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电磁相容的概念及设计方法
電磁相容的概念及設計方法
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摘自《電源技術應用》2003·4
——作者:
閻秀生寧天夫郭詳玉郭雲志
摘要
電和磁是相互關聯的。
每一台電子設備都不可避免電磁相容問題。
因此,為了使電子設備可靠運行,必須研究電磁相容技術。
以實例說明了電磁相容的思路和設計方法。
通過對電磁干擾源的明確認識,對電磁干擾引入路徑的清楚瞭解,針對電磁干擾敏感的接收電路進行重點保護。
ConceptsandDesignMethodsofElectromagnetCompatibility。
Abstract:
ELectricityandmagnetisinterrelated.Eachandeveryelectricepuipmentdon'tavoidtheproblemonelectromagneticcompatibility.Therefore,inorderthatelectricequipmentcanoperatewell,itisnecessarytoresearchthetechnologyofelectromagneticcompatibility.Thethinkinganddesignmethodofelectromagneticcompatibilityareexplainedbyexamples.TounderstandthesourceofEMIandthepropagativewayofEMIclearlythekeyprotectionofsensitivereceivingcircuitforEMIcanbecarriedout.
一.引言
1822年安培提出了一切磁現象的根源是電流的假說。
1831年法拉第發現了變化的磁場在導線中產生感應電動勢的規律。
1864年麥克斯韋全面論述了電和磁的相互作用,提出了位移電流理論,總結出麥克斯韋方程,預言電磁波的存在,麥克斯韋的電磁場理論是研究電磁相容的基礎。
1881年英國科學家希維塞德發表了“論干擾”的文章,標誌著電磁相容性研究的開端。
1888年德國科學家赫茲首創了天線,第一次把電磁波輻射到自由空間,同時又成功地接收到電磁波。
從此開始了電磁相容性的實驗研究。
1889年英國郵電部門研究了通信中的干擾問題,使電磁相容性研究開始走向工程化。
1944年德國電氣工程師協會制定了世界上第一個電磁相容性規範VDE0878,1945年美國頒佈了第一個電磁相容性軍用規範JAN-1-225。
我國從1983年開始也陸續頒佈了一系列有關電磁相容性規範。
雖然電磁干擾問題由來已久,但電磁相容這個新型的綜合性學科卻是近代形成的。
主要研究和應用的內容包括:
電磁相容性標準和規範,分析和預測,設計,實驗測量,開發遮罩材料,培訓教育和管理等。
二.電磁相容的重要性
[1] 為了電子設備工作的可靠性
磁相容性是指電子設備在電磁環境中正常工作的能力。
電磁干擾是對電子設備工作性能有害的電磁變化現象。
電磁干擾不僅影響電子設備的正常工作,甚至造成電子設備中的某些元件損害。
因此對電子設備的電磁相容技術要給予充分的重視。
既要注意電子設備不受周圍電磁干擾而能正常工作,又要注意電子設備本身不對周圍其他設備產生電磁干擾,影響其他設備正常運行。
[2] 為了電子設備的國際接軌
近來,電磁相容性已由事後處理發展到預先分析、預測和設計。
電磁相容已成為現代工程設計中的重要組成部分。
電磁相容性達標認證已由一個國家範圍向全球地區發展,使電磁相容性與安全性、環境適應性處於同等重要的地位。
例如,歐共體將產品的電磁相容性要求納入技術法規,強制執行89/336/EEC指令,規定從1996年1月1日起電氣和電子產品必須符合電磁相容性要求,並加貼CE標誌後才能在市場銷售。
為了與國際接軌,我國外經部和國家出入境檢驗局於1999年1月起對個人電腦、顯示器、印表機、開關電源、電視機和音響設備實施電磁相容性強制檢測。
國家技術監督局規定從2002年10月起陸續對聲音和電視廣播設備、資訊技術設備、家用電器、電動工具、電源、照明電器、電點火驅動裝置、金融結算電子設備、安防電子產品和低壓電器實施電磁相容性強制性認證。
[3] 為了人身和某些特殊材料的安全
電磁波通過與電爆裝置的控制電路感應耦合,形成的干擾電流可能引起電爆裝置爆炸。
因此GJB786中規定,電引爆器導線上的電磁干擾感應電流和電壓必須小於最大不發火電流和電壓的15%。
另外,各種燃油在強電磁場的作用下(直接照射、電火化、靜電放電)有發生燃燒和爆炸的危險,電磁能量通過對人體組織的物理化學作用會產生有害的生理效應。
因此,為了人身和某些特殊材料的安全,GJB786中還規定,電子設備的電磁輻射量連續波的平均功率密度不允許超過4mW/cm2,脈衝波的平均功率密度不允許超過2mW/cm2。
[4] 為了當今和未來戰爭的需要
核爆炸時產生的電磁脈衝,以光速向外輻射傳播,其電場強度可達105V/m,磁場強度可達260A/m,脈衝寬度為20ns量級,電磁脈衝峰值處頻率為105Hz。
這種電磁脈衝作用于電子設備時,輕者造成電子設備性能惡化,重者造成電路元件損壞。
特別是當今和未來戰爭中,已經應用的電磁脈衝彈和正在研製的高功率微波武器都具有類似核爆炸時產生的電磁脈衝輻射,將對電子設備構成致命威脅。
而電磁相容可以為對抗這種威脅提供基本技術指導。
三.電磁相容的設計思路
為了提高電子設備的電磁相容能力,必須從開始設計時就給予電磁相容性以足夠的重視。
電磁相容的設計思路可以從電磁相容的三要素,即電磁干擾源、電磁干擾可能傳播的路徑及易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件入手。
也就是
[1] 首先,要充分分析電子設備可能存在的電磁干擾源及其性質,儘量消除或降低電磁干擾源的參數。
[2] 其次,要充分瞭解電磁干擾可能傳播的路徑,儘量切斷其路徑,或降低與電磁干擾耦合的能力。
[3] 最後,要充分認識易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件,儘量杜絕其接收電磁干擾的可能性。
據此,在設計時應採取相應對策,消除或部分消除可能出現的電磁干擾,以減輕調試工作的壓力。
在調試中,針對具體出現的電磁干擾,以及接收電磁干擾的電路和元器件的表現進行分析,以確定電磁干擾源所在及電磁干擾可能傳播的路徑,再採取相應的解決辦法。
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四.電磁相容的具體實例
[1] 對電磁干擾源要有明確的認識
例如,某探測設備在探測元件無輸入信號時,其放大器輸出端的干擾信號峰值為50.8mV,遠遠超過了該探測設備輸出端最小探測信號電壓峰峰值4.0mV的要求,致使整個設備無法正常工作。
該台探測設備的驅動電源採用直流斬波式方波交流電源,驅動螺線管電磁鐵往復運動,由上可見,驅動電源的負載為感性的電磁線圈。
對感性的電磁線圈採用直流斬波式方波交流電源供電,在斬波時將產生嚴重的電磁干擾。
因為感性的電磁線圈中的電流變化必然產生感應電動勢,電流變化越快,產生的感應電動勢越大。
這種感應電動勢將會通過某種路徑傳導耦合到放大器的輸出級,而成為嚴重的電磁干擾。
該台探測設備的驅動電源採用線性純正弦波電源時,在探測元件無輸入信號時,在放大器輸出端最大探測信號電壓峰峰值僅為4.4mV。
而且有隨機性質的雜訊電壓,其峰峰值最大為3.0mV。
說明原來干擾信號已被極大地消除。
從該項工作中,使我們體會到電磁干擾的嚴重性,對電磁干擾的認識僅停留在一般的水準上,廣泛地、全面地採取各種抗干擾措施也不一定見效,必須抓住主要矛盾。
再舉一例,某電子設備,當打開電源開關時,其測量顯示呈紊亂狀態。
究其原因,正是在電源開關時刻,電路由一種穩態轉換到另一種穩態的過渡過程中,所出現的過電壓、過電流所致。
為此,採取一定容量和電壓的氧化鋅壓敏電阻並聯在電源上,便收到了較好的效果。
這也說明對電磁干擾源有明確認識時,才能有的放矢地採取抗干擾措施,效果明顯。
[2] 對電磁干擾可能的傳播路徑要有清楚瞭解
在核聚變化學研究中,將巨大的微波能量耦合到等離子體中,以提高核聚變物理參數。
為此,需要高能大功率發射系統。
其主電源脈衝電壓達20kV,最大脈衝寬度30ns,最高脈衝功率2400kW。
該電源通過電感儲能,直流開斷,脈衝整形等一系列環節,由微機控制來實現。
調試過程中,當電壓達數kV時,系統便無法正常運行。
輕則控制程式出錯,重則程式全部被沖掉,更嚴重時微機晶片被燒毀。
由於對電磁干擾認識膚淺,,盲目地採取各種措施,如重新佈線,改善接地,增加電磁遮罩和隔離等等,忙了幾個月均不能根本解決問題,挫折迫使我們冷靜下來。
在進行了科學分析後,認定必須要對幅度高達數kV,前後沿很陡的這一電磁干擾源有清楚瞭解,並對其可能傳播的路徑採取加強隔離措施。
在對光電隔離器採取雙重設計後,微機能穩定、可靠地工作了。
再舉一例,在鐳射電源低功率調試中發現應交替導通的兩個逆變開關IGBT的觸發信號存在重疊現象,即有互相干擾。
如果不消除這種干擾,可能發生主電路直通故障。
基於以前積累的對電磁干擾可能的傳播路徑要有明確認識的工作經驗,我們從逆變開關IGBT的觸發端倒推,一級一級地檢測出觸發信號,直到產生觸發信號的TL494積體電路的兩個輸出端,發現這兩個輸出端的引線距離很近,且平行佈線很遠。
通過分析表明,這種情況容易產生電容性耦合干擾,干擾的強弱與工作頻率及兩條引線之間的分佈電容量有關。
當我們將其中一條引線切斷,用一條拉開很遠距離的臨時導線代用後,兩個逆變開關IGBT的觸發信號不再發生重疊現象了。
從該項工作中,使我們體會到對電磁干擾可能傳播的路徑有明確的認識,才能順利地排除電磁干擾。
否則將無從下手解決存在的電磁干擾問題。
[3] 對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件要進行重點保護
還是上述的第一個例子中,某探測設備在探測元件無輸入信號時放大器輸出端的干擾信號遠遠超過最小探測信號電壓值,致使整個設備無法正常工作。
經過認真分析和實際測試,除了對電磁干擾源缺乏明確的認識和電磁干擾可能傳播的路徑缺乏清楚瞭解外,對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件——感測器輸入電路和前級放大電路主要採取兩項電磁相容性措施:
(1)信號接地 信號接地的主要目的是為了抑制電磁干擾,應當特別注意低電平電路、信號檢測電路、感測器輸入電路和前級放大電路的接地。
該探測設備的感測器輸入電路、前級放大電路和末級放大電路的接地應該只設一個接地點,因為多個接地點會引入共模阻抗的干擾。
而這個接地點的位置應當選擇在保證地線中的電流流向為從小信號電路流向大信號電路,從而避免大信號電路的地線電流對小信號電路產生干擾。
(2)遮罩 加強該探測設備的感測器輸入電路和前級放大電路電磁遮罩,並注意遮罩的完整性和良好的接地措施。
電磁遮罩設計時,一般採用電導率高的材料作為遮罩體,並將遮罩體接地。
它是利用遮罩體在高頻磁場的作用下產生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾,有因遮罩體接地而實現電場遮罩。
遮罩體的厚度不必過大,應以趨膚深度和結構強度為主要考慮因素。
另外要注意遮罩的完整性,如果遮罩體不完整,將導致電磁場洩漏。
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五.電磁相容的設計方法
[5.1] 對電磁干擾源的設計方法
電磁干擾源的種類相當多,比如,自然的電磁干擾源包括:
地球表面的最大磁場強度為52A/m,平均電場強度為130v/m,雷電的大氣干擾,靜電的電暈放電和宇宙雜訊等等。
人為的電磁干擾源包括:
含有整流子的直流電機換向時火花的電弧和電流變化,電器開關動作時產生的電弧和電流變化,非線性元器件工作時產生的諧波,高頻振盪器和無線電發送設備的電磁輻射,汽車點火系統,醫療用的超聲波發生器,生活用的微波爐以及電磁脈衝等等。
可以說電磁干擾源無處不在,下面僅談論與我們相關的主要電磁干擾源。
[5.1.1]供電電源
供電電源,常由於負載的通斷過渡過程,半導體元件的非線性,脈衝設備及雷電的耦合等因素,而成為電磁干擾源。
供電電源電磁相容的設計方法為:
[1]採用交流電源濾波器
由於交流電源濾波器是低通濾波器,不妨礙工頻電能的通過,而對高頻電磁干擾呈高阻狀態,有較強的抑制能力。
使用交流電源濾波器時,應根據其兩端阻抗和要求的插入衰減係數選擇濾波器的型式。
要注意其承受電壓和導通電流的能力,遮罩與機殼要電氣接觸良好,地線要儘量短,截面足夠大,進出線要遠離,而且濾波器應儘量靠近供電電源。
[2]採用電源變壓器加靜電屏蔽
由於電源變壓器初、次級間存在分佈電容,進入電源變壓器初級的高頻干擾能通過分佈電容耦合到電源變壓器的次級。
在電源變壓器的初次級間增加靜電屏蔽後,該遮罩與繞組間形成新的分佈電容。
將遮罩接地,可以將高頻干擾通過這一新的分佈電容引入地,從而起到抗電磁干擾的作用。
靜電屏蔽應選擇導電性好的材料,且首尾端不可閉合,以免造成短路。
[3]脈衝電壓的吸收
對脈衝電壓的電磁干擾可以採用壓敏電阻、固體放電管或瞬態電壓抑制二極體來吸收。
當脈衝電壓吸收器件承受一個高能量的瞬態電壓脈衝時,其工作阻抗能立即降到很低,允許通過很大的電流,吸收很大的功率,從而將電壓鉗制在允許的範圍內。
壓敏電阻或固態放電管可應用於直流或交流電路。
單向瞬態電壓抑制二極體應用于直流電路,而雙向瞬態電壓抑制二極體應用于交流電路。
使用脈衝電壓吸收器件時,應選擇其額定電壓略高於設備的最大工作電壓,以保證無脈衝電壓時,吸收器件的功耗最小,當有脈衝電壓時,其鉗位元的電壓應低於設備的最高絕緣電壓,以保證設備的安全。
其通流能力應大於脈衝電壓所產生的電流。
[4]直流電源的電磁相容措施
——整流電路的高頻濾波 即在整流管上並聯小電容(0.01uF)進一步濾掉從變壓器進入的高頻干擾。
——直流退耦 即在直流電源和地之間並聯2個電容,大電容(10uF—100uF)濾掉低頻干擾,小電容(0.01—0.22uF)濾掉高頻干擾。
[5]電源的其它電磁相容措施
——控制電路和功率電路採用分相供電或採用不同的電源供電。
——採用UPS(不斷電供應系統)供電。
——採用電源電壓監視積體電路
[5.1.2]暫態過程
暫態過程是由於電路機械觸點的分合,負載的通斷和電路的快速切換導致電路電壓或電流發生快速變化,而成為電磁干擾源。
暫態過程的電磁相容設計方法為
[1]電路機械觸點的熄火花電路
電路機械觸點的熄火花電路由電阻(R)和電容(C)串聯組成。
其原理是用電容轉換觸點分斷時負載電感(L)上的能量,從而避免在觸點上產生過電壓和電弧造成的電磁干擾,最終有電阻吸收這部分能量。
電路參數計算如下:
R>2(L/C)1/2 (Ω)
(1)
C1=4L/R2 (uF)
(2)
C2=(Im/300)2L (uF) (3)
式中:
R為電阻(Ω);
L為負載電感(uH);
Im為負載電感中的最大電流(A);
C取C1、C2、中最大者。
[2]電感負載的續流電路和吸收電路
直流電路電感負載的續流電路是用二極體反並聯在電感負載上。
當切斷電感負載時,其上的電流經二極體續流,不會產生過電壓而危及電路上的其它器件。
參數選擇如下:
IF>2IN (4)
VRRM>2VN (5)
式中:
IF為二極體正向平均電流;
VRRM二極體反向重複峰值電壓;
IN為電感負載的額定電流;
VN為電感負載的額定電壓。
如果用壓敏電阻代替二極體,其效果會更好。
因為壓敏電阻吸收能量快,從而減小了動作回應時間。
另外,壓敏電阻還可以應用在交流電路電感負載的場合。
應用壓敏電阻時應注意以下幾點:
——壓敏電阻的標稱電壓;
——壓敏電阻的壓比;
——壓敏電阻的吸收能量的能力;
——壓敏電阻的前沿回應時間;
——壓敏電阻應當儘量緊靠電感使用;
[3]電容負載的限流電路
電容負載的限流電路由電阻(R)和開關並聯組成。
其原理是用電阻限制電容負載開始投入時的短路電流,從而避免短路電流造成的電磁干擾。
經過時間(t)將開關閉合,切除限流電阻。
參數選擇如下:
R>2VN/I (6)
t>3RC (7)
式中:
IN為負載的額定電流。
VN為電源的額定電壓。
C為負載的電容。
[4]電路快速切換的電磁相容措施
電路快速切換(包括晶閘管換流、直流斬波、二極體關斷時的電荷存儲效應等)將導致電壓或電流的快速變化,而成為電磁干擾源。
對此可採用如下電磁相容措施
——串聯緩衝電感,以降低電流變化率。
——用電感電容諧振電路代替直流斬波,以降低電流變化率或電壓變化率。
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[5.1.3]電磁輻射
電磁輻射包括電子設備內部和外部兩種電磁輻射源。
其實任一電流的周圍都存在磁場,而變化的磁場會產生變化的電場,這種電磁場就是電磁干擾源。
電子設備中主要的電磁輻射源是大電流,高電壓的強功率電路和器件,電壓或電流快速變化的電路和器件以及高頻電路和器件。
對電磁輻射的電磁相容設計是,採用電磁遮罩方法,即用遮罩材料將電磁輻射源封閉起來,使其外部電磁場強低於允許值。
電磁遮罩的技術原理主要有兩種:
是一反射,由於空氣和金屬遮罩的電磁阻抗不同,使入射電磁電波產生反射作用。
磁場中的反射損耗R(dB),對磁場源而言
R=20log10{[0.012(μτ/fδτ)1/2/D]+5.364D(fδτ/μτ)1/2+0.354} (8)
式中:
μτ為相對磁導率
δτ為相對電導率
f為電磁波頻率
D為輻射源到遮罩體的距離(m)
對電場而言
R=322+10log10(δτ/μτf3D2) (9)
二是吸收,進入金屬遮罩內的電磁波在金屬遮罩內傳播時,由於衰減而產生吸收作用。
吸收損耗A(dB)為:
A=0.131d(μτfδτ)1/2 (10)
式中:
d為遮罩材料厚度(mm)。
[1] 磁場遮罩 一般採用磁導率高的材料作遮罩體,它給低頻磁通提供一個閉合回路,並使其限制在遮罩體內。
遮罩體的磁導率越高,厚度越大,磁阻越小,磁場遮罩的效果越好。
當然遮罩的設計要與設備的重量相協調。
在雜散耦合可能引起有害作用的電路中,應選用帶有遮罩的電感器和繼電器,並將遮罩有效地接地。
[2] 磁場遮罩 一般採用電導率高的材料作遮罩體,並將遮罩體接地。
使電力線在此終止,因而電場不會洩漏到遮罩體外部。
電場遮罩以反射為主,因此遮罩體的厚度不宜過大,而以結構強度為主要考慮因素。
應當特別注意電磁遮罩的完整性,特別是電磁場遮罩,因為它是利用遮罩體在高頻磁場的作用下產生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而消除高頻磁場干擾的。
如果遮罩體不完整,則渦流的效果降低,導致電磁場洩漏,遮罩效果將大打折扣。
[5.1.4]雷電
雷電是帶電雲對地或帶電雲之間的放電現象。
帶電雲對地放電為直接雷擊,而非直接雷擊時設備所受到的干擾為感應雷擊。
由於雷電具有非常大的能量和非常短的持續時間,因此雷電是非常強的干擾源。
雷電的電磁相容設計方法是
[1] 對直接雷擊採用的設計方法 採用閃接器、避雷引線和避雷接地組成的避雷系統。
將直接雷擊的能量引入大地,以保護電子設備。
[2] 對感應雷擊採用的設計方法 採用氣體避雷管、壓敏電阻、電壓瞬變吸收二極體或固體放電管。
利用其非線性特性,對感應雷擊的高電壓尖峰削波和能量吸收,以保護電子設備。
[5.1.5]靜電
當不同介質的材料相互摩擦時,會產生電荷轉移而產生靜電。
當然靜電也可能以其它方式產生,比如受到其它帶電體的感應。
靜電場強的高低取決於材料所攜帶的電荷量多少和對地電容的大小。
當這種材料對電子設備的場強超過絕緣介質的擊穿強度時,會發生電暈放電或火花放電,形成靜電干擾,可能導致電力設備損壞。
防靜電的電磁相容設計方法是
——防止靜電的產生,例如阻止靜電荷的積累、泄放積累的電荷,採用防靜電地板和靜電消除器等等。
——採用靜電屏蔽和接地措施,將靜電產生的電荷引走。
——採用靜電保護措施,例如增加串聯電阻以降低靜電放電電流,增加並聯元件以把靜電放電電流引走,對靜電作用下易損壞器件的操作防護和軟體的靜電防護等等。
[5.1.6]無線電發射源
無線電發射機的頻率範圍為103—1012Hz。
無線電發射機的有效輻射功率(ERB)很高。
例如軍用雷達10GW,氣象雷達1GW,船用雷達100MW,電視廣播50MW,商用電臺300kW,廣播電臺100kW,業餘通訊1kW,車用通訊100W。
因此無線電發射源對電子設備是一很強的干擾源。
對無線電發射源的電磁相容的設計方法是
——嚴格控制無線電發射的方位角,以減小無線電發射源干擾的空間範圍。
——採用完整的電磁遮罩和可靠的接地措施,以減小無線電發射源的洩漏干擾。
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[5.3] 對易接收電磁干擾的電磁敏感電路和器件的設計方法
[5.2.1] 電路性耦合
當兩個電路存在公共阻抗時,一個電路的電參數通過公共阻抗對另一個電路的電參數產生影響。
而這種影響造成誤動作時,即為通過電路性耦合的路徑產生的電磁干擾。
公共阻抗主要有回路導線、共地阻抗和共電源內阻。
電路性耦合的電磁相容設計方法是
[1]. 對共電源內阻產生的電
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