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电磁兼容基础知识你了解多少

电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中满足要求而不对其环境中的任何设备产生难以忍受的电磁干扰的能力。因此,EMC包括两个要求:一方面,设备在正常运行过程中对环境的电磁干扰不得超过一定的限值;另一方面,设备对环境中的电磁干扰具有一定的抗干扰性,即电磁敏感性。


电磁干扰源类型:

电磁干扰源种类繁多,可以根据不同的方法进行分类。直接影响测量和测量设备的干扰源可分为自然干扰源和人工干扰源。


自然干扰源包括:

(1)大气噪声干扰:如雷电产生的火花放电。属于脉冲宽带干扰,覆盖Hz至100mHz以上。传播距离相当远。

(2)太阳噪声干扰:指太阳黑子的辐射噪声。在太阳黑子活动期间。黑子的爆发。会产生比稳定期高数千倍的强烈噪声。导致通信中断。

(3)宁宙噪声:指宇宙天体的噪声。

(4)静电放电:人体。设备上积累的静电电压可达数万伏至数十万伏。它通常通过电晕或火花释放,称为静电放电。静电放电产生强大的瞬时电流和电磁脉冲,会对静电敏感器件和设备造成损坏。静电放电是脉冲宽带干扰。频谱成分从直流到连续剑的频率段。

人工干扰源是指由电气、电子设备和其他人工设备引起的电磁干扰。这里提到的人工干扰源是指无意识的干扰。至于故意实现某种目的的干扰,如电子对抗围。


人工干扰源包括:

(1)无线电发射设备:包括移动通信系统、广播、电视、雷达、导航和无线电接力通信系统,如微波接力、卫星通信等。由于发射功率大,基波信号会产生功能干扰;谐波和真实发射构成非功能无用信号干扰。

(2)工业、科学、医疗(ISM)设备:如感应加热设备、高频焊机、x光机、高频理疗设备等。除了空间辐射干扰外,强大的输出功率还通过工频电网干扰远处设备。

(3)电力设备:包括伺服电机、电钻、继电器、电梯等设备。断开的电流剧变和相关的电火花成为干扰源:电力系统中的非线性负载(如电弧炉等)。间断电源(UPS)等同态电源转换设备产生大量谐波涌入电网,成为干扰源:荧光灯等照明设备也产生光放电噪声干扰。

(4)汽车.内燃机点火系统:汽车点火系统产生宽带干扰,干扰强度几乎从几百千赫到几百兆赫不变。

(5)电网干扰:指50Hz交流电网强电磁场、地漏电流、高压输电线电晕、绝缘断裂、污染导体表面的电火花。

(6)高速数字电子设备:包括计算机及相关设备。

就上述电磁干扰源产生的机制而言,有:放电噪声(雷电、静电放电、光放电等)。接触噪声、电路过渡现象、电磁波反射现象等。电磁波反射在传输线和数字设备必须认真对待的干扰源。


国产电磁兼容仪器设备


电磁干扰的危害:

  • 干扰电视观看、收听广播收音机。

  • 数据在数据传输过程中丢失。

  • 破环在设备分系统或系统级正常工作。

  • 医疗电子设备工作异常。

  • 自动微处理器控制系统失控。

  • 导航系统工作异常。

  • 起爆装置无意爆炸。

  • 工业过程控制功能失效。

除此之外,强电场还会对生物体产生影响,一般可分为热效应和非热效应。对于热效应,随着射频入射功率密度的逐渐增加,血流可能会加快。血液分布较少的局部体温升高。酶活性降低。蛋百质变性。心率变化,甚至体温调节能力受到抑制。局部组织受损直至死亡。对于非热效应,它有更广泛的影响。包括对中枢神经系统、血液免疫系统、心血管系统、生殖系统和胚胎发育的影响。这些影响不仅反映在个体级、器官级和细胞级。


电磁兼容设计要求:

①明确了系统的电磁兼容性指标。电磁兼容性设计包括电磁干扰环境和系统干扰其他系统的允许指标。

②在了解系统干扰源、被干扰对象和干扰方式的基础上,通过理论分析将这些指标分级分配给各分系统、子系统、电路、元件和设备。

③根据实际情况,采取相应措施抑制干扰源,消除干扰途径,提高电路抗干扰能力。

④通过实验验证是否符合原指标要求。如果不符合要求,应采取进一步措施,多次循环,直至达到原指标。


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电磁兼容的主要研究对象:

①各种人为噪声,如输电线路电晕噪声、汽车噪声、接触器本身的噪声、导体打开时放电引起的噪声、电气机车噪声、城市噪声等。

②共用走廊内各种公用事业设备(输电线、通信、铁路、公路、石油金属管道等。)相互影响。

③超高层建筑、输电线、铁塔等大型建筑引起的反射问题。

④电磁环境对人类和各种生物的影响。包括强电线等工频场,中短波和微波电磁辐射。

⑤核电磁脉冲的影响。高空核爆炸产生的电磁脉冲可以大面积破坏地面上的指挥、控制、通信、计算机和报告系统。

⑥探谱(TEMPEST)技术。其实质是从信息接收和保护两个方面开展的一系列研究工作。

⑦电子设备的误动作。为防止误动作,必须采取措施提高设备的抗干扰能力。

⑧频谱分配与管理。无线电频谱是一种有限的资源,但不是消耗性的,既要科学管理,又要充分利用。

⑨电磁兼容性和测量。

⑧自然影响等。


电磁兼容测量的基本方法:

1.电磁辐射发射测量系统

电磁场辐射测量是测量电气设备的电磁辐射强度。


2.电磁辐射敏感度测试系统:其测量方法主要包括以下几种。

1)用发射天线骚扰电磁场,

2)用TEM室或GTEM室骚扰电磁场,

3)用混响室骚扰电磁场,

4)磁场由亥姆霍兹线圈产生。


3.传导发射测量系统:有以下测量方法:

1)通过线路阻抗稳定网络LISN,

2)用电流探头测量电源线上的干扰电源,

3)通过电源吸收钳测量电源线上的干扰功率。

4.传导敏感性测试系统:通过以下方法进入干扰信号。

1)干扰信号通过变压器进入被测线路,

2)干扰信号通过耦合/去耦网络进入被测线路,

3)通过注入探头向被测线输入干扰信号。


提高电磁兼容性的措施:

①使用完美的屏蔽体可以防止外部辐射进入系统,也可以防止系统的干扰能量向外辐射。屏蔽体应保持完整性,必要的门、接缝、通风孔和电缆孔应妥善处理,屏蔽体应接地可靠。

②设计合理的接地系统、小信号、大信号和干扰电路,接地电阻尽可能小。

③采用适当的滤波技术,合理选择滤波器的通带,尽量减少漏电损失。

④采用限幅技术,限幅电平应高于工作电平,并应双向限幅。

⑤正确选择连接电缆和布线,必要时用光缆代替长电缆。

⑥采用平衡差动电路、整形电路、积分电路、选通电路等技术。

⑦系统频率分配应适当。当一个系统中有多个主频信号工作时,尽量避免每个信号频率,甚至避免对方的谐振频率。

⑧共用走廊的各种设备在条件允许时应保持较大的隔离,以减少相互影响。


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实施电磁兼容:

1.电源:由于许多电磁干扰通过电源耦合到电子设备中,因此在系统电源中进行了特殊的电磁兼容性设计。增加有效的变压器、稳压器和滤波电路,使用高效的开关电源芯片和稳压滤波效果良好的低压差线性电源芯片,为系统提供稳定可靠的电源。

2.使用去耦电容器:在每个集成电路的电源之间增加一个去耦电容器。去耦电容器有两个功能:一方面是集成电路的蓄能电容器,提供和吸收集成电路的充放电能;另一方面,设备的高频噪声。

3.地线分离:采用四层电路板设计,减少电源和地面寄生电感,有效提高系统的EMC性能。单独的电源层和地层可以有效地防止设备通过地线与电源之间的耦合。此外,对不同性质的地线采用分离方法,使不同属性的地线电流走不同的路径,防止信号串扰。

通信接口:系统485.232.USB等通信接口外接电缆,与外部设备直接相关,易受各种电磁干扰。为了提高这些通信接口的抗干扰能力,磁珠、并联压敏电阻和滤波电容器串联在通信信号线上;


此外,为了增强抗扰性,减少骚扰性,PCB板的布置应遵循以下原则:

1.石英晶体振荡器应尽可能靠近时钟设备,时钟线应尽可能短,外壳应接地,时钟区应用地线圈起。

不要在石英晶体和对噪声敏感的设备下接线。

2.I/O驱动电路应尽可能靠近印刷板,以便尽快离开印刷板。进入印刷板的信号应加滤波,高噪声区的信号也应加滤波。同时,采用串终端电阻减少信号反射。

3.MCU无用端应连接高、接地或定义为输出端,集成电路上连接电源的端应连接,不得悬挂。不要悬挂闲置的门电路。

4.印刷板尽量使用45折线而不是90折线布线,以减少高频信号的外部发射和耦合。

5.正确选择单点接地和多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于1mHz,其接线和设备之间的电感影响较小,接地电路形成的环流对干扰影响较大,因此应采用一点接地。当信号工作频率大于10mHz时,地线阻抗变得非常大此时,应尽量减少地线阻抗,并采用附近的多点接地。当工作频率为1~10mHz时,如果采用一点接地,地线长度不应超过波长的1/20,否则采用多点接地法。

6.将数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应尽量分开,两条地线不应混合,分别与电源端地线连接。尽量增加线性电路的接地面积。

7.尽量加厚接地线。如果接地线很薄,接地电位会随着电流的变化而变化,导致电子设备的定时信号电平不稳定,抗噪声性能差。因此,接地线应尽可能加厚,以便通过允许电流的三倍于印刷电路板。如有可能,接地线的宽度应大于3毫米。

8.将接地线形成闭环路。在设计只由数字电路组成的印刷电路板的接地线系统时,将接地线制成闭环路可以显著提高抗噪声能力。原因是印刷电路板上有许多集成电路组件,特别是当电力消耗较多的组件时,由于接地线厚度的限制,会在接地结上产生较大的电位差,导致抗噪声能力下降。如果接地结构形成环路,将降低电位差,提高电子设备的抗噪声能力。

9.选择合理的导线宽度。由于瞬时电流在印刷线上的冲击干扰主要是由印刷线的电感成分引起的,因此应尽量减少印刷线的电感。印刷线的电感与其长度成正比,与其宽度成反比,因此短而精确的导线有利于抑制干扰。时钟导线。驱动器或总线驱动器的信号线通常携带大的瞬时电流,印刷线应尽可能短。对于单元电路,印刷线宽度约为1.5mm,可完全满足要求;对于集成电路,印刷线宽度可在0.2~1.0mm之间选择。

10.采用正确的布线策略。平等布线可以减少导线电感,但增加导线之间的互感和分布电容。如果布局允许,最好采用井网布线结构。具体方法是印刷板的一侧水平布线,另一侧垂直布线,然后用金属孔连接交叉孔。为了抑制印刷板导线之间的串扰,在设计布线时应尽量避免长距离平等布线。


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