电磁兼容电磁干扰耦合及传输理论PPT课件

《电磁兼容电磁干扰耦合及传输理论PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁兼容电磁干扰耦合及传输理论PPT课件（77页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 主主 要要 内内 容容p电磁干扰现象电磁干扰现象p电磁干扰三要素电磁干扰三要素p时域与频域时域与频域p电磁干扰源电磁干扰源p 敏感体及其特性敏感体及其特性n电磁干扰的耦合途经电磁干扰的耦合途经u电磁辐射的基本理论电磁辐射的基本理论u传导耦合的基本理论传导耦合的基本理论n 电磁骚扰的抑制策略电磁骚扰的抑制策略第1页/共77页 电磁干扰现象电磁干扰现象数字脉冲电路开关电源数字视频设备220AC电磁噪声（骚扰） ：任何可能引起设备或系统性能下降的电磁现象强调任何可能的电磁危害现象原因。电磁干扰 ： 电磁噪声（骚扰）所引起的设备、传输通路或系统性能的下降电磁危害现象 强调产生的结果。雷电等第2页/共

2、77页 电磁干扰三要素电磁干扰三要素三个要素：三个要素：干扰源、干扰源、耦合路径耦合路径和和敏感源敏感源;R t, f r,S t, f r,C t, f r,R t, f r,R t, f r,干扰干扰兼容兼容临界临界第3页/共77页第4页/共77页 常见干扰源常见干扰源无线通信电磁干扰源：电磁干扰源：5个个 ，各源的性质不同，各源的性质不同 耦合方法：52 或 4+1（1 11 1）雷电等自然干扰源脉冲电路 人为干扰感性负载通断直流电机、变频调速器（敏感源敏感源）第5页/共77页 电磁骚扰源的分类电磁骚扰源的分类非功能性 干扰源其他分类：其他分类：根据电磁干扰的耦合途径、性质、方式、频谱宽

3、度、频率范围等进行分类，如：电场干扰、磁场干扰和电磁场干扰；宽带干扰和窄带干扰，传导干扰，辐射干扰等等。 第6页/共77页 电磁骚扰（源）的性质电磁骚扰（源）的性质 频谱宽度频谱宽度 按照电磁骚扰能量的频率分布特性，可以确定其频谱宽度。连续波 交流声骚扰的频谱宽度最窄，单价脉冲函数的频谱诺宽度最宽。 波形波形 幅度或电平 出现率 辐射骚扰的极化特性 辐射骚扰的方向特性 天线的有效面积 表征敏感设备接收骚扰场强能力的参数，等于传送到匹配负载的平 均功率密度与入射到天线上的电磁波平均功率密度之比。天线有效 面积越大，敏感设备接收电磁骚扰的能力就越强。电磁兼容处理问题电磁兼容处理问题的原则是留有一定

4、的原则是留有一定 量的裕度量的裕度第7页/共77页电磁信息发射干扰其它电子设备被别有用心的人接收，获取信息功能性发射干扰特例功能性发射干扰特例第8页/共77页 产生电磁干扰的条件产生电磁干扰的条件n 突然变化的电压或电流，突然变化的电压或电流， 即即 dV/dt 或或dI I/dt t 很大很大 频谱宽度大，辐射强频谱宽度大，辐射强/ /传导抑制（滤波等）传导抑制（滤波等） 困难。实际问题中，遇到电压、电流的突然困难。实际问题中，遇到电压、电流的突然变化，需要考变化，需要考 虑潜在的电磁干扰问题虑潜在的电磁干扰问题u 辐射天线或传导导体（载体）辐射天线或传导导体（载体）第9页/共77页 频频

5、谱谱 分分 析析EMC分析更多是在频域中进行，且不考虑相位因素p 所有的电场兼容标准中对发射的限制范围都是在谱域中 规定的p 电磁兼容技术措施与频率关系密切，例如滤波器的截 止频率p 电磁兼容分析侧重于干扰在特定频率上的能量分布， 时间和相位等关注很少第10页/共77页 频域分析频域分析 时域波形频谱分量付立叶级数(周期)付立叶变换(非周期)示波器观察频谱分析仪观察第11页/共77页一个正弦波在5 5次谐波和7 7次谐波的影响下怎样发生畸变。（相对于基波的24%24%和9%9%）。 7th harmonic5th harmonicfundamentalharmonicsdistorted wa

6、vefundamental 基波和谐波 引起的失真波形 第12页/共77页第13页/共77页rtV 202VflgV, 2202VVflglg f , 011xsinxsin,limx 222040rVVflglg f ,t 222rVVf,f t 2rrsinfsinftVfVfft 2VfV , 2VVf,f谱密度频率很低时频率较低时 高频时简化：不考虑相位，第14页/共77页 脉冲信号的频谱脉冲信号的频谱d 谐波幅度（电压）trV1202lgV,1/tr频率（对数）2202Vlglg f ,222040rVlglg f ,t两个转折点 一个转折点第15页/共77页 信号的频谱信号的频谱p

7、 脉冲波形有较宽的频率带宽p 频率幅度在低频段较高，在低频段较低，下降的速度与脉冲边沿与陡度 有关，越陡，下降越慢p 电磁兼容的角度，希望频谱带要窄，因为，高频时 串扰和辐射强，第16页/共77页第17页/共77页自自然然环环境境因因素素一一般般电电磁磁环环境境构构成成因因素素人人为为环环境境因因素素 雷电电磁辐射源雷电电磁辐射源。 静电电磁辐射源。静电电磁辐射源。 太阳系和星际电磁辐射源。太阳系和星际电磁辐射源。 地球和大气层电磁场等。地球和大气层电磁场等。 各种电磁发射系统各种电磁发射系统：电视、广播发射台，无线电台、：电视、广播发射台，无线电台、站，导航系统，通信系统，差转台，干扰台，微

8、波接站，导航系统，通信系统，差转台，干扰台，微波接力站等。力站等。 工频电磁辐射系统工频电磁辐射系统： 高电压送、变电系统，大电流工高电压送、变电系统，大电流工频设备，轻轨和干线电气化铁道等。频设备，轻轨和干线电气化铁道等。 工业、科学、医疗、商业领域应用的有电磁辐射的各工业、科学、医疗、商业领域应用的有电磁辐射的各种设备或系统种设备或系统。 以电火花点燃内燃机为动力的交通工具和机器设备。以电火花点燃内燃机为动力的交通工具和机器设备。 各种家用电器、现代化办公设备、电动工具等各种家用电器、现代化办公设备、电动工具等。 用于军事目的的强电磁脉冲源用于军事目的的强电磁脉冲源： 核电磁脉冲及非核电核

9、电磁脉冲及非核电磁脉冲源如电磁脉冲武器、高功率微波弹和各种电子磁脉冲源如电磁脉冲武器、高功率微波弹和各种电子对抗辐射源等对抗辐射源等第18页/共77页 地表面自然磁场的分布地表面自然磁场的分布第19页/共77页 地表面的自然电场地表面的自然电场地球表面如果没有电磁场，也会影响各种生物的成长，既所谓的“电磁饥饿”。 n 地球和导体（电离层）组成球形电容器模型 n 其间有漂移的自由电荷（离子），离子（密度）随着高度而变化（增加），n 电场力线垂直于地球表面，并且使地表面带负电 第20页/共77页 雷电放电雷电放电 雷电放电的三个阶段：先导阶段，主放电阶段，余解放电阶段第21页/共77页雷电日在一年

10、中，能听到一声（或以上）雷声的总天数第22页/共77页n 雷电流的特性 雷电放电速度很快，雷电流的幅值很大，陡度很高，且其电流的大小与土壤电阻率、雷击点的散流电阻有关。n 直雷电的危害p 直击雷雷直接击在建筑物和 设备上而发生的机械效应和热效应。p 感应雷雷电流产生的电磁效应 和静电效应。p 高电位的引入雷电流沿 电气线 路和管道引入建筑物的内部。第23页/共77页 非功能性干扰非功能性干扰第24页/共77页第25页/共77页 功能性干扰源功能性干扰源第26页/共77页寄生额率 第27页/共77页 电磁骚扰的耦合途径电磁骚扰的耦合途径 传导耦合传导耦合：在骚扰源与敏感设备之间存在有在骚扰源与敏

11、感设备之间存在有完整完整的电路连接，电磁骚扰通过连接的电路连接，电磁骚扰通过连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备。电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备。 辐射耦合：辐射耦合：电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，骚扰电磁能且电磁骚扰通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，骚扰电磁能且按电磁场的规律向周围空间发射。按电磁场的规律向周围空间发射。 传导耦合传导耦合(+) 辐射耦合辐射耦合 例如例如 传输线的辐射/辐射源的传输线响应第28页/共77页第29页/共77页第30页/共77页第31页/共77页第32页/共77页第33页/共77页第34页/共77页第35页/共77页第36页/共77

12、页 电磁骚扰的耦合途径分类电磁骚扰的耦合途径分类公共地阻抗耦合电阻性耦合公共电源内阻耦合传导耦合 电容性耦合电感性耦合干扰信号导线对导线辐射耦合 天线对天线场对导线电磁干扰耦合模型 C： 电容耦合 L： 电感耦合 Z： 共阻抗耦合 NC：近场耦合 FR：远场辐射 导线对导线，天线对天线，场对导线 电容性耦合，电感性耦合第37页/共77页 电磁辐射的基本理论电磁辐射的基本理论 环天线元环天线元 偶极天线元偶极天线元 缝隙天线缝隙天线 n 电磁辐射n 电磁散射（二次源，敏感体）n 基本天线结构基本天线结构 （等效为磁荷源）等效为磁荷源）第38页/共77页 辐射系统的三个区域n对电流辐射系统，有三个

13、空间尺度 04VrkiJ xA xedVrn考虑小区域内辐射：,llrn按波长和距离，分成三个区域：v ，近区， ，各点相位一致，电磁场结构与静电、静磁场相同（似稳场）r1kr v ，感应区，过渡区rv ，远区，辐射区rv源到场点距离 rv电流系统尺度 l2kv空间电磁波波长 总电 磁场源所激发的电磁场 电磁场相互激发的电磁场 静态电磁场特点场量与 r 2 成反比 电磁波特点 场量只能与 r 成反比1BA, EHj 第39页/共77页0I0IqqpqllrEHEpn 电偶极子电流元00ipllIqiI lpl qn 电偶极子电磁场表达式30232cos14jkrrk I ljEekrkr200

14、230sin14()jkrI lkjjEekrkrkr202sin14jkrk lIjHekrkr0,E0rHH第40页/共77页近区场/ 似稳场n近场区 （无推迟效应）n场表达式n 坡印亭平均值 1, exp i1krkr033000330000222cos2cos4 4 sinsin4 4 sinsin4 4 rI lpEirrI lPEirrI lI lHrr 0Ipqlil 电磁场 相位差1Re02avSEH 与电偶极子的静电场和恒定电流元的磁场的表达式相同。尽管电偶极源上的电流是时变的，时变电磁场之间相互激发的波动效应比起电荷和电流直接激发的静态场要小得多。 电场与磁场始终保持 90

15、 度相位差，其 Poynting 平均值恒为零，电场能在另半周期等值地转换为磁场能没有能量向外部输运。第41页/共77页 电偶极辐射(远区）场nBEp230sin4ikReBpec R220sin4ikReEpec Rn 同相位， 辐射场，TME 波n 波阻抗 n 方向性非均匀球面波,sinE H EHS000001120 ,EEcHB p辐射电场线图0.301rED第42页/共77页 0,4ikReA xikrmR12mxJ dV0I0II e ereRz22lmxdlSazIIII磁偶极电流0J因为电流 闭合，可用闭合电流的线圈线积分计算磁偶极源In 场表达式3023cos12jkrrk

16、SIjHekrkr3023sin114()jkrk SIjkHekrkrkr20020sin14jkrk SIjEekrkr0,0rHEE第43页/共77页 磁偶极辐射（远区）场BEm rEHS000001120 ,EEcHB m磁场线分布图n 同相位， 辐射场，TME 波n 波阻抗 n 方向性非均匀球面波200sinjkrISHerEH 电偶极子磁偶极子对偶关系第44页/共77页 磁偶极源的近区场磁偶极源的近区场0,320,22rISISHEjrr 第45页/共77页波波 阻阻 抗抗wEZH000120wZZ101.8 10,EwZjfr 一般定义67.9 10HwZjfr远场近场同传播方向

17、上，相互垂直电场和磁场之比EHS电偶极源6021111w,EZZkrkr磁偶极源602211111w,MZZkrkrkr1kr 1kr WZWZ第46页/共77页 远区场和近区场的波阻抗远区场和近区场的波阻抗波阻抗电场为主 E 1/ r3 H 1 / r2磁场为主 H 1/ r3 E 1/ r2远区 E 1/ r H 1/ r（电偶极源） （磁偶极源）到观察点的距离 D2120第47页/共77页 小型小型实际电路的辐射实际电路的辐射近区220.63,47.9fIsIsEHZfDDD347.9VsEZfDDn 远区2001.6312,0f IsEHZED lIZUsIZUsD, ,E x y z

18、导出：120Z由电偶极子电场的远区表达式近似推导出由电偶极子电场的远区表达式近似推导出7.9ZfD由电偶极子电场的由电偶极子电场的近区近区表达式近似推导出表达式近似推导出7.9ZfD由由磁磁偶极子电场的偶极子电场的近区近区表达式近似推导出表达式近似推导出第48页/共77页 辐射场随频率的变化曲线辐射场随频率的变化曲线p l 增加（回路面积大）时，场强增大增加（回路面积大）时，场强增大p 阻抗小（电流大），阻抗小（电流大），场强增大场强增大p 在远区，随频率增加，场强增大在远区，随频率增加，场强增大第49页/共77页 偶极天线的演变和偶极天线的演变和寄生天线寄生天线辐射同偶极辐射同偶极V单极天线

19、+-V辐射高于单极辐射高于单极-+- - -+ +传输线辐射很小辐射很小-V机箱接地线PCBVG主板电缆子板笔记本PCB电缆没接地散热片 无意电压（感应电流阻抗）所致无意电压（感应电流阻抗）所致第50页/共77页第51页/共77页 导体的天线效应导体的天线效应p 叠加(求和/积分)可得到导线的辐射电磁场分布p 环（回）电路情况下，需设回电流（的相位）相同。第52页/共77页 接收天线对发射天线的功率响应接收天线对发射天线的功率响应21122,4RTRTPP GGd RTP , PRTG , Gd接收（发射）天线的功率接收（发射）天线的功率接收（发射）天线在发射接收（发射）天线在发射 （接收）天

20、线上的增益（接收）天线上的增益两天线间距离，两天线间距离，发射天线所对应的波长发射天线所对应的波长d第53页/共77页 差模电流和共模电流差模电流和共模电流CMICMIvCMICMIp 同相位（方向），幅值相差很小p 共模电流的来源有三种（后述）p 共模电流不是电路的工作电流p 外界因素在电缆上产生的共模电 流本身并不会对电路生产窜扰影 响。外界产生内部产生DMIDMIu 相位（方向）相反，幅值相同u 差模电流是电路的工作电流u 差模电流的来源有三种p 外界因素在电缆上产生的差模 电流对电路生产串扰影响。 辐射效应？第54页/共77页 场对线的共模和差模的耦合场对线的共模和差模的耦合CMIlh

21、U2CMirUEElEl jsin kh22CMUEl jcossinhcosDMIlb2DMUEl jcossinbcosb l推导：LUE dlE dl,Llh, lbp 积分回路的面积（有效面积）增大，共模/差模的电压增大p 外电磁波场在传输线（电缆）上同时产生共模和差模电压p 共模积分回路的部分支路可以是由寄生电容组成p 短线短线/ /似稳场的假设似稳场的假设, ,长线长线/ /高频情况如何高频情况如何？第55页/共77页 场对高频传输线的耦合场对高频传输线的耦合当传输线长度降当传输线长度降 时，沿线的电流时，沿线的电流/ /电压是变化的电压是变化的. . 必须采用分布参数电路必须采用

22、分布参数电路或电磁场理论。当电磁波照射到高频传轴线时，将引起沿线分布的许多无穷小的电压源或电磁场理论。当电磁波照射到高频传轴线时，将引起沿线分布的许多无穷小的电压源l4分析方法： 1）取一小段dz，集中参数法求解电流与激励电压的关系 2）激励电压即为外场，积分可得到线上电流与外电场的积分关系 典型结果见后典型结果见后第56页/共77页平行端线电场在终端上的电流 EI l,0Z1011lmbmacm1101lmbcmam mblp 高频时，较明显，更重要的是，高频的感应电流也是高频时，较明显，更重要的是，高频的感应电流也是高频高频的的 因此，要采用高频的抑制方法。因此，要采用高频的抑制方法。高频

23、的电流具有辐射效应。高频的电流具有辐射效应。E第57页/共77页1011lm,bmacm，I l,0Z平行传输线电场在终端上的电流E1101lmbcmam m1011lmbmacm 差别更明显第58页/共77页 电容性耦合电容性耦合 ( (近近电场相互作用电场相互作用) )p 频率越高频率越高, , 耦合越明显耦合越明显p 在敏感电路( 导体2 ) 与地之间并联了一个骚扰电流源(并联一个电压源).p 第59页/共77页 近地导线间的电容性耦合近地导线间的电容性耦合间距增大，耦合干扰变小，高度增大，间距增大，耦合干扰变小，高度增大， 耦合干扰偏小，耦合干扰偏小， 但不明显但不明显第60页/共77

24、页 利用1,23CC1100ZU1,23CC接地金属屏蔽体11000,sZUU第61页/共77页 电感性耦合电感性耦合 ( (近近磁场耦合磁场耦合) )第62页/共77页 电容性与电感性耦合之间的差电容性与电感性耦合之间的差异异p 对于电容性合，在敏感电路( (导体2) 2) 与地之间并联了一个骚 扰电流源( (并联一个电压源).).p 对于电感性耦合，产生一个与敏感电路( (导体2 2串联的骚扰电压 ( (感应电压) ) 如何鉴别电容性和电感性耦合干扰？如何鉴别电容性和电感性耦合干扰？第63页/共77页 电容耦合与电感耦合的综合考虑 电感耦合干扰电压是串联于受害电路上面电容耦 合干扰 电压是

25、并联于受害电路上.在靠近干扰源的 近端和远端电容耦合的电流方向相同，而电感耦台的 电流方向相反。?UUU近电容性电感性远作业 !第64页/共77页 电路性耦合电路性耦合122112ZUUZZ电路1中的骚扰 通过阻抗耦合到电路2中，形成干扰1U12Z2U第65页/共77页 频域分析频域分析 时域波形频谱分量付立叶级数(周期)付立叶变换(非周期)示波器观察频谱分析仪观察第66页/共77页第67页/共77页第68页/共77页第69页/共77页rtV 202VflgV, 2202VVflglg f , 011xsinxsin,limx 222040rVVflglg f ,t 222rVVf,f t 2

26、rrsinfsinftVfVfft 2VfV , 2VVf,f谱密度频率很低时频率较低时 高频时简化：不考虑相位，第70页/共77页第71页/共77页 脉冲信号的频谱脉冲信号的频谱d 谐波幅度（电压）trV1202lgV,1/tr频率（对数）2202Vlglg f ,222040rVlglg f ,t两个转折点 一个转折点第72页/共77页 信号的频谱信号的频谱p 脉冲波形有较宽的频率带宽p 频率幅度在低频段较高，在低频段较低，下降的速度与脉冲边沿与陡度 有关，越陡，下降越慢p 电磁兼容的角度，希望频谱带要窄，因为，高频时 串扰和辐射强，第73页/共77页 电磁兼容设计策略电磁兼容设计策略第74页/共77页 电磁兼容的工程方法 1 测试修改法 2 系统设计法可采取的措施 电路结构封装 屏蔽 滤波 软件成本措施 概念 设计 产品 市场阶段第75页/共77页 敏敏 感感 体体受电磁骚扰影响的电路、设备或系统均称为敏感体电磁敏感性（electromagnetic susceptibility 在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。敏感性高，抗扰性低。 敏感性敏感性 骚扰电平骚扰电平 骚扰限值骚扰限值 骚扰裕度骚扰裕度抗扰度限值抗扰度限值敏感体第76页/共77页感谢您的观看！第77页/共77页