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EMC原理之传导及辐射

技术中心

Technology

EMC原理之传导及辐射

分类:
电源技术
作者:
广州市爱浦电子科技有限公司
来源:
原创
发布时间:
2021/01/27
浏览量

一.EMC 概念介绍

        EMC(electromagnetic compatibility)作为产品的一个特性,译为电磁兼容性;如果作为一门学科,则译为电磁兼容。它包括两个概念:EMI 和 EMS。EMI (electromagnetic inteRFerence) 电磁干扰,指自身干扰其它电器产品的 电磁干扰量。EMS (electromagnetic susceptibility) 电磁敏感性,也有称为电磁抗扰度,是指能忍受其它电器产品的电 磁干扰的程度。因此,电磁兼容性 EMC 一方面要滤除从电源线上引入的外部电磁干扰(辐射+传导),另一方面还能避 免本身设备向外部发出噪声干扰,以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。EMC 滤波器主要是用来滤除 传导干扰,抑制和衰减外界所产生的噪声信号干扰和影响受到保护的设备,同时抑制和衰减设备对外界产生干扰。而 辐射干扰主要通过屏蔽的手段加以滤除。

        从滤波器的功能来看,它的作用是允许某一部分频率的信号顺利的通过,而另外一部分无用频率的信号则受到较 大的抑制,它实质上是一个选频电路。而我们常见的低通滤波器功能是允许信号中的低频或直流分量通过,抑制高频 分量或干扰噪声。

        电源噪声干扰在日常生活中很常见。比如你正在使用电脑的时候,当手机信号出现时,电脑音响会有杂音。比如 电话或手机通话时有嗞嗞的杂声。又比如使用电吹风烫头发时,电视机不但会产生噪音,而且屏幕会出现很大的雪花 般的条纹。这都是一些常见的噪声信号干扰,但实际上有些干扰日常看不到,一但受到影响就有可能措手不及,甚至 找不到根源。这些噪声信号如果出现在自动化仪器,医疗仪器有可能带来极大的损失甚至生命安全。比如,会造成自 动化仪器误动作,造成医疗仪器失控等等。

        我们常说的噪声干扰,是指对有用信号以外的一切电子信号的一个总称,也可以理解为电磁干扰。最初,人们把造成收音机之音响设备所发出噪声的那些电子信号,称为噪声。但是,一些非有用电子信号对电子电路造成的后果并 非都和声音有关,因此,后来人们逐步扩大了噪声概念。如:某一频率的无线电波信号,对需要接收这种信号的接收 机来讲,它是正常的有用信号,而对于另一频率的接收机它就是一种无用信号,即是噪声。

        噪声按传播路径来分可分为传导噪声干扰和空间噪声干扰。其传导干扰主要通过导体传播,通过导电介质把一个 电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络,其频谱主要为 30MHz 以下。而空间噪声干扰源通过空间把其信号耦合 (干扰)到另一个电网络,其频率范围比传导噪声频率宽很多,30Hz-30GHz。传导噪声干扰可以通过设计滤波电路或追 加滤波器的方法来进行抑制和衰减,而空间辐射干扰主要通过主要应用密封屏蔽技术,在结构上实行电磁封闭。目前 为减少重量大都采用铝合金外壳,但铝合金导磁性能差,因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆,内壁贴覆高导磁率的 屏蔽材料。

        上面我们提到传导噪声干扰,又分为差模干扰与共模干扰两种。差模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的 噪声,主要通过选择合适的电容(X 电容),差模线圈来进行抑制和衰减。共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对 地)的噪声,主要通过选择合适的电容(Y 电容),和共模线圈来进行抑制和衰减。我们常见的低通滤波器一般同时 具有抑制共模和差模干扰的功能。

二.感应干扰(近场)

        常见的电场 如两个金属板两端加电压. 常见的磁场 如两个磁铁之间的磁场

        电磁波的速度在空气中接近于光速。 波长=c/f=3x108/f = 300/F(MHz) 如,F=10MHz 波长=30 米 r =波长/2*3.14 =4.77 米。

        频率为 10MHz 的电磁波发射源,在离发射源大于 4,77 米时,为远场,小于 4,77 米时,为近场。

三.辐射干扰(远场)

3.1 原理及产生原因

        根据麦克斯韦方程,变化电场产生变化磁场,变化磁场产生变化的电场。 设备内每个电路都可能是天线,外壳和电缆都可能是天线的一部分。

        我的理解是 静电场 和静磁场 只对近距离的设备产生干扰。

        交变的电场 和交变的磁场 不光对近距离设备产生干扰,还对很远处的设备产生干扰。 不论是电场干扰 还是磁场干扰 远距离传播以后,都是以交变的电磁场形式传播。

        电磁场解释 (载自百度) 电磁场 有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称 。随时间变化的电场产生磁场 , 随时间变化的磁场产生电场,两者互为因果,形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起,也可由强弱变化的电流引起,不论原因 如何,电磁场总是以光速向四周传播,形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物,具有能量和动量,是物质存在的一 种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。

3.2 如何影响设备 敏感设备受空间干扰

        设备内的天线是互易的,既可发射,也可接受。

        磁场天线的接收(场-电路的干扰): e= 2πfBAcosθ

        电场天线的接收:(场-电缆的干扰) e= El有效长效

        其中 f 为频率 B 为磁感应强度 A 为面积 E 为电场强度 3.3.如何滤除辐射干扰

        如在源及敏感设备外围加屏蔽,隔断辐射路径;以及在敏感设备各端口增加滤波电路,阻止已耦合到端口上噪声 进入设备内.

3.4 如何减少辐射干扰 方法 1: 采用同轴电缆 双绞线 绞合电缆。

        如 MR6; IDM11 的电缆线就是绞合电缆

        方法 2:应尽量 减小有用信号的高次谐波成分 (频率越高,辐射越强) 方法 3:采取屏蔽方法通气口,尽量用小圆孔, 避免用长条形通气孔。

        如图 1,3 为差模电容,2 为共模电感,4 为共模电容。 一般滤波器不单独使用差模线圈,因为共模电感两边绕线不一致等原因,电感必定不会相同,因此能起到一定的差模电感的作用。 如果差模干扰比较严重,就要追加差模线圈。

四.差模干扰

4.1 差模干扰:简单的说就是线对线的干扰。

        如图,我们可以看到差模的原理图。UDM 就是差模电压,IDM 就是差模电流。IDM 大小相同,方向相反。

4.2 差模干扰产生的原因

        差模干扰中的干扰是起源在同一电源线路之中(直接注入). 如同一线路中工作的电机,开关电源,可控硅等,他们在电 源线上所产生的干扰就是差模干扰。

4.3 如何影响设备。

        差模干扰直接作用在设备两端的,直接影响设备工作,甚至破坏设备。(表现为尖峰电压,电压跌落及中断.)

4.4 如何滤除差模干扰

        主要采用差模电感 和 差模电容。

4.4-1 差模电感工作原理:

        可以看到,当电流流过差模线圈之后,线圈里面的磁通是增强的,相当于两个磁通之和。

        线圈特性 低频率低阻抗 高频率高阻抗 决定了在高频时利用它的高阻抗衰减 差模信号。(如图下图所示): 当频率为 50Hz 时,线圈阻抗接近于 0,相当于一根导线,不起任何衰减作用。

        当频率为 500k Hz 时, 阻抗达到 5k 欧, 而理想状态下,此时负载阻抗一般考虑为 50 欧, 根据上面公式,此时差模线圈分得了 99%的差模干扰电压,而负载只分得了 1%的差模干扰电压。 同时 电流也有很大衰减。 (可以算出此时线圈的差模插入损耗)

4.4-2 差模电容工作原理。

        可以看到, 电容特性 低频率高阻抗 高频率低阻抗。 滤波器利用电容在高频时它的低阻抗短路掉差模干扰。(如图下图所示:)

        当频率为 50Hz 时,电容阻抗趋近于无穷大,相当于短路,不起任何衰减作用。

        当频率为 500k Hz 时, 电容阻抗很小, 根据上式可以看到 差模负载的电流衰减为趋近于 0 如当频率为 500k Hz 时 负载 50 欧 容抗 0.05 欧

        此时电容分得了 99.9%的差模干扰电流,而负载只分得了 0.1%的差模干扰电流。

        也就是说 500k Hz 时,电容使得差模干扰下降了 30dB。

五.共模干扰

5.1 共模 就是共同对地的干扰:

        如图,我们可以看到共模的原理图。UPQ 就是共模电压,ICM1 ICM2 就是共模电流。 ICM1 ICM2 大小不一定相同,方向相同。

5.2.共模干扰产生的原因很多。

主要原因有以下几点。

1.电网串入共模干扰电压

2.辐射干扰(如雷电,设备电弧,附近电台,大功率辐射源) 在信号线上感应出共模干扰。

(原理是 交变的磁场 产生交变的电流, 由于地线-零线回路面积 与地线-火线回路面积不相同,两个回路阻抗不同 等原因造成电流大小不同)

3.接地电压不一样。 也就是说地电位差异引入共模干扰。

4. 也包括设备内部电线 对电源线的影响。

5.3.如何影响设备。

        共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的配电供电室,变送器输出信号的共模电压普遍较高,有的可高达 130V 以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压,直接影响测控信号,造成元器件损坏,这种共模干扰可为直流、 亦可为交流。 如图

5.4 如何滤除共模干扰 (共模线圈 共模电容)

5.4-1 共模线圈

        共模线圈和差模线圈原理比较类似,都是利用线圈高频时的高阻抗来衰减干扰信号。 共模线圈和差模线圈绕线方法刚好相反(如图)。 因为差模线圈在滤除干扰的同时,还会一定程度的增加阻抗,而共模线圈对方向相反的电流基本不起作用, 所以我们在能够满足特性的前提下,一般很少使用差模线圈。

        文献一 这样,当电路中的正常电流流经共模电感时,电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消, 此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时,由于共模电流的同 向性,会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰减共模电流,达到滤波的目的。

        文献二 我们了解电流定律,也知道电流产生磁通后,而且知道相同大小,相同圈數,不同方向的电流产生的磁通是會互相抵消,导致整个共模线圈对不同方向的电流不起作用,而仅仅让其通过;但对相同方向的电流所产生的磁通,因为磁通方向相同,磁通沒有抵消,故些共模线圈起着阻抗器的作用,压制了同方向的杂讯电流,达成抗电磁干扰的目的。

5.4-2 共模电容工作原理

        共模电容的工作原理和差模电容的工作原理是一致的, 都是利用电容的高频低阻抗,使高频干扰信号短路,而低频时电路不受任何影响。 只是差模电容是两极之间短路。 而共模电容是线对地短路。

3300pF 1.6mm 引脚 共模电容谐振频率点为 19.3 M Hz

(以下仅为个人观念,仅供参考 我觉得,共模电容不是单独工作的。它是和共模电感共同工作组成一个谐振回路共同起作用☺ 如下图,因为我对此没有 100%把握。)

        在实际工程中,要滤除的电磁噪声频率往往高达数百 MHz,甚至超过 1GHz。对这样高频的电磁噪声必须使用穿心电 容才能有效地滤除。普通电容之所以不能有效地滤除高频噪声,是因为两个原因,一个原因是电容引线电感造成电容谐振, 对高频信号呈现较大的阻抗,削弱了对高频信号的旁路作用;另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合,降 低了滤波效果,如图下所示。

        穿心电容之所以能有效地滤除高频噪声,是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题,而且 穿心电容可以直接安装在金属面板上,利用金属面板起到高频隔离的作用。但是在使用穿心电容时,要注意的问题是安装 问题。穿心电容最大的弱点是怕高温和温度冲击,这在将穿心电容往金属面板上焊接时造成很大困难。许多电容在焊接过 程中发生损坏。特别是当需要将大量的穿心电容安装在面板上时,只要有一个损坏,就很难修复,因为在将损坏的电容拆 下时,会造成邻近其它电容的损坏。
        我的理解是 首先,穿心电容是一个共模电容, 它是线对地的电容。 其次,穿心电容是一个比较理想的电容,它没有引线,大大提高了谐振频率点。
        我没有具体测过,但是从插入损耗曲线可以推断,在频率为 100M-10G 时,穿心电容有很低的阻抗,很接近理想电容曲线。

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