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          解決方案

          EMC近場與遠場輻射的詳解

          EMC概念介紹

          EMC(electromagnetic compatibility)作為產品的一個特性,譯為電磁兼容性;如果作為一門學科,則譯為電磁兼容。它包括兩個概念:EMI和EMS。EMI(electromagneticinterference)電磁干擾,指自身干擾其它電器產品的電磁干擾量。EMS (electromagneticsusceptibility)電磁敏感性,也有稱為電磁抗擾度,是指能忍受其它電器產品的電磁干擾的程度。因此,電磁兼容性EMC一方面要濾除從電源線上引入的外部電磁干擾(輻射+傳導),另一方面還能避免本身設備向外部發出噪聲干擾,以免影響同一電磁環境下其他電子設備的正常工作。EMC濾波器主要是用來濾除傳導干擾,抑制和衰減外界所產生的噪聲信號干擾和影響受到保護的設備,同時抑制和衰減設備對外界產生干擾。而輻射干擾主要通過屏蔽的手段加以濾除。

          從濾波器的功能來看,它的作用是允許某一部分頻率的信號順利的通過,而另外一部分無用頻率的信號則受到較大的抑制,它實質上是一個選頻電路。而我們常見的低通濾波器功能是允許信號中的低頻或直流分量通過,抑制高頻分量或干擾噪聲。

          電源噪聲干擾在日常生活中很常見。比如你正在使用電腦的時候,當手機信號出現時,電腦音響會有雜音。比如電話或手機通話時有嗞嗞的雜聲。又比如使用電吹風燙頭發時,電視機不但會產生噪音,而且屏幕會出現很大的雪花般的條紋。這都是一些常見的噪聲信號干擾,但實際上有些干擾日常看不到,一但受到影響就有可能措手不及,甚至找不到根源。這些噪聲信號如果出現在自動化儀器,醫療儀器有可能帶來極大的損失甚至生命安全。比如,會造成自動化儀器誤動作,造成醫療儀器失控等等。

          我們常說的噪聲干擾,是指對有用信號以外的一切電子信號的一個總稱,也可以理解為電磁干擾。*初,人們把造成收音機之音響設備所發出噪聲的那些電子信號,稱為噪聲。但是,一些非有用電子信號對電子電路造成的后果并非都和聲音有關,因此,后來人們逐步擴大了噪聲概念。如:某一頻率的無線電波信號,對需要接收這種信號的接收機來講,它是正常的有用信號,而對于另一頻率的接收機它就是一種無用信號,即是噪聲。

          噪聲按傳播路徑來分可分為傳導噪聲干擾和空間噪聲干擾。其傳導干擾主要通過導體傳播,通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡,其頻譜主要為30MHz以下。而空間噪聲干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網絡,其頻率范圍比傳導噪聲頻率寬很多,30Hz-30GHz。傳導噪聲干擾可以通過設計濾波電路或追加濾波器的方法來進行抑制和衰減,而空間輻射干擾主要通過主要應用密封屏蔽技術,在結構上實行電磁封閉。目前為減少重量大都采用鋁合金外殼,但鋁合金導磁性能差,因而外殼需要鍍一層鎳或噴涂導電漆,內壁貼覆高導磁率的屏蔽材料。

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          上面我們提到傳導噪聲干擾,又分為差模干擾與共模干擾兩種。差模干擾是兩條電源線之間(簡稱線對線)的噪聲,主要通過選擇合適的電容(X電容),差模線圈來進行抑制和衰減。共模干擾則是兩條電源線對大地(簡稱線對地)的噪聲,主要通過選擇合適的電容(Y電容),和共模線圈來進行抑制和衰減。我們常見的低通濾波器一般同時具有抑制共模和差模干擾的功能。

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          感應干擾(近場)

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          常見的電場如兩個金屬板兩端加電壓。常見的磁場如兩個磁鐵之間的磁場電磁波的速度在空氣中接近于光速。 波長=c/f=3x108/f = 300/F(MHz)如,F=10MHz 波長=30米 r =波長/2*3.14=4.77米。頻率為10MHz的電磁波發射源,在離發射源大于4,77米時,為遠場,小于4,77米時,為近場。

          輻射干擾(遠場)

          3.1.原理及產生原因

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          根據麥克斯韋方程,變化電場產生變化磁場,變化磁場產生變化的電場。

          設備內每個電路都可能是天線,外殼和電纜都可能是天線的一部分。

          我的理解是靜電場和靜磁場只對近距離的設備產生干擾。交變的電場和交變的磁場不光對近距離設備產生干擾,還對很遠處的設備產生干擾。

          不論是電場干擾還是磁場干擾遠距離傳播以后,都是以交變的電磁場形式傳播。

          電磁場解釋:
          電磁場有內在聯系、相互依存的電場和磁場的統一體和總稱。隨時間變化的電場產生磁場,隨時間變化的磁場產生電場,兩者互為因果,形成電磁場。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起,也可由強弱變化的電流引起,不論原因如何,電磁場總是以光速向四周傳播,形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒遞物,具有能量和動量,是物質存在的一種形式。電磁場的性質、特征及其運動變化規律由麥克斯韋方程組確定。

          3.2.如何影響設備

          敏感設備受空間干擾

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          其中f為頻率B為磁感應強度A為面積E為電場強度

          3.3.如何濾除輻射干擾

          如在源及敏感設備外圍加屏蔽,隔斷輻射路徑;以及在敏感設備各端口增加濾波電路,阻止已耦合到端口上噪聲進入設備內。

          3.4.如何減少輻射干擾

          方法1:采用同軸電纜雙絞線絞合電纜。

          如MR6;IDM11的電纜線就是絞合電纜

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          方法2:應盡量減小有用信號的高次諧波成分(頻率越高,輻射越強)

          方法3:采取屏蔽方法通氣口,盡量用小圓孔,避免用長條形通氣孔。

          普通濾波器原理圖

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          如圖1,3為差模電容,2為共模電感,4為共模電容。

          一般濾波器不單獨使用差模線圈,因為共模電感兩邊繞線不一致等原因,電感必定不會相同,因此能起到一定的差模電感的作用。如果差模干擾比較嚴重,就要追加差模線圈。

          差模干擾

          4.1 差模干擾:簡單的說就是線對線的干擾。

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解


          如圖,我們可以看到差模的原理圖。UDM就是差模電壓,IDM就是差模電流。IDM大小相同,方向相反。

          4.2 差模干擾產生的原因
          差模干擾中的干擾是起源在同一電源線路之中(直接注入).如同一線路中工作的電機,開關電源,可控硅等,他們在電源線上所產生的干擾就是差模干擾。

          4.3如何影響設備。
          差模干擾直接作用在設備兩端的,直接影響設備工作,甚至破壞設備。(表現為尖峰電壓,電壓跌落及中斷.)

          4.4.如何濾除差模干擾主要采用差模電感和差模電容。

          4.4-1差模電感工作原理:

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解


          可以看到,當電流流過差模線圈之后,線圈里面的磁通是增強的,相當于兩個磁通之和。線圈特性低頻率低阻抗高頻率高阻抗決定了在高頻時利用它的高阻抗衰減差模信號。(如圖下圖所示):

          當頻率為50Hz時,線圈阻抗接近于0,相當于一根導線,不起任何衰減作用。

          當頻率為500kHz時,阻抗達到5k歐,而理想狀態下,此時負載阻抗一般考慮為50歐,根據上面公式,此時差模線圈分得了99%的差模干擾電壓,而負載只分得了1%的差模干擾電壓。同時,電流也有很大衰減。(可以算出此時線圈的差模插入損耗)

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          4.4-2差模電容工作原理。

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          可以看到,電容特性低頻率高阻抗高頻率低阻抗。濾波器利用電容在高頻時它的低阻抗短路掉差模干擾。(如圖下圖所示:)

          當頻率為50Hz時,電容阻抗趨近于無窮大,相當于短路,不起任何衰減作用。

          當頻率為500kHz時,電容阻抗很小,根據上式可以看到差模負載的電流衰減為趨近于0。如當頻率為500kHz時負載50歐容抗0.05歐。此時電容分得了99.9%的差模干擾電流,而負載只分得了0.1%的差模干擾電流。也就是說500kHz時,電容使得差模干擾下降了30dB.

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          共模干擾

          5.1.共模就是共同對地的干擾:

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          如圖,我們可以看到共模的原理圖。UPQ就是共模電壓,ICM1ICM2就是共模電流。ICM1ICM2大小不一定相同,方向相同。

          5.2.共模干擾產生的原因很多。

          主要原因有以下幾點。

          1.電網串入共模干擾電壓

          2.輻射干擾(如雷電,設備電弧,附近電臺,大功率輻射源)在信號線上感應出共模干擾。(原理是交變的磁場產生交變的電流,由于地線-零線回路面積與地線-火線回路面積不相同,兩個回路阻抗不同等原因造成電流大小不同)

          3.接地電壓不一樣。也就是說地電位差異引入共模干擾。

          4.也包括設備內部電線對電源線的影響。

          5.3.如何影響設備。

          共模電壓有時較大,特別是采用隔離性能差的配電供電室,變送器輸出信號的共模電壓普遍較高,有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓,直接影響測控信號,造成元器件損壞,這種共模干擾可為直流、亦可為交流。

          如圖

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          5.4.如何濾除共模干擾(共模線圈共模電容)

          5.4-1共模線圈

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          共模線圈和差模線圈原理比較類似,都是利用線圈高頻時的高阻抗來衰減干擾信號。共模線圈和差模線圈繞線方法剛好相反(如圖)。

          因為差模線圈在濾除干擾的同時,還會一定程度的增加阻抗,而共模線圈對方向相反的電流基本不起作用,所以我們在能夠滿足特性的前提下,一般很少使用差模線圈。

          文獻一:這樣,當電路中的正常電流流經共模電感時,電流在同相位繞制的電感線圈中產生反向的磁場而相互抵消,此時正常信號電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼);當有共模電流流經線圈時,由于共模電流的同向性,會在線圈內產生同向的磁場而增大線圈的感抗,使線圈表現為高阻抗,產生較強的阻尼效果,以此衰減共模電流,達到濾波的目的。

          文獻二:我們了解電流定律,也知道電流產生磁通后,而且知道相同大小,相同圈數,不同方向的電流產生的磁通是會互相抵消,導致整個共模線圈對不同方向的電流不起作用,而僅僅讓其通過;但對相同方向的電流所產生的磁通,因為磁通方向相同,磁通沒有抵消,故些共模線圈起著阻抗器的作用,壓制了同方向的雜訊電流,達成抗電磁干擾的目的。

          5.4-2共模電容工作原理

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          共模電容的工作原理和差模電容的工作原理是一致的,都是利用電容的高頻低阻抗,使高頻干擾信號短路,而低頻時電路不受任何影響。只是差模電容是兩極之間短路。而共模電容是線對地短路。3300pF1.6mm引腳共模電容諧振頻率點為19.3MHz**(下面僅為個人觀念,僅供參考。我覺得,共模電容不是單獨工作的。它是和共模電感共同工作組成一個諧振回路共同起作用?如下圖,因為我對此沒有100%把握。等我弄明白再一起討論吧)

          穿心電容

          在實際工程中,要濾除的電磁噪聲頻率往往高達數百MHz,甚至超過1GHz。對這樣高頻的電磁噪聲必須使用穿心電容才能有效地濾除。普通電容之所以不能有效地濾除高頻噪聲,是因為兩個原因,一個原因是電容引線電感造成電容諧振,對高頻信號呈現較大的阻抗,削弱了對高頻信號的旁路作用;另一個原因是導線之間的寄生電容使高頻信號發生耦合,降低了濾波效果,如圖下所示。

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

          穿心電容之所以能有效地濾除高頻噪聲,是因為穿心電容不僅沒有引線電感造成電容諧振頻率過低的問題,而且穿心電容可以直接安裝在金屬面板上,利用金屬面板起到高頻隔離的作用。但是在使用穿心電容時,要注意的問題是安裝問題。穿心電容*大的弱點是怕高溫和溫度沖擊,這在將穿心電容往金屬面板上焊接時造成很大困難。許多電容在焊接過程中發生損壞。特別是當需要將大量的穿心電容安裝在面板上時,只要有一個損壞,就很難修復,因為在將損壞的電容拆下時,會造成鄰近其它電容的損壞。

          我的理解是首先,穿心電容是一個共模電容,它是線對地的電容。其次,穿心電容是一個比較理想的電容,它沒有引線,大大提高了諧振頻率點。

          我沒有具體測過,但是從插入損耗曲線可以推斷,在頻率為100M-10G時,穿心電容有很低的阻抗,很接近理想電容曲線。

          EMC原理傳導(共模 差模) 輻射(近場 遠場) 詳解

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