1、第2章 電磁兼容的電磁原理,電磁兼容的目的是預防和降低電磁干擾，而電磁干擾是電磁活動的直接后果，因此研究電磁兼容的本質就是研究電磁活動規(guī)律，掌握電磁干擾產生的機理，尋求解決電磁干擾的途徑。 傳導耦合與輻射耦合是產生電磁干擾的最主要方式，電磁散射體可以等效為輻射源，電磁散射產生的騷擾也可以看作是輻射耦合。,2.1 基本電磁原理 2.2 電磁輻射 2.3 傳導耦合 2.4 瞬態(tài)場,2.1 基本電磁原理,2.1.1 麥克斯韋方程 2.1.2 邊界條件 2.1.3 唯一性定理 2.1.4 迭加原理 2.1.5 鏡像原理 2.1.6 等效原理 2.1.7 互易定理,2.1.1 麥克斯韋方程,電流連續(xù)性方

2、程,2.1.2 邊界條件,理想介質電導率極小的低耗介質（、為實數(shù)、=0）； 理想導體電導率極大的良導體（ =）。 不同理想介質邊界面（S=0，J=0）： 理想介質和理想導體邊界面（S0,J0）：,特殊邊界條件,2.1.3 唯一性定理,2.1.4 迭加原理,2.1.5 鏡像原理,2.1.6 等效原理,2.2 電磁輻射,2.2.1 基本電振子 2.2.2 基本磁振子 2.2.3 惠更斯元,2.2.1 基本電振子,2.2.1 基本電振子,近區(qū)磁場和載流導線元在周圍空間產生的感應磁場相同，故稱近區(qū)磁場為感應場；電場和靜電偶極子所產生的電場一致，故稱近區(qū)電場為靜電場。,2.2.2 基本磁振子,2.2.3

3、 惠更斯元,電磁散射的實質是電磁波在媒質不均勻處產生的二次或多次輻射。在媒質的不連續(xù)處，電磁場必須滿足邊界條件，就會產生新的源，并向邊界的兩邊輻射。一旦源確定，那么二次輻射電磁場便可以求出。散射問題與輻射問題的本質是相同的。,2.2.4 電磁散射,雷達目標散射截面 簡稱雷達截面,是在給定方向上返回或散射功率的一種量度，并用入射場的功率密度歸一化。,傳導耦合是指通過導體傳輸?shù)碾姶鸥蓴_。 當電磁干擾源的波長遠大于敏感源的線度時，可以利用電路理論建立傳導模型（“低頻”方法）；當電磁干擾源的波長遠小于敏感源的線度時，電磁波的傳播效應增強，根據(jù)電路理論建立傳導模型失效，原則上必須采用電磁場理論進行分析（

4、“高頻”方法）。,2.3 傳導耦合,電路性耦合有以下幾種： 直接傳導耦合導線經過存在騷擾的環(huán)境時，即拾取騷擾能量并沿導線傳導至電路而造成對電路的干擾。 共阻抗耦合由于兩個以上電路有公共阻抗，當兩個電路的電流流經一個公共阻抗時，一個電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會影響到另一個電路，這就是共阻抗耦合。形成共阻抗耦合騷擾的有電源輸出阻抗、接地線的公共阻抗等。,2.3.1 電路性耦合,電路性傳導耦合的模型,電路性傳導耦合實例,地線電流1和地線電流2流經地線阻抗，電路1的地電位被電路2流經公共地線阻抗的騷擾電流所調制，因此，一些騷擾信號將由電路2經公共地線阻抗耦合至電路1。消除的方法是將地線盡量縮

5、短并加粗，降低公共地線阻抗。,地電流流經公共地線阻抗的耦合,地線阻抗形成耦合騷擾。在公共地線上各種的電流，由地線阻抗變換成電壓,構成低電平信號放大器輸入電路的一部分輸入，地線上的耦合電壓被放大輸出。,地線阻抗形成的騷擾電壓,采用一點接地就可以防止這種耦合干擾。,電源引線是一個公共阻抗，電源內阻也是一個公共阻抗。將電路2的電源引線靠近電源輸出端可以降低電源引線的公共阻抗耦合。 采用穩(wěn)壓電源可以降低電源內阻，從而降低電源內阻的耦合。,電源內阻及公共線路阻抗形成的耦合,電燈等家居電器均是如此安裝,問題？如何解決？,電容性耦合也稱為電耦合，是由兩電路間的電場相互作用所引起。由于兩個電路間存在寄生電容，

6、使一個電路的電荷通過寄生電容影響到另一條支路。,2.3.2 電容性耦合,電容性耦合模型1,電容性耦合引起的感應電壓正比于騷擾源的工作頻率、敏感電路對地的電阻、耦合電容、騷擾源電壓。,感應與哪些因素相關？是何關系？如何解決？,電容性耦合主要在射頻頻率形成騷擾，頻率越高，電容性耦合越明顯；電容性耦合的騷擾作用相當于在電路2與地之間連接了一個電流源。,一般情況下，騷擾源的工作頻率、敏感電路對地的電阻 (一般情況下為阻抗)、騷擾源電壓是預先給定的，所以，抑制電容性耦合的有效方法是減小耦合電容。,減小電容方法？,電容性耦合模型2,除了兩導線（兩電路）間的耦合電容外，還考慮電路的導線與地之間的電容。,電容

7、性騷擾耦合與頻率的關系,電感性耦合也稱為磁耦合，由兩電路間的磁場相互作用引起。兩個電路之間存在互感時，當干擾源是以電源形式出現(xiàn)時，此電流產生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。,2.3.3 電感性耦合,電感性耦合模型,2.3.4 傳導干擾實例,測試電子設備產生傳導干擾的基本方法,開關電源電路回路電流產生的傳導干擾,磁感應產生傳導干擾的原理圖,環(huán)境中存在一些短暫的高能脈沖式瞬態(tài)干擾，這類干擾具有顯著的特征：時間上瞬態(tài)、頻域上寬帶、幅度上較大、驟發(fā)性 等，對設備的危害性較大。 瞬態(tài)干擾是指時間較短、幅度較大的電磁干擾。常見的瞬態(tài)干擾有三種：電快速瞬變脈沖群（EFT, Electrical Fas

8、t Transient）、浪涌（SURGE）、靜電放電（ESD, Electrostatic Discharge）。,2.4 瞬態(tài)場,電快速瞬變脈沖群：由電路中的感性負載斷開時產生。 其特點不是單個脈沖，而是一連串的脈沖。因為一連串的脈沖可以在電路的輸入端產生累計效應，使干擾電平的幅度最終超過電路的噪聲門限，因此它對電路的影響較大。從這個機理上看，脈沖串的周期越短，則對電路的影響越大。因為，當脈沖串中的每個脈沖相距很近時，電路的輸入電容沒有足夠的時間放電，就又開始新的充電，容易達到較高的電平。,浪涌：浪涌主要是由雷電在電纜上感應產生的，功率很大的開關也能產生浪涌。 其特點是能量很大，室內浪涌電

9、壓幅度可以達到10kV，室外往往會超過10kV。浪涌雖然不像電快速瞬變脈沖群那么普遍，但是一旦發(fā)生危險是十分嚴重的，往往導致電路的損壞。核電磁脈沖也會在電纜中感應浪涌，其上升時間很短，在ns量級。,靜電放電：人體接觸設備時的靜電放電。但在一些標準中增加了比人體放電更嚴酷的裝置放電。這些靜電放電對設備造成的影響從本質上講以輻射干擾為主。雷電現(xiàn)象實際也是一種靜電放電現(xiàn)象。,系統(tǒng)內部產生，在電氣設備中普遍存在，通常由繼電器、馬達、變壓器等電感元件等產生。 電感負載開關系統(tǒng)斷開時，如果開關觸點被擊穿，會發(fā)生輝光放電（氣體電離）和弧光放電（金屬汽化），電路被導通，從而在電路中形成瞬時的電流，斷開點處產生

10、瞬態(tài)騷擾，這種瞬態(tài)騷擾由大量脈沖組成。由于電源阻抗的存在，這些脈沖電流在電源兩端形成了脈沖電壓，從而對共用這個電源的其它電路造成影響。,2.4.1 電快速瞬變脈沖群（EFT）,機理：在電感負載的電路中，當開關斷開時，根據(jù)電感的特性，電感上的電流不能突然消失，為了維持這個電流，電感上會產生一個很高的反電動勢，當達到一定程度時將觸電擊穿，形成導電回路，在電源回路產生很大的脈沖電流，負載電感的寄生電容開始放電，電壓開始下降，下降到一定程度通路斷開，繼續(xù)重復以上過程。,抑制EFT的方法： （1）減小PCB接地線公共阻抗； （2）在電感上跨接一些電阻、電容等元器件形成抑制網絡； （3）使用EFT濾波器；

11、 （4）將騷擾源遠離敏感電路； （5）正確使用接地技術； （6）在軟件中加入抗擾指令； （7）安裝瞬變騷擾吸收器。,雷電在電纜上電擊或感應產生的瞬變電壓脈沖,通常從電源線或信號線等途徑竄入設備，并損害設備。分為直擊雷擊和感應雷擊。 全球每年平均發(fā)生1600萬次閃電，每年數(shù)千人死于雷擊事故，造成數(shù)十億美元的經濟損失。據(jù)統(tǒng)計，在一處電網中每8分鐘便有一個雷擊引起的瞬態(tài)脈沖電壓產生，相當于每14個小時就有一次具有破壞性的沖擊；在歐美國家20%-30%的電腦故障是因為感應雷引起的。,2.4.2 雷擊浪涌,雷電模擬脈沖,雖然每次雷擊產生的脈沖維持時間、幅度等都不同，但是國際標準IEEE-587、IEC1

12、024等用于測試防雷器性能的雷電模擬脈沖是由規(guī)定的。,雷擊對機房電子設備造成損害的主要途徑 網絡線、有線通信線、供電線在遠端遭受雷擊或感應雷擊，沿線進入設備； 建筑物內部線路感應雷擊進入設備； 地電壓過高，反擊進入設備； 天線遭受雷擊； 避雷針連接閃泄放雷電流時產生閃電電磁脈沖輻射； 臨近物體遭受雷擊產生的閃電電磁脈沖輻射。,雷擊防護途徑 直擊雷防護主要是避雷針、導地體和接地網； 感應雷防護主要是在線路進出端安裝防雷器； 電源系統(tǒng)采用分級防雷保護：第一級在供電系統(tǒng)入口進線各相和大地之間連接大容量的電源防浪涌保護器；第二級在重要或敏感用電設備的分路配電設備處安裝電源防浪涌保護器；第三級在用電設備

13、電源部分安裝內置式電源防浪涌保護器。,信號線傳輸采用屏蔽電纜或穿管埋地引入，在線纜和信號接收器間安裝防浪涌保護器。 在天線發(fā)射設備端和接收設備端安裝防浪涌保護器。 采用共地的接地措施。 室內布線盡量減少環(huán)路。 采用光纖。,兩個具有不同靜電電位的物體直接接觸或靜電場感應引起。 通常會產生強大的尖峰脈沖電流，這種電流中包含豐富的高頻成分，取決于空間相對濕度、物體靠近速度、物體形狀等，上限頻率可以超過1GHz。在高頻時，典型設備電纜甚至印制板上的走線會變成非常有效的接收天線。對于典型的模型或數(shù)字電子設備，ESD傾向于感應出高電平的噪聲，會導致電子設備嚴重的損害或操作失常。,2.4.3 靜電放電（ESD）,ESD對電路的干擾機理 一種是靜電放電電流直接流過電路，對電路造成損壞； 另一種是靜電放電電流產生的電磁場通過電容耦合，電感耦合或空間輻射耦合等途徑對電路造成干擾。,ESD特性 當電壓較低時，脈沖窄且上升沿陡峭；隨