电磁兼容导论优秀PPT.ppt
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1、电磁兼容导论现在学习的是第1页,共28页1.1 电磁兼容工程概述电磁兼容工程概述1.1 电磁兼容工程概述电磁兼容工程概述1.1.1 电磁兼容工程基本概念与术语电磁兼容工程基本概念与术语一、电磁兼容发展简史一、电磁兼容发展简史在第二次世界大战期间,电子设备尤其是无线电收发设备、导航设备以及雷达的使用,飞行器上的无线电收发设备和导航设备之间的干扰的例子开始增多。通过在并不拥挤的频谱上发射频率的重新分配,或将电缆远离噪声发射源以避免电缆接收那些发射,通常就可以很容易地解决干扰问题,当时电子器件的密度(主要是电子真空管)远小于今天的。因此,为了解决电磁干扰(EMI)问题,在逐个排查的基础上很容易实现干
2、扰的修正。但是,随着高密度电子元器件的发明,如20世纪50年代发明的场效应晶体管,20世纪60年代发明的集成电路(IC)和20世纪70年代发明的微处理器芯片,干扰问题极其显著地增加。由于语音和数据传输需要的增加,频谱也变得越来越拥挤。这就要求对频谱的利用进行合理规划,直到今天也是如此。现在学习的是第2页,共28页由于干扰有线和无线通信的数字系统日益增多,所以1979年美国联邦通信委员会(FCC)颁布了一个规定要求所有的“数字设备”的电磁发射必须低于某个限定值。这一规定的目的是要限制对环境的“电磁污染”,以防止或至少能减少EMI案例的数量。因为除非“数字设备”的电磁发射满足FCC强制的限定值,否
3、则不能在美国销售,所以在从数字计算机到电子打字机的民用电子产品生产商中都激起了对EMC学科的浓厚兴趣。许多欧洲国家在FCC颁布其规范之前就已经很好地对数字设备强制实施了类似的要求。1933年国际电工技术委员会(IEC)在巴黎的一次会议上建议成立国际无线电干扰特别委员会(CISPR)来处理不断出现的EMI问题。该委员会产生了一份文件,详细说明用于确定潜在的EMI发射的测量设备。CISPR在二战结束后于1946年在伦敦重新召集会议。随后的多次会议产生了各种技术出版物,讨论测量技术,建议发射限定值。一些欧洲国家采用了CISPR各版本建议的限定值。FCC规范为美国第一个针对数字系统的规范,限定值参照了
4、CISPR推荐值而又根据美国的环境有所改动、为了防止与EMI相关的“场问题”,美国的大多数电子产品生产商已经对他们的产品设定了内部限定值和标准。但是,FCC规范使得这样一种自愿行为变成了法定的符合性程序要求。这些规范使得EMC已经成为电子产品市场准入的一个关键因素。如果在特定国家,产品不符合其规范,它就不得在该国销售。也就是说功能上完全得以实现的产品,只要不符合规范要求,用户也无法购买。现在学习的是第3页,共28页我国电磁兼容工作起步较晚,20世纪70年代才逐渐发展起来。电磁兼容(EMC)是当前电气与电子工程领域中的一个重点研究问题。尽管相应成熟的EMC测试标准和抑制方法都已出台,但实际情况却
5、是,大量的传导性电磁干扰问题仍不断出现并且未得到根本解决,这尤其困扰那些传导性EMI噪声问题层出不穷的各类电力、电器与电子制造企业和广大的中低端电力用户,使他们缺乏可供选择的、同时具有较低经济成本和较广适用范围的完整传导性EMI综合解决方案,以满足国内和国际相关EMC强制执行标准的要求。针对国内广大电力、电器与电子制造企业和低端电力用户存在着两个方向上的极端解决方案:EMC欠设计和欠设计和EMC过设计过设计,合理的EMC解决方案既能够提高用户全面解决EMI问题的能力,使得大量电力、电器与电子等制造企业和广大的中低端电力用户少走弯路,同时又可以最大程度的节约成本,从根本上免除了企业在传导性电磁干
6、扰噪声问题上所面临的困扰。既全面提高了中小型企业针对EMI问题的解决能力,同时又最大程度的节约了企业生产的成本。此外,还可以直接改善当前众多企业产品的EMC性能,帮助制造商提高设计水平。诸如电力行业的大功率变压器、电容器、供热机组等变电站建设和电网项目电器设备;电器与电子器件制造业内大量的变频设备和开关电源;电信业的通讯设备;城市交通业的地铁电车等运输设备;煤炭行业的振动给料机、胶带运输机、破碎机等大型矿山机械设备;家电、医疗、建筑等行业的家用电器、专用医疗设备等等,大量的行业和各类企业对于自己产品的电磁兼容性能EMC测试手段和噪声抑制方法正处于改进和准备改进的阶段。现在学习的是第4页,共28
7、页二、电磁兼容与电磁干扰主要术语二、电磁兼容与电磁干扰主要术语电磁兼容电磁兼容(Electromagnetic compatibility(EMC):一种条件,在此条件下一组中的几台设备互相不干扰也不干扰它们所处的环境。电磁兼容电磁兼容(EMC,ElectroMagnetic Compatibility)一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态,即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作又互不干扰,达到“兼容”状态。换句话说,电磁兼容是指电子线路、设备、系统相互不影响,从电磁角度具有相容性的状态。相容性包括设备内电路模块之间的相容性、设备之间的相容性。进一步讲,电磁
8、兼容学是研究在有限的空间、有限的时间、有限的频谱资源条件下,各种用电设备或系统(广义的还包括生物体)可以共存,并不致引起性能降级的一门学科。电磁兼容的理论基础涉及数学、电磁场数学、电磁场理论、电路基础、电子线路、信号分析理论、电路基础、电子线路、信号分析等学科与技术,其应用范围又几乎涉及到所有用电领域。在电磁兼容领域中,我们所面对的研究对象(主要指电磁噪声)无论时域特性还是频域特性都十分复杂。此外,研究对象的频谱范围非常宽,使得电路中的集中参数与分布参数同时存在,近场与远场同时存在,传导与辐射同时存在,为了在国际上对这些物理现象有统一的评价标准和统一实现设备或系统电磁兼容的技术要求,对测量设备
9、与设施的特性以及测量方法等均予以严格的规定,并制定了大量的技术标准。现在学习的是第5页,共28页电磁干扰电磁干扰(Electromagnetic interference(EMI):与电磁兼容恰恰相反。电磁干扰电磁干扰是“电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降”。电磁骚扰仅仅是电磁现象,它可能引起设备性能的降级或损害,但不一定已经形成后果。而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果,通常人们在分析电磁干扰问题时常常是与电磁骚扰联系在一起讨论,或统称为电磁干扰。电磁敏感性、电磁敏感度(电磁敏感性、电磁敏感度(Electromagnetic susceptibility(EMS):):在存在电磁骚扰的
10、情况下,装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。EMS(电磁敏感度电磁敏感度)旨在分析和衡量设备抵御干扰的能力。一台设备不能通过EMC论证测试,可能是由于两种原因所导致的:一是设备产生了超过标准规定的EMI限值;二是设备在标准规定的噪声环境中运行不符合要求。EMS属于后者,它也分为抗传导和抗辐射干扰两大类。现在学习的是第6页,共28页1、辐射敏感度辐射敏感度测试的目的是,要保证当某产品安装在高功率发射机附近时它仍能正常工作。这种发射机的常见类型就是AM和FM发射机以及机场监视雷达。生产商会用典型的波形或信号电平来模拟产品所遭受到的最差情况以测试产品面对这类发射机时的性能,从而确定产品是否能令人
11、满意地工作。2、传导敏感度产品可能对通过交流电源线传导进入的各种不同的干扰信号会很敏感。闪电引起的瞬态现象就是一个明显的例子。雷电频繁袭击电力传输线和变电站。产品必须能够承受这种类型的瞬间电压中断和在电源线上产生的瞬态尖峰脉冲。当然,生产商不可能对一个完全的电源进行“管制”,但是用户认为他们期望产品能在瞬态浪涌发生时能够工作是合情合理的。大多数生产商在产品的交流电源线上有意注入模拟闪电引起的瞬态现象的冲击脉冲以检测他们的产品。交流电压也会瞬间的减小或中断以确保产品能工作。这些类型的测试就代表了传导敏感度测试。现在学习的是第7页,共28页共模(Common mode(CM)存在于两根或多根导线中
12、,流经所有导线的电流及匹配负载上的电压都是同极性的。差模(Differential mode(DM)在导线对上极性相反的电压或电流。共模抑制比(Common-mode rejection ratio(CMRR)衡量对共模电压抑制能力的参数。差模抑制比(Differential-mode rejection ratio(DMRR)衡量对差模电压抑制能力的参数。耦合路径(Coupling path)传导或辐射路径。干扰能量通过该路径从干扰源传输到被干扰对象。远场区(Far field)即指信号源距测量点有1/6波长以上时的辐射场。也称为平面波。近场区(Near field)在此辐射场中,与电磁干扰
13、源的距离小于1/6波长的域。现在学习的是第8页,共28页三、电磁干扰的三要素三、电磁干扰的三要素所有的电磁干扰都是由3个基本要素组合而产生的,它们是:电磁干扰源;对该干扰能量敏感的设备;将电磁干扰源传输到敏感设备的媒介,即传输通道或耦合途径(如图1-1所示)。图1-1 电磁干扰源作用于敏感设备耦合途径现在学习的是第9页,共28页相应地对抑制所有电磁干扰的方法也应由这三要素着手解决。(1)电磁干扰源:指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现象。按干扰源性质分,有自然干扰和人为干扰等。一、自然干扰(噪声)分为宇宙干扰、雷电干扰和大气干扰等:宇宙干扰:主要指太空背景噪声和太阳、月亮、木星等
14、发射的无线电噪声,如太阳的干扰频率从10MHz到几十GHz;雷电干扰:由雷电放电所产生,雷电是一连串的干扰脉冲,其频率在50MHz以下都有分布,对地球上20MHz以下的无线电通信影响较大;大气干扰:大气中的尘埃、雨点、雪花、冰雹等微粒在高速通过飞机、飞船表面时,由于相对摩擦运动而产生电荷迁移从而沉积静电,当电势升高到1MV时发生火花放电、电晕放电。这种放电产生的宽带射频噪声频谱分布在几Hz到几十MHz,会严重影响高频无线电通信和导航。现在学习的是第10页,共28页二、人为干扰分为有意发射干扰源和无意发射干扰源等:有意发射干扰源:有意发射干扰源是专用于辐射电磁能的设备,如广播、电视、通信、雷达、
15、导航等发射设备,是通过向空间发射有用信号的电磁能量来工作的。它们对不需要这些信号的电子系统或设备构成功能性干扰。是电磁环境重要污染源。无意发射干扰源:有许多装置都无意地发射电磁能量,如汽车点火系统、各种用电装置、照明装置、霓虹灯广告、高压电力线、医用设备等。这种发射可能是向空间的辐射,或是沿导线的传导发射。现在学习的是第11页,共28页(2)耦合途经(或称传输通道):指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通道或媒介。电磁干扰的耦合途径通常分为两类:传导耦合途径和辐射耦合途径,其中传导耦合途径又可分为电容性传导耦合、电感性传导耦合和电路性传导耦合;辐射耦合途径,又可分为近场感应耦合和远场区辐射耦合。
16、传导耦合途径要求在干扰源与敏感设备之间有完整的电路连接,该电路可包括导线、供电电源、机架、接地平面、互感或电容等。只要共用一个返回通路将两个电路直接连接起来,就会发生传导耦合,此返回通路可以是另一根导线,也可以是公共接地回路、互感或电容。辐射耦合途径是干扰源的能量以电磁场的形式传播的。根据干扰源与敏感设备的距离分为近场耦合模式(系统内部)和远场耦合模式(系统之间)。(3)敏感设备:指受到电磁干扰影响,或者说对电磁干扰发生响应的系统、设备或电路。其受干扰的程度用敏感度来表示。现在学习的是第12页,共28页112电磁兼容工程设计电磁兼容工程设计一、电磁兼容设计一、电磁兼容设计为了保证一个电子设备或
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