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    EMC原理之傳導及輻射

    發布時間: 2021/1/27 9:14:08 | 131 次閱讀

    一.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 (electromagnetic inteRFerence) 電磁干擾,指自身干擾其它電器產品的 電磁干擾量。EMS (electromagnetic susceptibility) 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?床坏,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。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。

    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。

    二.感應干擾(近場)

    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。

    三.輻射干擾(遠場)

    3.1 原理及產生原因

    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 (載自百度) 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

    設備內的天線是互易的,既可發射,也可接受。

    磁場天線的接收(場-電路的干擾): e= 2πfBAcosθ

    電場天線的接收:(場-電纜的干擾) e= El有效長效

    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

    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。

    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。

    四.差模干擾

    4.1 差模干擾:簡單的說就是線對線的干擾。

    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:

    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 500k Hz 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)

    4.4-2 差模電容工作原理。

    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 500k Hz 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 500k Hz 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 500k Hz 時,電容使得差模干擾下降了 30dB。

    五.共模干擾

    5.1 共模 就是共同對地的干擾:

    如圖,我們可以看到共模的原理圖。UPQ 就是共模電壓,ICM1 ICM2 就是共模電流。 ICM1 ICM2 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

    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

    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

    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。

    3300pF 1.6mm 引腳 共模電容諧振頻率點為 19.3 M Hz

    (以下僅為個人觀念,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。)

    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。

    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。


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