原创14南京邮电大学电磁兼容复习要点.docx
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原创14南京邮电大学电磁兼容复习要点
电磁兼容原理与技术复习大纲
第一章概述
1.电磁骚扰、电磁干扰、电磁兼容的定义及区别。
电磁骚扰EMD:
任何可能引起装置、设备、系统性能降级或对有生命、无生命物质产生作用的电磁现象,可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。
电磁干扰EMI:
电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。
EMD和EMI的区别:
电磁骚扰是客观存在的一种物理现象,电磁干扰是电磁骚扰引起的后果。
电磁兼容EMC:
电子线路、设备、系统互不影响,从电磁角度具有相容性的状态,该相容性包括设备内各电路模块之间的相容性、设备之间的相容性和系统之间的相容性。
电磁敏感性EMS:
在存在电磁骚扰的情况下,装置、设备或系统不能避免性能降低的能力。
2.电磁干扰源的分类及电磁干扰的三要素。
分类:
(1)按传播途径:
传导干扰(按传输性质分有电耦合、磁耦合及电磁耦合)、辐射干扰(按传输性质分有近区场感应耦合和远区场辐射耦合)
(2)按频带:
窄带干扰、宽带干扰
(3)按干扰源性质:
自然干扰、人为干扰
(4)按实施干扰者的主观意向:
有意干扰源、无意干扰源
(5)按干扰频率范围:
根据频率范围电磁干扰分类
频率范围
典型电磁干扰源
工频及音频干扰源
50Hz及其谐波
输电线、电力牵引系统、有线广播
甚低频干扰源
30kHz以下
雷电等
载频干扰源
10-300kHz
高压直流输电高次谐波、交流输电及电气铁路高次谐波
射频及视频干扰源
300kHz-300MHz
工业、科学、医疗,电动机、照明电气,宇宙干扰
微波干扰源
300MHz-100GHz
微波炉,微波接力通信,卫星通信
电磁干扰的三要素:
电磁干扰源、耦合途径、敏感设备
3.电磁兼容性需从哪些方面实施,具体措施如何?
技术措施:
抑制干扰源;消除或减弱干扰耦合;增加敏感设备的抗干扰能力
组织措施:
国际组织、各国政府及军事部门等,制定电磁兼容标准、规范与频谱分配,规定干扰发射极限值,限制设备发射超标干扰,使各种系统在指定频域、时域及空域上工作,推行强制EMC认证以保证其有效实施
具体措施:
合适的接地,良好的搭接;合理布线、屏蔽、滤波、限幅及它们的组合;EMI的分析与预测;
EMC设计、EMI测量技术等
4.电磁兼容性测量的主要内容。
电磁干扰发射(EMI)测量分辐射发射测试和传导发射测试
1)各种电磁环境中传导和辐射发射量的测量;
2)各种信号传输方式下干扰传递特性的测量
电磁敏感度(EMS)测量分辐射敏感度测试和传导敏感度测试
1)电源线、信号线、地线等注入干扰的传导敏感度测量;
2)对电场、磁场辐射干扰的辐射敏感度测量;
3)对静电放电干扰的敏感度测量
5.如何对电磁干扰信号进行时域与频域分析,数学工具?
实验工具?
数学工具:
傅立叶变换
实验工具:
频谱分析仪和示波器
6.五个实验涉及的基本概念及实验原理、现象。
【大题】详见实验报告
第二章屏蔽技术
1.电磁屏蔽的定义及分类。
定义:
电磁屏蔽就是以某种材料(导电或导磁材料)制成的屏蔽壳体(实体的或非实体的)将需要屏蔽的区域封闭起来,形成电磁隔离,即其内的电磁场不能越出这一区域,而外来的辐射电磁场不能进入这一区域(或者进出该区域的电磁能量将受到很大的衰减)。
分类:
2.静电屏蔽的原理及基本条件,交变电场屏蔽的原理。
静电屏蔽的原理:
如果把有空腔的导体引入电场,由于导体的内表面无净电荷,空腔空间中也无电场,所以该导体起了隔绝外电场的作用,使外电场对空腔空间并无影响。
反之,如果把导体接地,即使空腔内有带电体产生电场,在腔体外面也无电场。
静电屏蔽两个基本要求:
完整的屏蔽导体和良好的接地。
交变电场屏蔽的原理:
3.低频/高频磁场屏蔽原理及注意点。
低频:
利用铁磁材料(铁、硅钢片坡莫合金等)的高磁导率对100kHz以下低频干扰磁场进行分路。
高频:
利用电磁感应在屏蔽体表面产生涡流的反磁场对原磁场有排斥作用,来抑制或抵消屏蔽体外的磁场。
使用铁磁材料作屏蔽体的注意点:
①铁磁材料的磁导率越高,屏蔽罩越厚,磁阻越小磁屏蔽效果越好,但是选用高磁导率、足够厚度及多层屏蔽的铁磁材料往往既昂贵又笨重
②铁磁材料屏蔽罩在垂直磁力线方向不应有缝隙,否则会切断磁力线,使磁阻增大,屏蔽效果变差
③铁磁材料的高频磁性损耗很大,导磁率明显下降因而不能用于高频磁场屏蔽。
4.电屏蔽结构及其等效电路分析。
【大题】2.4节全部P59
5.屏蔽效能的定义及双层次屏蔽结构的设计分析。
【大题】
屏蔽效能:
屏蔽前后某点场强比,表现屏蔽体对电磁波的衰减程度。
书2.4全部P59
6.孔缝泄漏的抑制措施(具体问题的分析)。
【大题】2.5节全部P63
第三章滤波技术
1.EMI滤波器的特点及安装考虑(具体问题的分析)。
【大题】
特点:
阻带衰减足够大,通带插损尽量小,保证有用信号传输效率最大,对电缆上的共模干扰和差模干扰都有抑制作用。
安装考虑:
1)安装位置:
由干扰侵入途径确定安装位置,在干扰源或敏感器数目较少的一侧;干扰源来自电源线辐射时在电源出口
2)安装原则:
输入和输出线之间必须屏蔽隔离,引线尽量短且不交叉以减小电磁耦合(特别是干扰源侧装滤波器时)
3)高频接地:
屏蔽且与金属设备壳体良好搭接;或与滤波器地相连后再与设备地良好搭接,以减小高频接地电阻对滤波效果的影响
4)搭接方法:
焊接、螺帽压紧等方法,将滤波器屏蔽体外壳安装在设备金属外壳上以降低连接电阻
5)电源线滤波器的安装:
安装在敏感设备或屏蔽体入口,对滤波器加以屏蔽
2.何谓共模干扰?
何谓差模干扰?
共模:
电流在所有导线上幅度、相位相同,在电缆与大地之间形成回路,是信号电缆上的主要干扰形式
差模:
电路工作电流,在信号线与信号地线之间形成回路
3.滤波器的分类及反射式、吸收式滤波器的工作原理。
滤波器分类:
1)滤波原理:
反射式和吸收式滤波器
2)工作条件:
有源和无源滤波器
3)频率特性:
低通、高通、带通、带阻
4)使用场合:
电源、信号、控制线、防电磁脉冲、防电磁信息泄露和印刷电路板专用微型滤波器
5)用途:
信号选择和EMI滤波器
反射式滤波器的工作原理:
反射式滤波器通常由电抗原件,如电感器和电容器组合构成(理想情况,这些元件是无耗的),使在滤波器的通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻抗,而在滤波器的阻带内提供大的串联阻抗和小的并联阻抗,也就是对干扰电流建立起一个高的串联阻抗和低的并联阻抗。
反射滤波器是通过把不需要的频率成分的能量反射回信号源而达到抑制的目的。
吸收式滤波器的工作原理:
吸收式滤波器是由有耗元件构成的,它通过吸收不需要的频率成分的能量(转化为热能),来达到抑制干扰之目的。
4.使用电容滤波需注意的谐振问题,如何同时兼顾高频、低频的滤波要求?
谐振问题:
电容引线电感使LPF在fR发生LC串联谐振(可用于选频),实际使用时应使fR高于干扰频率
兼顾高频和低频的滤波要求:
大电容和小电容并联
5.
电源线滤波器的网络结构分析。
【大题】
第四章接地和搭接技术
1.接地的重要性及优缺点、分类。
Ø接地的重要性:
保证设备或系统正常工作的重要技术
保护设施和人身安全的必要手段
抑制EMI、保障EMC性、提高可靠性的重要技术措施
Ø良好接地的优点及不良接地的危害:
优点:
为干扰信号提供低公共阻抗通路,抑制EMI
危害:
引起接地干扰(如何抑制?
)
Ø安全接地和信号接地(按作用)
安全接地:
设备安全接地、接零保护接地、防雷接地。
信号接地:
单点接地(串联、并联)、多点接地、混合接地、悬浮接地。
2.地电流的成因?
地回路干扰如何产生?
(等效电路分析)【大题】
Ø接地电流:
接地面为一定面积的金属板,上面的接地电流是产生接地干扰的根源。
Ø接地电压:
接地点间有一定阻抗,地电流流过产生接地干扰电压,加到电路上形成共模干扰电压。
Ø地回路干扰:
接地公共阻抗、传输导线和金属机壳的天线效应等形成骚扰电流和电压,经各种地回路至敏感回路输入端,形成地回路干扰。
详细:
书本4.1全部P88
3.地回路干扰的抑制措施。
4.2.1接地点选择
4.2.2差分平衡电路
4.2.3隔离变压器
4.2.4纵向扼流圈
4.2.5光电耦合器
书本4.2全部P91
4.安全接地的作用、分类及实现。
安全接地的作用:
安全接地就是为了安全(电路、设备及人身安全)
安全接地的分类及实现方式
4.4.1设备安全接地
4.4.2接零保护接地
4.4.3防雷接地
书本4.4P102
5.信号接地的分类及实现。
4.5.1单点接地
4.5.2多点接地
4.5.3混合接地
4.5.4悬浮接地
书本4.5P103
6.搭接技术的概念及注意点。
Ø搭接:
两金属物体间通过机械、化学或物理方法实现结构连接,建立稳定的低阻抗电气通路的工艺过程
书本4.6P110
第五章线路板设计
1.元件组选择的总体原则是什么?
表面贴装元件—放射状引脚元件—轴向平行引脚元件
2.旁路电容和去耦电容的作用及区别。
旁路电容(钽电容和铝电解电容):
作为高频旁路器件产生交流分路滤除无用能量;置于电源输入处
去耦电容(陶瓷电容):
提供局部直流电源给有源器件,将其开关产生的高频噪声引导到地;置于电源输入处,尽可能靠近每个IC
3.ΔI噪声电路的产生机理及危害、分类,它如何与瞬态负载电流符合?
如何抑制?
Ø机理
①加电工作时,IC内部门电路发生“0”和“1”转换;
②门电路内部晶体管发生导通/截止状态转换,电流从电源流入门电路/从门电路流入地线,使电源线/地线上电流产生不平衡,该变化电流即∆I噪声电流;
③电源线和地线存在一定阻抗,∆I噪声电流通过引起尖峰电压并引发电源电压波动,该变化电压即∆I噪声电压,将引起误操作并产生传导和辐射骚扰
Ø分类
芯片级∆I噪声电流:
IC内部多个门电路共用一条电源线和地线,一个门电路产生∆I噪声电压影响其他门电路,严重时出错
电路板级∆I噪声电流:
PCB上多个IC共用一条电源线和地线,多层PCB共用整个金属电源面和地面,一个芯片引发的∆I噪声电流将通过电源线和地线骚扰其他芯片
Ø危害:
影响其他门电路、IC甚至整个电路的正常工作,应加以抑制!
Ø瞬态负载电流与∆I噪声电流的复合
1
一般情况
2驱动线较长、传输延迟超过脉冲上升时间时
✓IL与∆I噪声电流的复合:
∆I:
逻辑器件状态转换时,∆I从电源-器件或器件-地,为正;
IL:
脉冲低-高,IL为正与∆I叠加,脉冲高-低,IL为负与∆I抵消
✓逻辑器件工作时,如开关速度高+引线电感+驱动线对地电容,产生高瞬态电压和电流,骚扰源
✓克服瞬态U和I的方法:
减小L、CS、∆I和∆U,增加dt(即tr)。
Ø去耦电容对∆I噪声电流的抑制作用
✓作用:
阻止骚扰能量传递;保证直流电压稳定及器件正常工作
✓原理:
电源线和地线结构→感性阻抗→∆I噪声电流表现为∆I噪声电压→器件工作失常,去耦电容可补偿和减小该阻抗(∆I电压)
✓方法:
安装去耦电容提供电流补偿源来补偿∆I噪声电流,防止器件从电源和接地系统中吸取该电流,造成电源电压波动
⏹本地去耦电容(就近为器件产生的∆I噪声电流提供电流补偿源)
✓电容值:
CMOS器件,0.001μF(并联于电源和接地管脚间;量级差100倍两电容并联,起旁路和去耦作用;公式C=(∆I*dt/dU)(pF)
✓要求:
保证∆I噪声电压引发的芯片直流电源电压波动在正常工作电压的漂移限值内(温度系数小、引线电感小)
⏹整体去耦电容(旁路电容,为整个电路板提供电流补偿源)
✓电容值:
板上所有负载电容总和的50-100倍,紧靠PCB外接电源和地线
4.线路板上脉冲信号差模辐射和共模辐射的频谱及抑制措施。
书本5.2P130
Ø脉冲信号差模辐射的频谱(脉冲频谱与差模辐射频率特性的乘积)
✓
脉冲频谱:
平坦段、20dB/dec下降段、40dB/dec下降段,频谱很宽,带宽1/πtτ。
✓非周期脉冲频谱为连续谱;周期信号为离散谱,能量集中在有限频率上,是EMI发射的主要因素
Ø减小差模辐射的方法(降低f、减小I、减小A)
✓降低f:
减小不必要的高频(>1/πtτ),工作频率不可减小
✓减小I:
信号I不能随便减小,缓冲器能减小长线驱动电流
✓
减小A:
最现实有效的方法!
PP.133
Ø脉冲信号共模辐射的频谱(脉冲频谱与共模辐射频率特性的乘积)
✓脉冲信号频谱:
平坦段、20dB/dec下降段、40dB/dec下降段
✓共模辐射频率特性:
辐射强度随频率升高而增加20dB/dec
✓脉冲信号共模辐射频谱:
20dB/dec增加段、平坦段、20dB/dec下降
⏹与差模辐射不同:
共模辐射集中在频率1/πtτ以下!
Ø减小共模辐射的方法(降低f、减小l、减小I(主要方法))
✓尽量减小地电位:
采用接地平面;
✓提供与电缆串联的高共模阻抗即加共模扼流圈:
将两根导线同向绕在铁氧体磁环上
✓将共模电流旁路到地:
在靠近连接器处将PCB地平面分一块作为干净I/O地,仅I/O去耦电容及外部电缆屏蔽层与之相连,去耦环路电感量尽量小
✓
电缆屏蔽层与屏蔽壳体作360o端接。
5.PCB布线时的注意点,几种地线的分析及注意点。
5.4.3单面板和双面板几种地线的分析P142
6.多层板设计时确定印制线条间距和边距的基本原则及涵义。
20-H原则:
PCB尺寸比最靠近的接地板小20H(层间距,一般值3mm)
2-W原则:
为减少线间串扰,应保证线条间距不少于2W(线宽,取决于线条阻抗要求,太宽会减小布线密度增加成本,太窄影响传输到终端的信号波形和强度),走线中心距3W可保持70%电场不互扰,10W可达到98%电场不互扰
第六章电缆设计
1.电容性耦合和电感性耦合区别及判断方法。
✓磁干扰与电干扰区别:
减小敏感器负载阻抗不能改善;电感耦合电压与受害电路串联
✓分辨耦合类型方法:
在敏感器一端测干扰电压,另一端减小端接阻抗;若测量电压减小,则为电容耦合,否则为电感耦合
2.分析辐射耦合的基本模型及改进模型分别是什么?
如何使用改进模型?
基本模型:
电基本振子(短线天线)、磁基本振子(小环天线)
改进模型:
小型电路模型
✓基本思路:
电流变化时,长导线看成足够短导线串联,半径远大于波长的载流圆环看成半径足够小圆环总和,由电/磁基本振子场表达式利用叠加定理得总场强
✓特殊情况:
场点或源点不处于自由空间,如辐射源靠近金属物体时应考虑导体表面边界条件,用镜像原理计算
3.电容性耦合、电感性耦合、辐射干扰耦合的抑制措施。
6.5全部P184
第七章瞬态干扰的抑制
1.瞬态干扰的特点及常见类型。
Ø瞬态干扰:
时间很短、幅度较大,且频谱宽、危害大,常见的电快速瞬变脉冲群(ElectricalFastTransient)、浪涌(SURGE)、静电放电(ElectroStaticDischarge)
ØEFT:
电路中感性负载断开时产生的串脉冲,对电路影响较大。
它在电路输入端有累计效应,使干扰幅度超过噪声门限。
脉冲串周期越短,对电路影响越大;输入电容无足够时间放电就开始新的充电,易达到高电平。
ØSURGE:
雷电在电缆上感应或大功率开关,能量很大,不普遍,一旦发生危害严重.室内浪涌电压达6kV,室外可超10kV.
ØESD:
雷电现象(对设备电缆影响体现在浪涌试验中)、人体接触设备时的ESD、装置放电,对设备影响辐射干扰为主。
2.EFT的产生机理及抑制措施。
ØEFT的产生机理
Ø
EFT抑制措施
✓EFT由信号线或电源线进入敏感器,若电源端或信号I/O端未良好滤波,则部分EFT进入后续电路(特别是数字电路)
✓数字电路对脉冲骚扰较敏感(EFT,直接触发或静电耦合)
✓EFT通过公共信号地线骚扰其他设备,地线压降U=-Ldi/dt
•抑制干扰措施:
增大Ri1Ri2:
串联电阻、磁阻
减小RL2:
旁路电容即滤波器
减小Zg:
良好布线、增加接地导线面积
ØEFT电感瞬态干扰抑制网络
(a)并联电阻,效率较低。
开关断开时原电感电流流过R,瞬态电压峰值随电阻增加,最大值为稳态电流与电阻乘积。
R=RL时瞬态电压等于电源电源,触点电压=电源电压+线圈感应电压。
(b)并联压敏电阻.电压低(高)时阻值大(小),截止电压应高于工作电压,能量容量应大于0.5LI2(J)
(c)并联RC串联网络。
稳态时无耗;触点断开,电容起始为短路,原电感电流过电阻(阻值越小,能量泄放作用越好,反充电压越小);触点闭合,电感阻抗很大,电流过电阻(阻值越大,限流作用越好,不发生弧光放电)。
电阻值区间[V峰/IA,RL]。
电容C>(I/300)2L,防辉光;C>10-6I,充电速率小于1V/μs,防弧光。
(d)反向并联二极管。
稳态时无电流;开关断开时电感电压反极性,二极管导通使电感电压限制在小数值。
缺点是电感电流衰减很慢。
二极管峰值方向电压应高于电源电压,正向电流应大于负载电流。
改进:
二极管支路串联电阻,缩短释放时间,但限制了二极管作用。
(e)并联齐纳二极管(电压低于导通电压时中断)、整流二极管串联网络。
缩短电感电流衰减时间,触点电压=电源电压+二极管电压。
Ø抑制EFT的其他方法
●配合使用滤波、接地、PCB布线等,取得更较好效果
✓EFT滤波器或吸收器;骚扰源远离敏感电路;
✓正确使用接地技术;软件中加入抗骚扰指令;
✓安装瞬变骚扰吸收器。
3.ESD如何产生?
对电路的影响如何?
Ø静电的产生
✓接触分离起电:
不同材质物体接触后分离(电荷难以中和)
✓摩擦起电:
不断的接触又分离造成正负电荷不平衡。
产生静电的最普通方法;绝缘性越好,越易摩擦生电;摩擦起电是机械过程,依靠相对表面移动传送电量(接触次数/表面粗糙度/湿度/接触压力/摩擦特性/相对运动速度)
✓感应起电:
导电材料中正负电荷在电场中发生转移
✓传导起电:
导电材料与带电物体接触时发生电荷转移
ØESD干扰电路机理:
ESD电流直接流过电路造成损坏;ESD电磁场由电容耦合/电感耦合或辐射耦合等干扰电路
✓ESD场直接穿透设备或通过孔洞/缝隙/风孔/I/O电缆等耦合到敏感电路
✓ESD电流流动时激发路径中的天线,发射效率依赖于尺寸。
✓ESD脉冲导致的辐射波长几厘米~数百米
✓两种ESD破坏机制及后果(可能同时发生):
ESD电流热效应导致设备热失效;ESD高电压导致绝缘击穿。
ESD电火花直接接触电路造成损坏(传导耦合);辐射耦合通常只导致失常(使设备损坏比失常所需电压/电流大1-2个数量级)。
4.ESD防护措施?
具体问题的分析和改进设计书本P207-211
5.常见的抑制瞬态干扰器件有哪些?
有什么共同点?
第八章EMI的诊断与解决技术
1.EFT及ESD测试的具体步骤。
1)EFT测试的具体步骤
每种极性输入都从低标准开始,保持30ns;输入变化“+”-“0”-“-”;测试过程中不要触摸EUT,不要让高压电缆松散的挂在靠近EUT的地方
a)电源线、低标准:
使用IEC801-4等级3标准;试用更高标准了解系统EMC裕度
b)提高标准:
注意所有(+)、(-)、L1、L2、L1+L2组合,记录运行/失败结果
c)切断L1、L2、接地端
d)向每根I/O电缆输入脉冲:
容性耦合套应在距离EUT1m范围内。
若为屏蔽电缆,耦合套就套在带绝缘层的屏蔽电缆上。
测试I/O电缆时,应将EUT电源线接在发生器上,它能提供与主电源线的高频隔离。
2)ESD测试的具体步骤:
a)IESD或DESD、标记EUT表面或框架上放电点;
b)从低到高电平(2kV/步)重复(5~20脉冲/秒)测试所有点,直到达标并留1~2kV裕量;
c)故障区50次单点ESD测试,记录故障电平和类型;
d)解决I/O电缆屏蔽层、屏蔽连接器、滤波连接器/铁氧体/去耦电容、加固面板/门/可触开关/按键、减小或充垫开槽和裂缝等问题时应通过新运行/故障图改进方案)
2.什么是现场诊断排查非相关故障的“强行损坏”技术?
如何用EFT、ESD、电源线扰动模拟器来实现?
Ø“强行损坏”技术:
对无法等待、难以捕捉的EMI,故意对EUT加入(与可能EMI作用相当)窄脉冲(串),电平从低到高,直至设备发生故障、性能下降或出现其他问题,比较该阈值与期望扰动值,调整设备至符合抗干扰等级。
能解决EFT和ESD问题,还可用于电源线扰动问题
Ø用EFT实现“强迫损坏”技术
从低电压开始检查所有电缆,直至无故障电压达到IEC801-4推荐安全等级(住宅/商业:
EFT在电源线/信号线上的值2/1kV;工业:
4/2kV)
ØESD强迫损坏技术
•EUT(通过电源接地)下安装铝箔作为测试期间的射频参考地,提高测试可重复性,使结果可与通常抗干扰值比较;放电区域:
DESD(金属装置)和IESD(塑料装置)等
•放电器(IEC801-2型放电探头)接地线与EUT接地板相连;从较小放电值开始,每点放电至少30次,1kV/步长增加放电值,直至故障出现或达到ESD标准要求
Ø电源线监测
•强迫损坏技术:
在设备电源线中插入电源线扰动模拟器
•在现场可安装电源线监测器
①确定敏感器抗电源扰动实际性能(说明书/CBEMA模板)留裕量补偿安装时变动
②监测器记录超阈值扰动,用电源稳压调节器或浪涌抑制器解决问题
3.现场诊断排查EMI故障的基本思路如何?
4.8种常见EMI故障的诊断排查流程如何?
书8.5.3P259
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