第2章电磁兼容基本原理讲稿学生用分析解析

第2章电磁兼容基本原理2.1 电磁兼容的基本概念2.2 电磁骚扰源2.3 电磁骚扰的传播2.4 保证电磁兼容性的方法2.1 电磁兼容的基本概念2.1.1 有关电磁兼容的定义电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility—EMC)中国标准：（国家标准GB/T 4365-1995《电磁术语》的定义）设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

通俗地说，设备或系统相互不影响，从电磁角度具有相容性的状态。

美国IEEE：（电气电子工程师协会(IEEE)的定义）一个装置能在其所处的电磁环境中满意地工作同时又不向该环境及同一环境中的其他装置排放超过允许范围的电磁扰动。

国际IEC：（电工技术委员会(IEC)的定义）电磁兼容是设备的一种能力。

它在其电磁环境中能完成它的功能，而不至于在其环境中产生不允许的干扰。

电磁兼容(学)：有关电磁兼容性研究和应用的学科。

学科的内容十分广泛，几乎包括现代各个行业、部门，涉及多学科理论，是一门综合性的边缘学科。

电磁骚扰(E1ectromagnetic Disturbance)：可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命、无生命物质产生损害作用的电磁现象。

电磁干扰(E1ectromagnetic Interference—EMI)：由电磁骚扰引起的设备、系统或传播通道的性能下降。

电磁骚扰和电磁干扰比较：两个词语过去经常混用，但两者之间有明显的区别——前者是指电磁能量的发射过程，后者则强调电磁骚扰造成的结果。

性能降级(Degradation of Performance)：装置、设备或系统的工作性能与正常性能的非期望偏差。

抗扰性(Immunity of Disturbance)：装置、设备或系统面临电磁骚扰而不降低运行性能的能力。

电磁敏感性(E1ectromagnetic Susceptibility—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。

电磁敏感性与抗扰性比较：同一性能的正反两个不同说法，敏感性高意味着抗扰性能低。

电磁兼容裕量(EMC Margin)：装置、设备或系统的抗扰性限值与骚扰源的发射限值之间的差值。

有关发射电平、抗扰性电平、限额值和兼容性电平等之间的关系电磁兼容电平：预期加在工作于指定条件的设备上的规定的最大电磁骚扰电平。

注：实际上，电磁兼容电平并非绝对最大值，而可能以小概率超出。

[来自骚扰源的]发射限值：规定的电磁骚扰源的最大发射电平。

[骚扰源的]发射电平：用规定方法测得的由设备发射的电磁骚扰电平。

发射裕量=电磁兼容电平-发射限值 设备发射设计裕量=发射限值-发射电平抗扰性限值：规定的最小抗扰性电平。

抗扰性电平：将某给定的电磁骚扰施加于某一设备时，该设备仍然能正常工作并保持所需性能等级时的最大骚扰电平。

抗扰性裕量=抗扰性限值-电磁兼容电平设备抗扰性设计裕量=抗扰性电平-抗扰性限值兼容性裕量=抗扰性电平-发射限值2.1.2 电磁干扰三要素电磁兼容就是研究电磁干扰（EMI ）问题。

电磁干扰三要素：电路受干扰的程度可用下式描述：WCS I=此式仅仅表达比例关系。

式中，S 为电路受干扰的程度；W 为骚扰源的强度；C 为骚扰源通过某种途径到达被干扰处的耦合因素；I 为被干扰电路的抗干扰性能。

2.2 电磁骚扰源2.2.1 电磁骚扰的一般分类1、从来源分：自然骚扰（人身静电、雷电、自然辐射）和人为骚扰（广播、通信、计算机）。

人为骚扰又可以分为：2、从骚扰属性分 ：功能性骚扰（广播、通信、电视）和非功能性骚扰（开关的电弧放电）。

3、从耦合方式分 ：传导骚扰（媒体是导线）和辐射骚扰（媒体是空间） 。

4、从骚扰波形分：连续波、周期脉冲波、非周期脉冲波。

5、从频谱宽度分 ：宽带骚扰和窄带骚扰 。

6、从频率范围分 ：甚低频骚扰(30Hz 以下)、工频与音频骚扰(50Hz 及其谐波)、 载频骚扰(10kHz 一300kHz)、射频及视频骚扰(300kHz 一300MHz)、 微波骚扰(300MHz 一100GHz)。

/S W C I =1．静电当两个不同的物体相互接触时，会使得一个物体失去一些电子(如电子转移到另一个物体)而带正电，另一个得到一些剩余电子的物体则带负电。

若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。

所以物体与其他物体接触后再分离，就会带上静电。

在日常生活中，脱衣服产生的静电也是因为“接触分离”产生的。

摩擦起电实质上是接触分离起电。

大多数非导体材料相互摩擦都会产生静电荷，但产生的电荷量多少是由材料起电序列决定的。

常见材料的摩擦起电序列为：人体、玻璃、云母、聚酰胺、毛织品、毛皮、丝绸、铝、纸、棉花、钢铁、木头、硬橡胶、聚酯薄膜、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(PVC)。

两种材料相差间隔越大，摩擦起电就越容易。

但并不是说，摩擦起电越容易，材料表面积累的静电荷就越多。

摩擦起电引起的电荷积累还有一些其他条件的限制，比如两种材料接近的紧密程度、分离的速率、湿度及两材料的导电性等。

比如以上序列中的铝和钢铁，两材料虽然摩擦也可以产生电荷，但因两材料均为良导体，产生的电荷会马上中和，不会产生静电荷的积累。

当然，潮湿的空气也是正负电荷中和的路径。

静电的危害主要是通过静电的放电现象引起的在这个波形中，低频成分转移的电荷比高频成分多，但是高频成分会产生更强的场，对电路的危害也最为明显。

一定要记住的一个事实是，静电放电时产生的能量很大，频率很高(有时高达5GHz)。

人体上的电压通常会达到8～10kV人体有感觉的静电放电电压为3000～5000V，然而，元件发生损坏时的电压仅几百伏。

对MOS器件的破环，器件受到静电放电的影响后，也可能不立即出现功能性的损坏。

常见的防静电产品有防静电地板、防静电服装、防静电护腕。

2．雷电积雨云形成过程中，在大气电场、温差起电效应和破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。

当电荷积聚到一定程度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，也就是人们平常所说的雷电。

当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000℃～20000℃，所以发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。

雷电的破坏作用：雷电具有以下几个特点：1．冲击电流非常大，其电流高达几万至几十万安培。

2．持续时间短，一般雷击分为3个阶段，即先导放电、主放电和余光放电，整个过程一般不会超过60µs。

3．雷电流变化梯度大，有的可达10kA/µs。

4．冲击电压高，强大的电流产生交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。

雷电危害可分成直击雷、感应雷和浪涌3种。

雷雨天气时，不要使用电脑、电视、电话等。

浪涌：电源浪涌和信号系统浪涌常见防雷产品：1) 接闪器2) 低压电源避雷器3) 通信线路避雷器4) 接地装置3．自然辐射2.2.3 人为骚扰源常见的产生骚扰的设备有： (1) 无线电通信设备 (2) 工业、科学、医疗设备 (3) 电力系统 (4) 点火系统(5) 家用电器、电动工具及电气照明 (6) 信息技术设备无论是自然的或人为的电磁骚扰源，按其构成威胁的程度均可分为4类：雷电、强电磁脉冲、静电放电和开关操作，其电压、电流和时域特性。

2.2.4 时域和频域电信号可以用时域和频域两种方式表示。

在时域中，信号表示为其量值随时间变化的函数。

它比较符合人们的观察习惯，可用示波器显示信号波形。

在频域中，信号表示为其幅值、相位随频率变化的函数。

电磁兼容标准的限值是在频域中规定的，可用频谱分析仪测量信号频谱。

时域信号和频域信号可以相互转换： 时域→频域：傅里叶变换 -j -()()ed tF ωf t t ω∞∞=⎰频域→时域：傅里叶反变换 j -1()()e d 2ωtf t F ωωπ∞∞=⎰ 周期信号可以用傅里叶级数表示：0()jn t n n f t c e ω∞=-∞=∑， 其中 0001()t T jn t n t c f t e dt T ω+-=⎰， T 是周期2.3 电磁骚扰的传播将传播方式按耦合机理分类： ⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩传导耦合磁场耦合电磁骚扰传播方式电场耦合辐射耦合传导耦合：是指一个电路中的骚扰电压或骚扰电流通过公共电路流通到另一个电路中的耦合方式。

磁场耦合（电感耦合）：是指一个回路中的骚扰电流通过链接磁通（互感）在另一个回路中感应电动势，以传播骚扰的耦合方式。

电场耦合（电容耦合）：是指一个电路中导体的骚扰电压通过与其临近的另一电路中导体之间的相互电容耦合产生骚扰电流，以传播骚扰的耦合方式。

辐射耦合：是指电磁骚扰在空间中以电磁波的形式传播，耦合至被干扰电路。

2.3.1 电流流通路径什么是电流？ 电流是影响电磁兼容性的最重要的因素。

电荷的移动形成电流（传导电流I C）；电场的变化也形成电流（位移电流I D）。

如何掌握电流流通路径？ ①任何电流都要返回其源；②电流总是沿着最小阻抗路径走。

在电流流通时，它的路径受电路阻抗的影响，载流导线除了有电阻之外，还有电感、电容，在高频情况下其感抗值远大于电阻值，这在电路分析时必须考虑进来。

哪是最小阻抗路径？电流的分配与并联支路各自的阻抗成反比。

1122U I Z I Z ==Z R jL ω=+电感与回路面积有关，并成正比。

1221I Z I Z =低频（1kHz ） 时： 路径22121,Z R R R I I ≈⇒ 高频（10kHz ）时： 路径12121,Z j L L LI I ω≈⇒电流返回路径走哪里？在本例中，最小阻抗路径就是最小回路电感路径，也就是最小回路面积路径。

2.3.2 传导耦合传导耦合：是指一个电路中的骚扰电压或骚扰电流通过公共电路流通到另一个电路中的耦合方式。

若两个电路共用一段电路，其中一个电路中有骚扰电流流过时，在该段公共电路（阻抗）上产生的骚扰电压就会影响到另一个电路，产生传导耦合或公共阻抗耦合。

电路1在电路2的负载Z L 2上产生干扰电压：当11cS L Z Z Z +和22c S L Z Z Z +时，这里的公共电路即包括人为接入的阻抗，也包括由公共电源线和公共地线的引线电感等所造成的阻抗。

常见的公共阻抗耦合包括： 1、 公共地阻抗耦合2、公共电源阻抗耦合连接导线的模型a) 连接导线的实际电路 b) 低频等效电路 c) 高频等效电路（且高频时，感抗远远超过电阻）1221122()()S C L L S L S L U Z Z U Z Z Z Z =++半径为a 、长度为l 的圆柱导体： 直流电阻：2ππDC l lR a a aσσ==* σ是导体的电导率交流电阻：2ππ2AC l lR a a σδσδ==*；透入深度δ=， μ是磁导率。