducted EMI)和辐射性电和辐射性电

14、磁干扰磁干扰(Radiated EMI)(Radiated EMI)两种两种.电磁干扰在电子仪器设备中产生噪音电磁干扰在电子仪器设备中产生噪音,相应地相应地,噪音亦分为传导性噪音效噪音亦分为传导性噪音效(Conducted noise)(Conducted noise)和辐射性噪音和辐射性噪音(Radiated noise)(Radiated noise)a.a.当电磁干扰波的频率小于当电磁干扰波的频率小于30MHz30MHz时时,电磁干扰主要是以传导方式在电子电磁干扰主要是以传导方式在电子设备中产生传导性噪音设备中产生传导性噪音,可通过测试电源线感应的电压来衡量干扰程度可通过测试电源线感应的

15、电压来衡量干扰程度.b.b.当电磁干扰波的频率高于当电磁干扰波的频率高于30MHz30MHz时时,电磁干扰主要以辐射方式在电子设电磁干扰主要以辐射方式在电子设备中产生辐射噪备中产生辐射噪,以直接测量传播到空间的干扰波来评价干扰程度以直接测量传播到空间的干扰波来评价干扰程度.无论传导噪音还是辐射噪音无论传导噪音还是辐射噪音,都分为共模都分为共模(或共态或共态)噪音噪音(common mode(common mode noise)noise)和差模和差模(或常模或常模?常态常态)(differention mode noise)(differention mode noise或或normal mo

16、de normal mode noise)noise)两种两种.通常共模噪音比差模噪音更难控制通常共模噪音比差模噪音更难控制.EMI知识简介四四.传导性传导性EMIEMI和辐射性和辐射性EMIEMI如前所述如前所述,电磁干扰电磁干扰(EMI)(EMI)有两种传播途径有两种传播途径:传导传导(Conduction)(Conduction)和辐射和辐射(Radiation),(Radiation),即电磁干扰分为传导性电磁干扰即电磁干扰分为传导性电磁干扰(Conducted EMI)(Conducted EMI)和辐射性电和辐射性电磁干扰磁干扰(Radiated EMI)(Radiated EMI

17、)两种两种.电磁干扰在电子仪器设备中产生噪音电磁干扰在电子仪器设备中产生噪音,相应地相应地,噪音亦分为传导性噪音效噪音亦分为传导性噪音效(Conducted noise)(Conducted noise)和辐射性噪音和辐射性噪音(Radiated noise)(Radiated noise)a.a.当电磁干扰波的频率小于当电磁干扰波的频率小于30MHz30MHz时时,电磁干扰主要是以传导方式在电子电磁干扰主要是以传导方式在电子设备中产生传导性噪音设备中产生传导性噪音,可通过测试电源线感应的电压来衡量干扰程度可通过测试电源线感应的电压来衡量干扰程度.b.b.当电磁干扰波的频率高于当电磁干扰波的频

18、率高于30MHz30MHz时时,电磁干扰主要以辐射方式在电子设电磁干扰主要以辐射方式在电子设备中产生辐射噪备中产生辐射噪,以直接测量传播到空间的干扰波来评价干扰程度以直接测量传播到空间的干扰波来评价干扰程度.无论传导噪音还是辐射噪音无论传导噪音还是辐射噪音,都分为共模都分为共模(或共态或共态)噪音噪音(common mode(common mode noise)noise)和差模和差模(或常模或常模?常态常态)(differention mode noise)(differention mode noise或或normal mode normal mode noise)noise)两种两种.通

19、常共模噪音比差模噪音更难控制通常共模噪音比差模噪音更难控制.EMI知识简介EMI知识简介一一).).辐射噪音之抑制方法辐射噪音之抑制方法.辐射性辐射性EMIEMI产生如右图产生如右图:抑制辐射噪音的主要方法有屏蔽抑制辐射噪音的主要方法有屏蔽差模噪音是讯号线与其回路之差模噪音是讯号线与其回路之间的噪声间的噪声,其传导方式如图其传导方式如图(b)(b)EMI知识简介二二)传导性传导性EMI(EMI(或噪音或噪音)如前所述如前所述,传导性噪音亦分传导性噪音亦分为共模和差模两种为共模和差模两种.共模噪音是讯号或其回路共模噪音是讯号或其回路与大地间之噪声与大地间之噪声,其传导方式其传导方式如图如图(a)

20、.(a).抑制传导性噪音的方法是滤波抑制传导性噪音的方法是滤波(filter)(filter)1.1.滤波定义滤波定义:滤波作用是利用不同频率的讯号滤波作用是利用不同频率的讯号,对于电容或电感组件会产生不同阻抗对于电容或电感组件会产生不同阻抗(即较高频即较高频率的讯号率的讯号,其感抗较大而容抗较小其感抗较大而容抗较小,而较低频率的讯号而较低频率的讯号,其感抗较小其感抗较小,容抗较大容抗较大)而造成而造成不同频率讯号不同频率讯号,对于电容或电感之衰减量不同对于电容或电感之衰减量不同,故使所需讯号与噪声之故使所需讯号与噪声之S/NS/N比值提高比值提高,而达到噪声干扰而达到噪声干扰(噪音噪音)防制

21、的效果防制的效果.2.2.滤波器之分类滤波器之分类.EMI知识简介(1)(1)两种滤波类型两种滤波类型通讯或波的滤波设计通讯或波的滤波设计电源滤波设计电源滤波设计用在系统内部噪音的抑制用在系统内部噪音的抑制用于系统间噪音的抑制用于系统间噪音的抑制(2)(2)四种滤波方式四种滤波方式EMI知识简介低通滤波低通滤波(low pass filtering)(low pass filtering)高通滤波高通滤波(high pass filtering)带通滤波带通滤波(band pass filtering)(band pass filtering)带止滤波带止滤波(band rejection f

22、iltering)(band rejection filtering)DCDC滤波滤波ACAC滤波滤波(3)(3)两种滤波场合两种滤波场合由于一般之电源噪声对于电源工作频由于一般之电源噪声对于电源工作频(如如AC60Hz)AC60Hz)而言而言,均原于高频噪声均原于高频噪声,故我们故我们将主要讨论低通电源波器将主要讨论低通电源波器.EMI知识简介3.3.低通电源滤波器之设计低通电源滤波器之设计低通电源滤波器是排除系统间导线之噪声干扰的有效办法低通电源滤波器是排除系统间导线之噪声干扰的有效办法,其设计考虑重点为其设计考虑重点为:(1)(1)噪声噪声(噪音噪音)类型类型 (2)(2)滤波频带滤波频

23、带(3)(3)衰减量衰减量 (4)(4)线路匹配线路匹配(5)(5)滤波组件滤波组件 (6)(6)额定电压与额定电流额定电压与额定电流(7)(7)接触阻抗接触阻抗(1)(1)噪声类型噪声类型噪声来源噪声来源:内部噪声内部噪声,外部噪声外部噪声,内外噪声兼有内外噪声兼有EMI知识简介噪声类型噪声类型共模噪声共模噪声(common mode noise)(common mode noise)差模噪声差模噪声(differential mode noise)(differential mode noise)滤波器设计是以频域滤波器设计是以频域(frequercy domain)作考虑作考虑,傅立叶傅

24、立叶因此因此,要要:时域时域(time domain)转换转换频域频域(frequency domain)EMI知识简介傅立葉轉換(2)(2)滤波的频宽滤波的频宽一个滤波器的滤波频宽要能涵盖共所要滤除的频带一个滤波器的滤波频宽要能涵盖共所要滤除的频带,理论上理论上,一个低通滤波器在一个低通滤波器在其截止频率其截止频率fcfc以上之频率以上之频率,均可视为有效的滤波频宽均可视为有效的滤波频宽.实际上实际上,一个滤波器的频宽设计一个滤波器的频宽设计,常因滤波组件常因滤波组件L.CL.C受到受到f f的影响而缩短其有效频的影响而缩短其有效频宽宽,如下图所示如下图所示:EMI知识简介(a)(b)(c)

25、图图(a)(a)为为L.CL.C在低频在低频(约约1MHz1MHz以下以下)时之等效电路时之等效电路,与理想电路同与理想电路同;图图(b)(b)为中频为中频(约约110MHz110MHz左右左右)时之等效电路时之等效电路,其滤波件的线感量与杂散电容其滤波件的线感量与杂散电容已不可忽略已不可忽略,而使滤波的特性如同带止滤波而使滤波的特性如同带止滤波;图图(c)(c)为高频为高频(约约10MHz10MHz以上以上)时之等效电路时之等效电路,其滤波组件之主要特性将由线感其滤波组件之主要特性将由线感量与杂散电容所决定量与杂散电容所决定,使低通滤波器的特性使低通滤波器的特性,如同高通滤波如同高通滤波.通

26、常一个滤波组件其截止频率通常一个滤波组件其截止频率fcfc之选定之选定,为其所要滤除的频带之最低频率的为其所要滤除的频带之最低频率的1/51/5以下以下,且其频带宽不得超过且其频带宽不得超过100fc,100fc,其次还要考虑衰减量其次还要考虑衰减量(Atlenuation),(Atlenuation),组件组件特性及成本特性及成本.(3)(3)衰减量的考虑衰减量的考虑.一个滤波器之减量一个滤波器之减量,应为使通过滤波器滤波后之噪声强度应为使通过滤波器滤波后之噪声强度,不致于使滤波器所不致于使滤波器所有保护的线路发生误动作或有超额定汇围的现象有保护的线路发生误动作或有超额定汇围的现象.EMI知

27、识简介衰减量定义衰减量定义:线路中加入滤波器线路中加入滤波器后其两端电压或电流的比值后其两端电压或电流的比值.EMI知识简介插插(加加)入损失量入损失量(insertion loss):(insertion loss):线路加入滤波器后线路加入滤波器后,与未加入前之电压与未加入前之电压或电流比值或电流比值.濾波器衰減量定義圖E2A=E120log(dB)E2IL=E120log(dB)濾波器插(加)入損失量定義圖常用插入损失量来评估滤波器的特性常用插入损失量来评估滤波器的特性对于一个低通滤波器言对于一个低通滤波器言,若一讯号频率高过滤波之截止频率若一讯号频率高过滤波之截止频率fcfc时时,则对

28、每一个滤则对每一个滤波组件波组件,将成将成20log20log的衰减的衰减.下图为各种常见滤波器之电路图与插入损失下图为各种常见滤波器之电路图与插入损失.EMI知识简介IL(dB)=20l ogf20dB/decadeIL(dB)=20l og20dB/decadefR单元件低通滤波器单元件低通滤波器EMI知识简介基本基本L-C低通滤波器低通滤波器 40dB/decadeLsect i on sect i on60dB/decade 60dB/decadeTsect i on(4)(4)线路匹配的考虑线路匹配的考虑一个滤波器的设计一个滤波器的设计,若不对线路匹配作考虑若不对线路匹配作考虑,则不

29、仅滤波效果会受影响则不仅滤波效果会受影响,亦可能带亦可能带来萁他干扰来萁他干扰.对一个低通滤波器而言对一个低通滤波器而言,其线路的考虑与滤波作用的衰减量其线路的考虑与滤波作用的衰减量,如下图所示如下图所示.下图为定下图为定K型低通滤波器不同情形及衰减量计算型低通滤波器不同情形及衰减量计算.EMI知识简介Probl emASol ut i oni(t)Bot h Zs and ZL are sm al lA=20l og Ai(t)(標準阻抗為50)LEMI知识简介Bot h Zs and ZL ar e l ar gei(t)A=20l og i(t)CBot h Zs and ZL ar e

30、 l ar gei(t)A=20l og i(t)Ci(t)Zs ZL i(t)A=20l og LC2i(t)Zs ZL i(t)LA=20l og 2CIi(t)Zs ZL i(t)LA=20l og 2CIi(t)i(t)IA=20l og C LC2LBot h Zs and ZL ar e smal lL 32L W hen ILIC and IL ZL and Zsi(t)i(t)IA=20l og C LC2LBot h Zs and ZL ar e smal lL 32L W hen ILIC and IL ZL and ZsW hen ILIC and ICIC and IC

31、LRiWZn=R2+W2(L-CR2-W2L2C2)2(1-W2LC)2+W2C2R2电容电容:电容组件如同电感组件一样电容组件如同电感组件一样,对共模噪声和差模噪声对共模噪声和差模噪声,分别使用分别使用X-type(Cx)X-type(Cx)与与Y-Y-type(Cy)type(Cy)两种电容两种电容.不过此种型态的电容在滤波特性上并无分别不过此种型态的电容在滤波特性上并无分别,而仅是安全耐压上而仅是安全耐压上的差异的差异:Cx:Cx为聚酯膜电容为聚酯膜电容,耐压不超过耐压不超过275VAC,275VAC,耐耐CyCy为陶瓷电容为陶瓷电容,耐压可到耐压可到400VAC400VAC电容在高频时

32、等效电路图为电容在高频时等效电路图为:EMI知识简介R1-R1-电容接脚之线电阻电容接脚之线电阻 L1-L1-电容接脚之线感量电容接脚之线感量C-C-电容量电容量 Rr-Rr-消散电阻消散电阻(绝缘电阻绝缘电阻)当当f f升高时升高时,Wl1,Wl1不可忽略不可忽略,与与C C引起串联共振引起串联共振,此时线感量计算式为此时线感量计算式为:(对铜而言对铜而言)l-l-接脚导线长度接脚导线长度,mm D=,mm D=接脚导线直径接脚导线直径,mm,mmL LL L=2=2*1010-4-4l(ln(-0.75)l(ln(-0.75)uHuH4lD由上式可知由上式可知:每每1cm1cm长度之小电容

33、接脚长度之小电容接脚(D=1mm(D=1mm左右左右)其线感量约在其线感量约在510uH510uH左右左右.若考虑线感量若考虑线感量,则插入损失为则插入损失为:EMI知识简介K=K=2(1-w2LLC)wcIL=-10logIL=-10log11+K2EMI知识简介6).6).额定电压与额定电流的考虑额定电压与额定电流的考虑.滤波器之额定电压滤波器之额定电压,额定电流是影响滤波效果的重要因素额定电流是影响滤波效果的重要因素,其考虑重点主要是其考虑重点主要是:避免因过电压造成滤波电容的绝缘破坏避免因过电压造成滤波电容的绝缘破坏,以及因过电流造成滤波电之磁饱和以及因过电流造成滤波电之磁饱和,而影而

34、影响滤波效果响滤波效果.原则原则:过电压不超过额定电压之过电压不超过额定电压之20%,20%,过电流不超过额定电流过电流不超过额定电流10%10%(7)(7)接触阻抗的考虑接触阻抗的考虑通常一个滤波器对于射频通常一个滤波器对于射频(RF)(RF)噪声要有良好的滤波效果噪声要有良好的滤波效果,其各组件间之接触阻其各组件间之接触阻抗应保持在抗应保持在DCDC阻抗阻抗0.25m2.5m0.25m2.5m间间,其中其中:R RDCDC=APLL-L-导线长度导线长度 A-A-导体之载面积导体之载面积8)8)其它考虑其它考虑:(1)(1)滤波器之漏电流大小滤波器之漏电流大小(2)(2)配线方式配线方式:

35、A.A.输入线与输出线分开输入线与输出线分开(方向相对立方向相对立),),避免电感性或电容性耦合避免电感性或电容性耦合B.B.滤波器之电源线与其回路应尽可能采用绞线滤波器之电源线与其回路应尽可能采用绞线,以减小其有效回路面积以减小其有效回路面积,而降低电感性耦合而降低电感性耦合.C.C.若输入线若输入线 电容性耦合电容性耦合D.D.滤波电容之组件接脚滤波电容之组件接脚,应尽可能短应尽可能短,以降低其线感量以降低其线感量.E.E.滤波电感之绕线滤波电感之绕线,应尽可能平衡应尽可能平衡,以减少其线间电容以减少其线间电容EMI知识简介三三).EMI).EMI滤波器之选择滤波器之选择低通电源滤波器之选择应考虑以下几点低通电源滤波器之选择应考虑以下几点:(1)(1)根据噪声的类型选择滤波器类型根据噪声的类型选择滤波器类型(2)(2)噪声之衰减量或插入损失量噪声之衰减量或插入损失量(3)(3)额定电压和额定电流额定电压和额定电流(4)(4)环境要求环境要求,如温度如温度,冲击冲击,振动和湿度振动和湿度(5)(5)尺寸及端子形状尺寸及端子形状(6)(6)成本考虑成本考虑(7)(7)安全认可安全认可(8)(8)购买是否方便购买是否方便EMI知识简介报告完毕报告完毕谢谢谢谢!