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电磁干扰的各种存在方式以及类型和影响全面解

电磁滋扰(EMI),有传导滋扰和辐射滋扰两种。传导滋扰是指经由过程导电介质把一个电收集上的旌旗灯号耦合(滋扰)到另一个电收集。辐射滋扰是指滋扰源经由过程空间把其旌旗灯号耦合(滋扰)到另一个电收集。在高速PCB及系统设计中,高频旌旗灯号线集成电路的引脚、种种接插件等都可能成为具有天线特点的辐射滋扰源,能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常事情。

电磁滋扰的存在要领

关于电磁滋扰繁杂性的浩繁缘故原由中的一个,即滋扰可以以两种不合的模式(共模模式和差模模式)存在。

“共模”滋扰是指存在于线(包括电源线、旌旗灯号线在内)对大年夜地之间的滋扰,此中,对付电源线,则特指前哨对大年夜地,或中线对大年夜地之间的滋扰。对三相电路来说,共模滋扰存在于任何一相与大年夜地之间的滋扰。共模滋扰无意偶尔也称为纵模滋扰、纰谬扰滋扰和接地滋扰。这是载流导体与大年夜地之间的滋扰。

“差模”滋扰是线与线之间(包括电源线之间,旌旗灯号线和它的接地回线之间)的滋扰。针对电源线,差模滋扰则特指相线与中线之间的滋扰;对三相电路来说,差模滋扰还指存在于相线与相线之间的滋扰。差模滋扰无意偶尔也称为常模滋扰、横模滋扰或对称滋扰。这是载流导体之间的电位差。

滋扰存在的模式提示出了滋扰源与耦合通路之间的关系。举例说共模滋扰提示了滋扰是由辐射或串扰形式耦合到电路里面的。如雷电、设备近处的电弧、相近的电台、其他大年夜功率辐射装配在电源线上的滋扰,也包括机箱内部线路或其他电缆对电源线的滋扰。因为是来自空间的感应(电磁辐射、电感耦合和电容耦合),故对每一根线的感化是相同的。而差模滋扰则提示出滋扰是起源在同一电源线路之中(直接注入)。犹如一线路中事情的电机、开关电源可控硅等,它们在电源线上所孕育发生的滋扰便是差模滋扰。

平日,线路上滋扰电压的这两种分量是同时存在的,而且因为线路阻抗的不平衡,两种分量在传输中会相互转变。滋扰在线路上颠末长间隔传输后,差模分量的衰减要比共模分量大年夜,这是由于线间阻抗和线-地阻抗不合的缘故。另一方面,共模滋扰的频率一样平常散播在1~2MHz以上,是以共模滋扰在线路上传输的同时,还会向周围左近空间辐射(这是由于线-地阻抗较大年夜,加上共模滋扰的频率对照高,故轻易逸出传输线,形成空间感应)。电源线的辐射,分外是进入设备内部后的电源线辐射,可进一步耦合到旌旗灯号电路去形成滋扰,以是很难警备。而差模滋扰的频率相对较低,不易形成辐射。再加上在一样平常线路中,在对于差模滋扰时己经有了不少步伐(例如在稳压电路中己经用了很大年夜的电容;在印刷线路板上,电源线与地线之间也普遍应用了去耦电容),故由差模滋扰引起设备误动作的时机相对少些。是以,设备的敏感度问题大年夜部分是由共模滋扰引起的。

在当前共模滋扰是我们斟酌的重点,这可以从常用的抗扰度试验内容来获得证明。此中静电试验、高频辐射电磁场试验、电快速瞬态脉冲群试验、线-地间的雷击浪涌试验和由射频场感应所引起的传导试验等等,对受试设副和线路来说,它们所感想熏染到的都是共模滋扰。

电磁滋扰的类型

造成电磁滋扰繁杂性(分外电源线滋扰的繁杂性)的第二个缘故原由是滋扰体现的形式很多,可以从持续期很短的尖峰滋扰直至电网完全掉电。此中也包括了电压的变更(如电压跌落、浪涌和中断)、频率变更、波形掉真(包括电压和电流的)、持续噪声或杂波,以及瞬变等等。下表是常常可以见到的滋扰类型和它们的原由:

不是所有的电磁滋扰都邑给电子设备带来麻烦,事实上只有两个是异常紧张的缘故原由:持续期短的尖峰滋扰和长光阴的电压跌落。尖峰滋扰可以经由过程串扰或直接进入电源的要领耦合到系统去,从而引起内部逻辑电路的伪触发。电压的跌落可以引起存贮电路或其他易掉数据的损掉。而别的一些滋扰,如稍微的过电压、谐波掉真或频率偏移等平日是不会引起谋略机化系统误动作的。

电磁滋扰对设备事情的影响

有三组代表性的数据描述电源线滋扰对付设备事情的影响,分手由美国IBM公司、AT&T公司和美国海军作出:

① 美国IBM公司的Allen和Segal在1974年对装在美国、加拿大年夜和墨西哥的49台谋略机的故障作了统计和阐发,觉得造成谋略机故障中的电源原由,有49[%]是振荡瞬变,39.5[%]是脉冲滋扰,11[%]是电压跌落,另有0.5[%]是电源中断。

② 美国AT&T公司的Goldstenin和Sperenza在1982年对通信设备故障缘故原由进行了阐发,觉得由电源造成的部分原由中,有87[%]是电压跌落,7.5[%]是脉冲滋扰,4.7[%]是电源掉效,另有0.8[%]是电压浪涌。

③ 美国海军的Thomas Key汇总了海军系统十年内的谋略机变乱,觉得电压过低是造成谋略机故障的重要缘故原由。

以上三组数据的结论大年夜相径庭,其差异可归结为统计工具的不合。但从三组数据照样可以看出一些端倪:因电源问题造成设备故障的主要缘故原由有两个,分手是电压过低和电源中有瞬变滋扰(振荡瞬变和脉冲滋扰)。

樊篱电磁滋扰的措施

EMC问题经常是制约中国电子产品出口的一个缘故原由,本文主要叙述EMI的滥觞及一些异常详细的抑制措施。

电磁兼容性(EMC)是指“一种器件、设备或系统的机能,它可以使其在自身情况下正常事情并且同时不会对此情况中任何其他设备孕育发生强烈电磁滋扰(IEEE C63.12-1987)”对付无线收发设备来说,采纳非继续频谱可部分实现EMC机能,然则很多有关的例子也注解EMC并不老是能够做到例如在条记本电脑和测试设备之间、打印机和台式电脑之间以及蜂窝电话和医疗仪器之间等都具有高频滋扰,我们把这种滋扰称为电磁滋扰(EMI)。

EMC问题滥觞

所有电器和电子设备事情时都邑有间歇或继续性电压电流变更,无意偶尔变更速度还相称快,这样会导致在不合频率内或一个频带间孕育发生电磁能量,而响应的电路则会将这种能量发射到周围的情况中。

EMI有两条道路脱离或进入一个电路:辐射和传导旌旗灯号辐射是经由过程外壳的缝、槽、开孔或其他缺口透露出去;而旌旗灯号传导则经由过程耦合到电源、旌旗灯号和节制线上脱离外壳,在开放的空间中自由辐射,从而孕育发生滋扰。

很多EMI抑制都采纳外壳樊篱和裂缝樊篱结合的要领来实现,大年夜多半时刻下面这些简单原则可以有助于实现EMI樊篱:从泉源处低落滋扰;经由过程樊篱、过滤或接地将滋扰孕育发生电路隔离以及增强敏感电路的抗滋扰能力等EMI抑制性、隔离性和低敏感性应该作为所有电路设计职员的目标,这些机能在设计阶段的早期就应完成。

对设计工程师而言,采纳樊篱材料是一种有效低落EMI的措施如今已有多种外壳樊篱材料获得广泛应用,从金属罐、薄金属片和箔带到在导电织物或卷带上喷射涂层及镀层(如导电漆及锌线喷涂等)无论是金属照样涂有导电层的塑料,一旦设计职员确定作为外壳材料之后,就可动手开始选择衬垫。

金属樊篱效率

可用樊篱效率(SE)对樊篱罩的适用性进行评估,其单位是分贝,谋略公式为:

SEdB=A+R+B

此中 A:接受损耗(dB) R:反射损耗(dB) B:校对因子(dB)(适用于薄樊篱罩内存在多个反射的环境)。

一个简单的樊篱罩会使所孕育发生的电磁场强度降至最初的十分之一,即SE即是20dB;而有些场合可能会要求将场强降至为最初的十万分之一,即SE要即是100dB。

接受损耗是指电磁波穿过樊篱罩时能量损耗的数量,接受损耗谋略式为

AdB=1.314(f×σ×μ)1/2×t

此中 f:频率(MHz) μ:铜的导磁率 σ:铜的导电率 t:樊篱罩厚度

反射损耗(近场)的大年夜小取决于电磁波孕育发生源的性子以及与波源的间隔对付杆状或直线形发射天线而言,离波源越近波阻越高,然后跟着与波源间隔的增添而下降,但平面波阻则无变更(恒为377)。

相反,假如波源是一个小型线圈,则此时将以磁场为主,离波源越近波阻越低波阻跟着与波源间隔的增添而增添,但当间隔跨越波长的六分之一时,波阻不再变更,恒定在377处。

反射损耗随波阻与樊篱阻抗的比率变更,是以它不仅取决于波的类型,而且取决于樊篱罩与波源之间的间隔这种环境适用于小型带樊篱的设备。

近场反射损耗可按下式谋略

R(电)dB=321.8-(20×lg r)-(30×lg f)-[10×lg(μ/σ)] R(磁)dB=14.6+(20×lg r)+(10×lg f)+[10×lg(μ/σ)]

此中 r:波源与樊篱之间的间隔

SE算式着末一项是校对因子B,其谋略公式为

B=20lg[-exp(-2t/σ)]

此式仅适用于近磁场情况并且接受损耗小于10dB的环境因为樊篱物接受效率不高,其内部的再反射会使穿过樊篱层另一壁的能量增添,以是校对因子是个负数,表示樊篱效率的下降环境。

EMI抑制策略

只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高樊篱效率这些材料的导磁率会跟着频率增添而低落,别的假如初始磁场较强也会使导磁率低落,还有便是采纳机器措施将樊篱罩作成规定外形同样会低落导磁率综上所述,选择用于樊篱的高导磁性材料异常繁杂,平日要向EMI樊篱材料供应商以及有关咨询机构寻求办理规划。

在高频电场下,采纳薄层金属作为外壳或内衬材料可达到优越的樊篱效果,但前提是樊篱必须继续,并将敏感部分完全遮挡住,没出缺口或裂缝(形成一个法拉第笼)然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的樊篱罩是弗成能的,因为樊篱罩要分成多个部分进行制作,是以就会有裂缝必要接合,别的平日还得在樊篱罩上打孔以便安装与插卡或装置组件的连线。

设计樊篱罩的艰苦在于制造历程中弗成避免会孕育发生孔隙,而且设备运行历程中还会必要用到这些孔隙制造、面板连线、透风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都必要在樊篱罩上打孔,从而大年夜大年夜低落了樊篱机能只管沟槽和裂缝弗成避免,但在樊篱设计中对与电路事情频率波长有关的沟槽长度作仔细斟酌是很有好处的。

任一频率电磁波的波长为: 波长(λ)=光速(C)/频率(Hz)

当裂缝长度为波长(截止频率)的一半时,RF波开始以20dB/10倍频(1/10截止频率)或6dB/8倍频(1/2截止频率)的速度衰减平日RF发射频率越高衰减越严重,由于它的波长越短当涉及到最高频率时,必须要斟酌可能会呈现的任何谐波,不过实际上只需斟酌一次及二次谐波即可。

一旦知道了樊篱罩内RF辐射的频率及强度,就可谋略出樊篱罩的最大年夜容许裂缝和沟槽例如假如必要对1GHz(波长为300mm)的辐射衰减26dB,则150mm的裂缝将会开始孕育发生衰减,是以当存在小于150mm的裂缝时,1GHz辐射就会被衰减以是对1GHz频率来讲,若必要衰减20dB,则裂缝应小于15 mm(150mm的1/10),必要衰减26dB时,裂缝应小于7.5 mm(15mm的1/2以上),必要衰减32dB时,裂缝应小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。

可采纳相宜的导电衬垫使裂缝大年夜小限制在规定尺寸内,从而实现这种衰减效果。

樊篱设计难点

因为接缝会导致樊篱罩导通率下降,是以樊篱效率也会低落要留意低于截止频率的辐射其衰减只取决于裂缝的长度直径比,例如长度直径比为3时可得到100dB的衰减在必要穿孔时,可使用厚樊篱罩上面小孔的波导特点;另一种实现较高长度直径比的措施是附加一个小型金属樊篱物,如一个大年夜小相宜的衬垫上述道理及其在多缝环境下的推广构成多孔樊篱罩设计根基。

多孔薄型樊篱层:多孔的例子很多,比如薄金属片上的透风孔等等,当各孔间距较近时设计上必须要仔细斟酌下面是此类环境下樊篱效率谋略公式

SE=[20lg (fc/o/σ)]-10lg n 此中 fc/o:截止频率 n:孔洞数目

留意此公式仅适用于孔间距小于孔直径的环境,也可用于谋略金属编织网的相关樊篱效率。

接缝和接点:电焊、铜焊或锡焊是薄片之间进行永远性固定的常用要领,接合部位金属外面必须清理干净,以使接合处能完全用导电的金属填满不建议用螺钉或铆钉进行固定,由于紧固件之间接合处的低阻打仗状态不轻易长久维持。

导电衬垫的感化是削减接缝或接合处的槽、孔或裂缝,使RF辐射不会披发出去EMI衬垫是一种导电介质,用于填补樊篱罩内的闲暇并供给继续低阻抗接点平日EMI衬垫可在两个导体之间供给一种机动的连接,使一个导体上的电传布至另一导体。

封孔EMI衬垫的选用可参照以下机能参数: ·特定频率范围的樊篱效率 ·安装措施和密封强度 ·与外罩电流兼容性以及对外部情况的抗腐蚀能力 ·事情温度范围 ·资源

大年夜多半商用衬垫都具有足够的樊篱机能以使设备满意EMC标准,关键是在樊篱罩内精确地对垫片进行设计。

垫片系统:一个必要斟酌的紧张身分是压缩,压缩能在衬垫和垫片之间孕育发生较高导电率衬垫和垫片之间导电性太差会低落樊篱效率,别的接合处假如少了一块则会呈现细缝而形成槽状天线,其辐射波长比裂缝长度小约4倍

确保导通性首先要包管垫片外面平滑、干净并颠末需要处置惩罚以具有优越导电性,这些外面在接合之前必须先遮住;别的樊篱衬垫材料对这种垫片具有持续优越的粘合性也异常紧张导电衬垫的可压缩特点可以增补垫片的任何不规则环境。

所有衬垫都有一个有效事情最小打仗电阻,设计职员可以加大年夜对衬垫的压缩力度以低落多个衬垫的打仗电阻,当然这将增添密封强度,会使樊篱罩变得更为弯曲大年夜多半衬垫在压缩到原本厚度的30[%]至70[%]时效果对照好是以在建议的最小打仗面范围内,两个相向凹点之间的压力应足以确保衬垫和垫片之间具有优越的导电性。

另一方面,对衬垫的压力不应大年夜到使衬垫处于非正常压缩状态,由于此时会导致衬垫打仗掉效,并可能孕育发生电磁透露与垫片分离的要求对付将衬垫压缩节制在制造商建议范围异常紧张,这种设计必要确保垫片具有足够的硬度,以免在垫片紧固件之间孕育发生较大年夜弯曲在某些环境下,可能必要别的一些紧固件以防止外壳布局弯曲。

压缩性也是迁移转变接合处的一个紧张特点,如在门或插板等位置若衬垫易于压缩,那么樊篱机能会跟着门的每次迁移转变而下降,此时衬垫必要更高的压缩力才能达到与新衬垫相同的樊篱机能在大年夜多半环境下这不太可能做获得,是以必要一个经久EMI办理规划。

假如樊篱罩或垫片由涂有导电层的塑料制成,则添加一个EMI衬垫不会孕育发生太多问题,然则设计职员必须斟酌很多衬垫在导电外面上都邑有磨损,平日金属衬垫的镀层外面更易磨损跟着光阴增长这种磨损会低落衬垫接合处的樊篱效率,并给后面的制造商带来麻烦。

假如樊篱罩或垫片布局是金属的,那么在喷涂抛光材料之前可加一个衬垫把垫片外面包住,只需用导电膜和卷带即可若在接合垫片的两边都应用卷带,则可用机器固件对EMI衬垫进行紧固,例如带有塑料铆钉或压敏粘结剂(PSA)的“C型”衬垫衬垫安装在垫片的一边,以完成对EMI的樊篱。

衬垫及附件

今朝可用的樊篱和衬垫产品异常多,包括铍-铜接头、金属网线(带弹性内芯或不带)、嵌入橡胶中的金属网和定向线、导电橡胶以及具有金属镀层的聚氨酯泡沫衬垫等大年夜多半樊篱材料制造商都可供给各类衬垫能达到的SE预计值,但要记着SE是个相对数值,还取决于孔隙、衬垫尺寸、衬垫压缩比以及材料因素等衬垫有多种外形,可用于各类特定利用,包括有磨损、滑动以及带铰链的场合今朝许多衬垫带有粘胶或在衬垫上面就有固定装配,如挤压插入、管脚插入或倒钩装配等。

种种衬垫中,涂层泡沫衬垫是最新也是市道市面上用途最广的产品之一这类衬垫可做成多种外形,厚度大年夜于0.5mm,也可削减厚度以满意UL燃烧及情况密封标准还有另一种新型衬垫即情况/EMI混杂衬垫,有了它就可以无需再应用零丁的密封材料,从而低落樊篱罩资源和繁杂程度这些衬垫的外部覆层对紫外线稳定,可防潮、防风、防洗濯溶剂,内部涂层则进行金属化处置惩罚并具有较高导电性近来的别的一项改革是在EMI衬垫上装了一个塑料夹,同传统压制型金属衬垫比拟,它的重量较轻,装置光阴短,而且资源更低,是以更具市场吸引力。

结论

设备一样平常都必要进行樊篱,这是由于布局本身存在一些槽和裂缝所需樊篱可经由过程一些基滥觞基本则确定,然则理论与现实之间照样有区别例如在谋略某个频率下衬垫的大年夜小和间距时还必须斟酌旌旗灯号的强度,犹如在一个设备中应用了多个处置惩罚器时的情形外面处置惩罚及垫片设计是维持经久樊篱以实现EMC机能的关键身分。

责任编辑;zl

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