2022年电磁兼容技术 .pdf

2000-2-21 星期一 第 1 期编辑絮语杨继深 尽管电磁兼容技术是一项实践性很强的技术，知识和实力要在实践中逐渐积累和培养，但系统地学习一些知识将使你在实践中思考问题思路更清晰，处理问题更具有灵感。国外有关电磁兼容方面的书籍很多，这些书各有特色，广泛阅读这些书籍无疑能极大地丰富电磁兼容方面的知识，培养综合运用知识的能力。为了帮助我国的工程师们尽快提高电磁兼容水平，我们挑选一些较好的图书或较好的章节以连载的形式介绍给读者，每周出一次，使读者通过日积月累获得丰富而系统的知识。首先我们选载的书是产品设计人员要了解的电磁兼容。本书介绍了电磁兼容技术中的基本概念、在产品设计中需要考虑的电磁兼容措施等。本 期 目 录1 电磁骚扰耦合机理1.1 骚扰源与受害者1.1.1 公共阻抗耦合1.1.1.1 导电连接1.1.1.2 磁场感应1.1.1.3 电场感应1.1.1.4 负载电阻的影响1.1.1.5 空间间隔1 电磁骚扰耦合机理1.1 骚扰源与受害者所有电磁兼容性问题毫无例外地包含两个因素，一个是骚扰发射源，另一个是对这个骚扰敏感的受害者。若这两者都不存在，也就没有电磁兼容性问题。如果骚扰源和受害者在同一设备单元内，称“系统内”电磁兼容性问题；如果骚扰源和敏感设备是两个不同的设备，例如，计算机监视器和无线电接收机，则称为“系统间”问题。大部分电磁兼容标准都是针对系统间电磁兼容的。同一设备在一种情况下是骚扰源，而在另一种情况下或许是受害者。设备要满足性能指标，减小骚扰耦合往往是消除干扰危害的唯一手段，因此弄清楚骚扰耦合到受害者上的机理是十分必要的。通常减小骚扰发射的方法也能提高抗骚扰性，但为了分析方便，我们往往分别考虑这两方面的问题。骚扰源和受害者在一起时，就有从一方到另一方的潜在干扰路径。组建系统时，你必须知道发射特征和组成设备的敏感性，以确定是否要做紧耦合实验。遵守已出版的发射和敏感度标准并不能保证解决系统的电磁兼容性问题。标准的编写是从保护特殊服务(在发射标准中，主要指无线电广播和远程通信)的观点出发的，并要求骚扰源和受害者之间有最小的隔离。许多电子硬件包含着具有天线能力的元件，例如电缆、印制电路板的印制线、内部连接导线和机械结构。这些元件可以电场、磁场或电磁场方式传输能量并耦合到线路中。在实际中，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 33 页 - - - - - - - - - 系统内部耦合和设备间的外部耦合，可以通过屏蔽、电缆布局以及距离控制得到改善。地线面或屏蔽面既可以因反射而增大干扰信号，也可以因吸收而衰减干扰信号。电缆之间的耦合既可以是电容性的，也可以是电感性的，这取决于其走向、长度和相互距离。绝缘材料也可以因吸收使减小场强，尽管在许多场合与导体相比可以忽略。返回1.1.1 公共阻抗耦合公共阻抗耦合是由于骚扰源与受害者共用一个线路阻抗而产生的。最明显的公共阻抗是阻抗实际存在的场合，例如骚扰源和受害者共用的导体；但公共阻抗也可以是由两个电流回路之间的互感耦合，或者由于两个电压节点之间的电容耦合产生的。理论上，每个节点和每个回路通过空间都能耦合到另一节点和回路。实际上耦合程度随距离增大急剧下降。图1.3 表示一对平行导线的互电容和互感与其分离程度的变化关系。返回1.1.1.1 导电连接当骚扰源（图1.1 中系统 A 的输出）与受害者（系统B 的输人）共用一个地时，则由于A的输出电流流过XX 段的公共阻抗，在B 的输人端产生电压。公共阻抗仅仅是由一段导线或印制板走线产生的。因为导线的阻抗呈感性，因此输出中的高频或高didt 分量将更容易耦合。当输出和输人在同一系统时，公共阻抗构成乱真反馈通路，这可能导致振荡。解决方法如图1.1 所示，在这个方法中，分别连接两个电路，因而在两个电路之间没有公共通路，也就没有公共阻抗。这个方法的代价是多用一根导线。这个方法可用于任何包含公共阻抗的电路，例如电源汇流条连接。大地是公认的最常见的公用阻抗因素，但在电路图中表示不出来。图 1.1 传导性公共阻抗耦合 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.2 传导性公共阻抗耦合 返回1.1.1.2 磁场感应导体中流动的交流电流会产生磁场，这个磁场将与临近的导体耦合，在其上感应出电压（图 1.3） 。受害导体中感应电压由公式（1.1 ）计算：V MdIL dt （1.1 ）式中： M 是互感，单位享利。M 取决于骚扰源和受害电路的环路面积、方向、距离，以及有两者之间无磁屏蔽。互感的计算公式在附录中给出，通常靠近的短导线之间的互感在0.1 3(H 之间。磁场耦合的等效电路相当于电压源串接在受害者的电路中。值得注意是两个电路之间有无直接连接对耦合没有影响，并且无论两个电路对地是隔离还是连接的，感应电压都是相同的。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.3 磁场和电场感应 返回1.1.1.3 电场感应导体上的交流电压产生电场，这个电场与临近的导体耦合，并在其上感应出电压（图1.3） 。在受害导体上感应的电压由公式(1.2) 计算：V = CC Zin dVL/dt (1.2) 式中 CC 是耦合电容 , Zin 是受害电路的对地阻抗。这里假设耦合电容阻抗大大高于电路阻抗。噪声似乎是从电流源注入的，其值为CCdVL/dt 。CC 的值与导体之间距离、有效面积以及有无电屏蔽材料有关。典型例子是两个平行绝缘导线，间隔 0.1 英寸时，其耦合电容大约为每米50pF ；未屏蔽的中等功率电源变压器的初次级间电容大约为1001000pF 。在上述情况中，两个电路都必须连接参考地，这样耦合路径才能完整。但是如果有一个电路未接地，并不意味着没有耦合通路。未接地的电路与地之间存在杂散电容，这个电容与直接耦合电容串联。另外，即使没有任何地线，A 至 B 的低电压端之间也存在寄生电容。噪声电流还是能够加到RL 上，但其值由CC 和杂散电容的串联值决定。返回1.1.1.4 负载电阻的影响需要注意的是，磁场和电场耦合的等效电路之间的差异决定了电路负载电阻的变化引起的结果是不同的。电场耦合随RL 增加而增大，而磁场耦合随RL 增加而减小。这个性质可以用于诊断：比如你在观察耦合电压时，改变 RL，你能够推断哪一种耦合模式起主导作用。同样道理，磁场耦合对低阻抗电路的影响更大，而电场耦合对高阻抗电路影响更大。返回1.1.1.5 空间间隔互电容和互感都受骚扰源和受害导体之间的物理距离的影响。图1.4 表示在给出了自由空间中两平行导线之间的距离对其互电容的影响，以及对地平面（为每个电源提供回流通路）上两导体的互感的影响。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.4 互电容与互电感与距离的关系 返回图书连载面向产品设计人员的电磁兼容 首页目录2000-2-28 星期一 第 2 期本 期 目 录1.1.2 电源耦合1.1.3 辐射耦合1.1.3.1 电磁场的产生1.1.3.2 波阻抗1.1.3.3 耦合方式1.2 发射1.2.1 辐射发射1.2.1.1 来自印制电路板的辐射1.1.2 电源耦合所干扰能够从干扰源经电源配电网络进人受害者，因两者是连接在一起的。因此对高频不利，尽管从线路上可以容易地预测阻抗，但是在高频时很难精确估算。在电磁兼容试验中，电源的射频阻抗可用50网络并联50H 电感近似表示（ LISN ） 。对于短距离传输线，例如在同一线路上临近的设备，两个设备经电源线的耦合可用图1.5 的等效电路描述。对于较长的距离， 在 10MHz 以下， 电源电缆是损耗很低的，特性阻抗约为150 一 200的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 33 页 - - - - - - - - - 传输线。然而在任何一个局部配电系统中，因负载连线、电缆接头和配电元件起的骚扰和间断将是影响射频传输特性的主要因素。所有这些因素将增加损耗。图 1.5 经电源网络的耦合 返回1.1.3 辐射耦合为了理解能量是如何通过没有互联的较远的距离从源耦合到受害者的，需要了解一些电磁波传播的特性。本节介绍一些必要的概念。电磁波理论在许多著作中都有论述。返回1.1.3.1 电磁场的产生电场（ E 场）产生于两个具有不同电位的导体之间。电场的单位为m/V，电场强度正比于导体之间的电压，反比于两导体间的距离。磁场（ H 场）产生于载流导体的周围，磁场的单位为m/A ，磁场正比于电流，反比于离开导体的距离。当交变电压通过网络导体产生交变电流时，产生电磁（EM）波，E 场和 H 场互为正交同时传播。传播速度由媒体决定；在自由空间等于光速3108 m /s。在靠近辐射源时，电磁场的几何分布和强度由干扰源特性决定，仅在远处是正交的电磁场。如图1.6。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.6 电磁场 返回1.1.3.2 波阻抗电场强度与磁场强度之比称为波阻抗（图1.7） 。对于任何已知电磁波，波阻抗是一个十分关键的参数，因为它决定了耦合效率，也决定了导体的屏蔽效能。对于远场，d /2，电磁波称为平面波，平面波的阻抗是恒定的，等于公式1.3 所示的自由空间的阻抗：在近场， d /2，波阻抗由辐射源特性决定。小电流、高压电辐射体（例如棒）主要产生高阻抗的电场，而大电流、低电压辐射体（例如环）主要产生低阻抗磁场。如果辐射体阻抗正好约 377，那么实际在近场能产生平面波，这取决于辐射体形状。/2附近的区域，或近似六分之一波长的区域，是近场和远场之间的传输区域。平面波总是假设是在远场，当分别考虑电场或磁场波时，则假设是在近场。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.7 波阻抗 返回1.1.3.3耦合方式差模、共模和天线模辐射场耦合是学习电磁兼容的基本概念。在本书中这些概念将以各种形态反复出现。在骚扰的发射和入侵耦合方面都要应用。差模考察一根电缆连接起来的两台设备，图1.8。电缆中两根靠近的导线传输差模（去和回）信号电流。辐射场可以耦合到这个系统，并在两根电线之间感应出差模骚扰；同样，差模电流自身产生辐射场。地参考面（可以是设备外部，也可以是设备的支撑结构）在耦合中不起作用。共模电缆上还传输共模电流，即在每根导线上都以同一方向流动。这些电流通常与信号电流毫无关系。共模电流可以由外部电磁场耦合到由电缆、地参考面和设备与地连接的各种阻抗形成的回路引起。共模电流可以引起内部差模电流，设备对差模电流是敏感的。另外，共模电流也可以由地平面和电缆之间的内部噪声电压引起，这是辐射发射的主要原因。需要注意的是，与导线和设备外壳有关的寄生电容和电感是共模耦合回路的主要部分，在很大程度上决定着共模电流的辐度和频谱分布。这些寄生电抗是偶然产生的，而不是设计的，因此控制或预测这些参数比控制或预测那些决定差模耦合的参数，例如电缆的间隔和滤波参数，更困难。天线模天线模电流沿电缆和地平面同向传输。天线模电流通常不是由内部噪声的产生，但是当整个系统包括接地平面，暴露于外场时，天线模电流将会流动。例如飞机飞入雷达发射的波束区域时；飞机机身作为内部设备的接地平面，它象内部导线一样传输同样的电流。当不同的电流通路上的阻抗不同时，天线模电流会变为差模或共模，只有这时，天线模才成为系统的辐射场敏感性问题。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.8 辐射耦合方式 返回1.2 发射当你按照规范设计产品，却缺乏有关系统或系统工作的环境的知识，你应区别发射和敏感度两个概念，设计产品使满足发射和敏感度的最低要求。各种标准中规定了极限值，但是个别用户或市场部门可能有特殊的要求。在那些来自国际无线电干扰特别委员会（CISPR ）的标准中，发射又分为系统产生的辐射发射和以共模电流形式出现在接口和电源电缆上的传导发射。通常，辐射（高频）和传导（低频）之间的分界点在30MHz 。辐射发射本身可以分为来自内部印制电路板或其它导线的发射，以及连接设备的外部电缆上的共模电流发射。返回1.2.1 辐射发射1.2.1.1 来自印制电路板的辐射在多数设备中，主要的发射源是印制电路板（PCB ）上电路（时钟、视频和数据驱动器，及其它振荡器）中流动的电流。来自PCB 的辐射发射可用载有骚扰电流的小环天线（图1.9）模型描述。小环是指其尺寸小于感兴趣频率的四分之一波长（4） （例如75MHz为 lm） 。多数 PCB 环路当发射频率到几百兆赫时仍认为是“小”的。当其尺寸接近4 时，环路上不同点的电流相位是不同的，这个效应可在指定点上降低场强。当一个环路在地平面上时，在距环路 10m 处的最大电场强度与频率的平方成正比：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 33 页 - - - - - - - - - 在自由空间中， 电场随着离源的距离按正比例地下降。这里使用 10m 是因为这是欧洲辐射发射标准的标准测量距离。对于最坏的情况，由于地平面的反射，考虑最坏情况时要将辐射场强增加一倍。这也是符合试验标准要求的。公式中的环路面积必须是已知的，这个环路是由信号电流和回流构成的环路。公式 4 假设 IS是在单一频率上。由于方波有丰富的谐波，Is 必须应用付里叶计算。评估 PCB 设计你可以利用公式1.4 来粗略地预测已知PCB 是否要加额外的屏蔽。例如，若A 10cm2 ，Is 20 mA ，f = 50MHz ，电场强度E 为 42dB Vm，它超过了欧洲B 级极限值12dB 。如果频率和工作电流是固定的，并且环路面积不能减小，则屏蔽是必要的。但是反过来推导的结论是不成立的，即根据公式1.4 预测 PCB 的差模辐射不超标， 并不能说明设备不需要屏蔽。因为PCB 上小环路的差模电流决不是仅有的辐射发射源；在PCB 上流动的共模电流，特别是电缆上流动的共模电流，对辐射起更大的作用。PCB 上的共模电流，与差模电流（克希霍夫电流定律决定）相比，是很难预测的。共模电流的返回通路常常是经杂散电容（位移电流）至其它临近物体，因此一个完整的预测方案必须详细考虑 PCB 和其外壳的机械结构以及对地和对其它设备的接近程度。正是由于这种原因，电磁兼容落了个“黑色艺术”的称号。图 1.9 印制电路板的电磁辐射 返回图书连载面向产品设计人员的电磁兼容 首页目录名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 33 页 - - - - - - - - - 2000-3-6 星期一 第 3 期本 期 目 录1.2.1.2 电缆辐射1.2.1.3 共模电缆噪声1.2.2 传导发射1.2.2.1 耦合路径1.2.1.2 电缆辐射VHF 频段的辐射耦合主要由电缆辐射决定，而不是PCB 的直接辐射。这是由于常用的电缆在 30 100MHz范围内谐振，在这个频率范围内电缆的辐射效率比PCB 结构要高。这种干扰电流是由PCB 上或设备中其它地方的地噪声产生的共模电流，共模干扰电流可能沿导体或沿屏蔽电缆的屏蔽体流动。电缆在较低频段的辐射模型是地平面上的短单极天线（L /4）（当电缆很长而谐振时，该模型无效），图 1.10 。在 10m 处最大电场强度，加上由于地面反射增加 6dB ，与频率成正比：对于 1 米长的电缆，如果在 10m 处场强小于42dB(V m，则共模电流必须小于20A。请注意这比等效差模电流小1000 倍！名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.10 电缆辐射 返回1.2.1.3 共模电缆噪声尽管显得罗嗦，但还是有必要强调正确区分电缆共模电流与差模电流的重要性。图1.10 中的差模电流IDM 在电缆中的一根导体上向一个方向流动，而在另一根导体上向相反的方向流动。差模电流通常等于信号电流或电源电流，但不在屏蔽体中流动。只要由两根导线形成的环路面积很小，差模电流产生的辐射在总辐射中占的比例就很小；这是因为两根导体中的电流产生的辐射效果互相抵消。共模电流ICM 在电缆中所有导体上的流动方向相同，也可能包括屏蔽体，并且与信号电流毫无关系。共模电流经有关的接地网络返回，因此，辐射环路很大，且不受控。结果是很小的ICM 可以产生很大的发射信号。返回1.2.2 传导发射设备电路中或电源中的干扰会耦合到连接设备的电源电缆上。耦合也可以是其它电缆与电源电缆之间的容性或感性耦合。由于直到目前为止，基于CISPR 的标准规定只在电源电缆上测量发射，因此关于传导发射的讨论集中在电源电缆上。然而，信号和控制电缆确实也起耦合通路的作用，在修订的标准中将增加对这些电缆的测量。产生的传导干扰可以为差模（在火线和中线之间或信号线之间）或共模（在火线中线/信号和地线之间） ，也可以为两者的组合。对于信号和控制线，仅限制共模电流。对于电源端口，在远端要测量火线和大地之间、中线与大地之间的电压。差模发射通常与电源的低频开关噪声有关，而共模发射可能是由于高频开关元件、内部电路电源或内部电缆的耦合引起的。返回1.2.2.1 耦合路径图 1.11所示的使用开关电源的产品的等效电路给出了能够产生这些发射的各种路径。在2.2.4 中将更详细地讨论开关电源的噪声发射。在开关电源输入端产生的差模电流Icm，由杂散电容的不均衡和电源电缆中的导体互之间的互感转换为在测量点对地的干扰电压。高频开关噪声分量VNsupply ； ，通过 Cc 耦合至电源电缆的L/N 和 E 之间，通过CS 耦合至接地平面。 电路地线噪声VNcc （数字电路噪声和时钟谐波）通过 CS 到参考地， 并经信号电缆以 ICMsig 或经安全地以ICME 耦合出去。实际上所有这些干扰机理是同时存在的，杂散电容Cs 分布广泛且不可预知，如果机箱是非屏蔽的，杂散电容与设备和另一物体之间的距离密切相关。局部屏蔽的外壳可能会使耦合更严重，因为这往往产生较大的电容。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.11 电源发射的耦合路径 返回图书连载面向产品设计人员的电磁兼容 首页目录2000-3-13 星期一 第 4 期本 期 目 录1.2.3 电源谐波1.2.3.1 供电商的问题1.2.3.2 非线性负载1.2.3.3 串联电阻的影响1.2.3.4 相位控制1.2.3 电源谐波在电磁兼容指令的范畴中，有一种电磁兼容现象经常被划分为“发射”，这就是电源电流的谐波成分。这种说法有些不恰当，因为设备并没有“发射”任何东西，它仅仅是吸取电源的基频和一些谐波能量。返回名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 33 页 - - - - - - - - - 1.2.3.1 供电商的问题电源谐波问题对供电机构来说确实是一个问题，他要提供高质量电源。如果在实际电源配电点上的总负载有高次谐波分量，非零的配电电源阻抗将会引起该点上电压波形失真。这反过来会对连接在该点的其它设备造成问题，并且电流本身也会给供电商带来问题（例如造成变压器和补偿元件过热） 。供电商当然可选择大功率的配电元件或采取特殊保护措施，但这样做费用很高，并且供电商有理由要求用户承担一些由他们产生的电网污染而增加成本。在八十年代，谐波污染在不断增加，主要原因是由于使用了大量小功率电子负载。其中，家用电视机和办公信息技术设备要承担80的责任。其它产生大量的谐波电流的设备还没有广泛应用并带来严重问题，或者在个别安装地点已经采取了措施，如工业场所。但是，供电商还是非常着急对所有种类的电子产品实施谐波限制。返回1.2.3.2 非线性负载接在电源上的纯电阻性负载仅在基频（50Hz ）出现电流，但大多数电子设备不是电阻性负载。普通整流电容器的输人端在电压波形的峰值处吸取大电流；而在其他时间不吸取电流。用于功率控制（灯、电动机、加热器等）的所谓三端双向控制方法仅在每半周内出现电流。这些电流的波形可以用傅立叶级数表示，傅立叶级数中的谐波幅度是规范中所限制的对象。这些电流遵循付里叶级数的谐波幅值分布。（有关标准是EN60555 的第二部分， 1987 年版本用于民用产品） 。有一种建议是扩大EN60555 的适用范围， 使其覆盖更广泛的产品，实际上将涉及到所有一定功率以上的交流供电电子设备，这些电子设备有整流储能等环节。谐波限制对输人器件的参数设计有很大的影响，主要是串联阻抗（这通常根本不是所希望的输入器件）。图 1.12 （a）是在时域中计算的电流波形的傅立叶分析，表示了一个整流储能器与相当大的串联电阻组合的输入电流的谐波。这个串联电阻的值通常不易获得的，除了效率十分低的变压器输入电源。 5 次谐波正好符合EN60555 2 修订草案所规定的极限值。返回1.2.3.3 串联电阻的影响图 12（b）展示了由于输人端的电阻减小为1/10 而导致的的电流谐波变化。这个电阻值是开关电源的典型值，而许多高效电源引以为自豪的就是较低的Rs 。峰值输人电流明显增加，而电流宽度变窄，这导致了高得多的峰值比（峰值与均方根电流之比），也就是更高的谐波。除非在低功率的场合，通过增加串联电阻来满足谐波限制从功耗的角度说是昂贵的。在实际中，故意消耗输人功率的10 20 对 50 100W 以上电源是难以接受的。另一种方法串联输人扼流圈，由于它必须在50Hz 的频率上有效，因此其尺寸和重量代价都是很大的。也可以使用功率因子修正 （PFC） ， 它将电流波形变换为近似正弦波，但是成本和复杂程度增加很多。PFC是一种电源前端的开关模式变换器，因此在减小输入电流谐波的同时，它也产生额外的射频开关噪声。可以将PFC 与开关电源的其它特征结合起来，这样如果你一定要使用开关电源，将仅名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 33 页 - - - - - - - - - 有一点额外的电源质量恶化现象。这也适合其它补偿性设计要求，如宽带（90 - 260V ）电压要求。这种电源在市场上已经可以买到。除非你是一个电源专家，否则要设计一个PFC-SMPS 需要付出巨大的努力。图 1.12 整流-储能电路的电源输入电流谐波 返回1.2.3.4 相位控制功率控制电路，它是电源波形的相位上变化开关点，是输入电流上的另一类主要谐波失真源。照明控制器是一个典型的例子。图1.13 在 90(（周期中的峰值，对应半功率）开关时的这种波形的谐波分量。谐波分量最大值就出现在这个点上，随着相位变化到90( 的任何一侧， 谐波强度会下降。照明调节器在没有输入滤波器或PFC 的情况下能否满足EN60555-2的限制值取决于它的功率，因为这些限制值是不变的。超过5A 的调光器，如果没有任何措施，将超出限制值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.13 返回图书连载面向产品设计人员的电磁兼容 首页目录 2000-3-20 星期一 第 5 期本 期 目 录1.3 敏感性1.3.1 辐射场1.3.1.1 电缆谐振1.3.1.2 电流注入1.3.1.3 空腔谐振1.3 敏感性电子设备对环境电磁场和经连接电缆耦合到端口骚扰敏感。静电放电可以经电缆或设备外壳耦合进来，临近的放电通够产生局部电场，可直接耦合到设备。潜在的危害包括：* 辐射射频场* 传导瞬态* 静电放电（ ESD ）* 磁场名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 33 页 - - - - - - - - - * 电源电压畸变可以先不管法规是如何要求的，当设备设计成对这些效应，特别是ESD 和瞬态，不敏感时，设备制造厂可以节约大量的现场返修费用。然而， 免遭 ESD 或射频干扰对屏蔽和电路抑制措施的要求比发射控制的要求更严格。返回1.3.1 辐射场外场既可以与内部电路和导线以差模直接耦合，也可以在电缆上感应共模电流（图1.14 ） 。与内部导线和印制线的耦合在几百赫以上的频率范围最严重，这是因为几英寸的导线长度在这些频率上接近谐振长度。射频电压或电流耦合进模拟电路后，可以引起非线性、过载或直流偏置等效应，耦合进数字电路后可以破坏数据传输。调制场比非调制场的影响更大。辐射场的源还可以是步话机、移动电话、大功率广播发射机和雷达。典型的场强是在20MHz 至 1GHz 的频率范围内为1 至 10Vm，在这些源的附近，场强可能更高一些。图 1.14 辐射场耦合 返回1.3.1.1 电缆谐振在甚高频段（ 30 100MHz ）的低端，电缆将射频能量耦合进设备的效率是最高的。外界电磁场在电缆的屏蔽体，当没有屏蔽时，在电缆的所有导体上，感应出共模电流。在典型的安装方式中，当设备的尺寸与干扰信号半波长相比较小时，共模电流主要决定了电磁场与设备的相互作用。与接地的受害设备相连的电缆，可以用地平面上的单根导线模型表征，它相当于传输线（图1.15 ） 。在第一个谐振点出现之前，在外界场在这种传输线上感应的电流随频率增高而平稳地增大，第一个谐振点以后，在更高的谐振频率处出现一系列峰值和零值。耦合在电缆谐振频率上增强，谐振频率是由电缆长度和电缆末端上的负载决定的。长度为2 米的电缆在375MHz时发生 14 波谐振，在75MHz 时发生半波谐振。电缆负载主谐振模由电缆远端射频阻抗（高或低）决定。如果电缆与不接地的物体连接，例如手动控名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 33 页 - - - - - - - - - 制器，将呈现高的射频阻抗，它将在四分之一波谐振点处产生强的耦合电流，而在半波谐振点处产生高的耦合电压。附加的电容负载，例如人体电容将使谐振频率降低。相反，当电缆与一接地物体相连时，例如独立接地的外围设备，电缆在远端呈现低的阻抗，在半波处产生强的耦合电流，而在四分之一波长谐振点处有高的耦合电压。附加的电感负载，例如与地相连导体的电感，将降低谐振频率。图 1.16扼要地总结了这些效应。电缆的射频共模阻抗的变化范围从四分之一谐振频率处约35(到最大为几百欧姆。方便的方法是取平均值（在许多标准中也是这样）150( 。因为电缆结构、布置和与接地物体之间的距离是不受设计者控制的，因此要精确地预测谐振和阻抗是不划算的。图 1.15 电缆的辐射场耦合 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.16 返回1.3.1.2 电流注入一种不需要考虑电缆结构而对设备敏感度进行试验的便利方法是直接在电缆端口上注入射频共模电流或电压。这在设备的尺寸没有达到半波长时，较好地表征了较低频率时的真实耦合情况。这也可以产生与辐射耦合相关联的电磁场。干扰电流的路径，也即对电路的影响，取决于内、外电路与地之间的射频阻抗，如图1-17 。连接其它电缆将在很大程度上改变电流流向，特别是附加电缆在PCB 或设备上的不同位置时。施加1V 电压或注入10mA 电流，一般相当于 1V/m 的辐射场强。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1-17 共模射频注入 返回1.3.1.3 空腔谐振屏蔽壳体会形成谐振腔体。当两对边之间尺寸是半波的倍数时，在两对边之间会形成驻波。在腔体的中部电场增强，而在腔体的边缘磁场增强。这就是为什么在UHF 频段内会在某些频率上出现敏感度峰值。根据机壳尺寸精确预测谐振频率是很少成功的，因为机壳内的物体会使谐振“失谐”。但是对于空腔，谐振频率为：F = 150 （ 1.6）式中： l，h，W 是机壳尺寸，单位是米。k，m，n 是正整数，但同一组中最多只能有一个是零。当机壳各边尺寸近似相等时，可能的最低谐振频率由公式（1.7 ）表示：F ( 212/ l ( 212 h (212 w MHz (1.7) 干扰。返回图书连载面向产品设计人员的电磁兼容 首页目录 2000-3-27 星期一 总第 6 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 33 页 - - - - - - - - - 本 期 目 录1.3.2 瞬态1.3.2.1 耦合模式1.3.2.2 信号线上的瞬态1.3.3 静电放电（ ESD ）1.3.3.1 静电放电波形1.3.3.2 ESD保护措施1.3.4 磁场1.3.4.1 磁场屏蔽1.3.5 电源电压波动1.3.2瞬态瞬态过电压发生在电源线上，这是电网中的其它部位有开关操作或遭受雷击引起的。超过1kV 的瞬态电压占观察到的瞬态总数的01。德国某机构作过统计，在40 个地方进行的总时间约 3400 小时的测量中，共观测到2800 个超过 100V 的火线对地的瞬态。从这些结果中分析了峰值幅度、上升速率和能量分量。表1.1 给出了在4 种类别的地方瞬态的平均发生率。图1.18 给出了瞬态的相对数量作为最高瞬态幅度的函数。这表示瞬态数粗略地与峰值电压的立方成反比。高能量的瞬态可以危害设备电源中的有源元件。快速上升前沿是破坏电路运行的最主要因素，因为它们受耦合通路的衰减最小，并能在感性地线和信号线中产生较大的电压。研究表明，瞬态的上升速率近似与风致电压的平方根成正比。典型值为200V 脉冲时为3VnS，对 2kV脉冲时为10V ns。其它的现场实验表明机械开关产生多个瞬态（族），其上升时间为几毫微秒（ ns） ，峰值幅度为几百伏特。电源网络的衰减将快速上升脉冲限制在发生地的局部。模拟电路对触立的短瞬态几乎没有响应，而数字电路很容易受它们影响。作为一般的导则，微处理器至少要承受幅度为2kV 的试验脉冲。当阈值低于1kV 时，在几乎所有环境中发生故障的频度将是不能容忍的；而阈值在1kV 2kV 之间时，仅发生偶然的故障。对于高可靠设备，推荐 46kV 的阈值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.18 瞬态的相对数量（百分比）与最高瞬态幅值的关系（伏） 返回1.3.2.1耦合模式电源瞬态可能以差模（火线和零线之间对称）或共模（火线零线和大地之间不对称）出现。电源网络中的导体之间的耦合通常是两种模式的混合。差模尖峰电压往往有较慢的上升时间和较高的能量。为了防止输入电路损坏，需要采取抑制措施。如果抑制措施是安装在电路内部的，它不能影响电路的正常工作。抑制共模瞬态更困难一些，因为要求在火线与大地之间连接抑制元件，或者与地线串接，还因对大地的杂散电容比较难控制。耦合路径与共模射频信号十分相似。不幸的是，这种干扰也更易造成损害，因为瞬态电流是在地回路里流动的。返回1.3.2.2信号线上的瞬态快速瞬态通常以共模的方式通过寄生电容耦合到信号电缆上。特别是当电缆靠近脉冲干扰名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 33 页 - - - - - - - - - 源或沿脉冲干扰源布置时。尽管这种瞬态的幅度通常比电源网络上的瞬态幅度低，但它直接耦合进电路的IO 端口并流进电路地线。其它一些传导瞬态源是远程通讯线和汽车12V 电源。汽车环境中的瞬态常常是正常电压范围的数倍。最严重的瞬态（图1.19 ）是卸载，它发生在急速充电时交流发电机负载突然断开时；感性负载断开时，例如电机和线圈；以及交流发电机磁场消失时，它在点火开关关掉时产生负电压脉冲。近期颁布的标准（ISO 7637 ）规定了在汽车应进行的瞬态试验。关于电话用户线上的共模瞬态的研究表明，幅度与发生率的分布也是符合图18 中的立方的倒数规律。实际的幅度比电源线上的低（峰值很少超过300V ） 。人们发现瞬态的振荡频率一般为 1Mz，上升时间为1020us 。图 1.19 汽车中的瞬态 返回1.3.3静电放电（ ESD）当两个非导体材料一起摩擦时，电子会从一种材料转移到另一种材料上。这导致在材料表面积累摩擦电荷。由材料运动引起的电荷量是摩擦起电序列（图20（a） ）中材料间隔的函数。其它一些因素是接触的紧密程度、分离的速率和湿度。人体能够通过摩擦起电充电到几千伏。当人体（最坏的情况是握着一个金属物体，例如钥匙）接近导电物体时，如果窄气隙上的电位梯度足够高，电荷会以火花的形式转移到那个物体上。电荷转移中的能量既可以低得不易察觉；也可能造成十分疼痛的感觉。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 33 页 - - - - - - - - - 图 1.20 静电放电 返回1.3.3.1静电放电波形当带静电的物体接近接地物体时，产生的放电电流由十分快（亚毫微秒级）的前沿和较慢的放电曲线组成。手或金属的放电电流波形的特性是接近速度、电压、电极的几何形状和相对湿度的函数。图20（c）给出了这种情况的等效电路。电容CD 通过高阻充电到静电电压V。当充电和漏电路径