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EMC近场与远场辐射的详解

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(electromagneticinterference)电磁干扰,指自身干扰其它电器产品的电磁干扰量。EMS (electromagneticsusceptibility)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。*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。

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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。

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

感应干扰(近场)

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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。

辐射干扰(远场)

3.1.原理及产生原因

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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:
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

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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。

普通滤波器原理图

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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。

差模干扰

4.1 差模干扰:简单的说就是线对线的干扰。

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解


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:

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解


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500kHz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)

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

4.4-2差模电容工作原理。

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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500kHz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500kHz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500kHz时,电容使得差模干扰下降了30dB.

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共模干扰

5.1.共模就是共同对地的干扰:

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

如图,我们可以看到共模的原理图。UPQ就是共模电压,ICM1ICM2就是共模电流。ICM1ICM2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

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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,相同圈数,不同方向的电流产生的磁通是会互相抵消,導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,因為磁通方向相同,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

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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。3300pF1.6mm引脚共模电容谐振频率点为19.3MHz**(下面仅为个人观念,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。等我弄明白再一起讨论吧)

穿心电容

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。

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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*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。

EMC原理传导(共模 差模) 辐射(近场 远场) 详解

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