机电一体化产品电磁兼容设计讲义

电磁兼容讲义
沙斐教授
北京交通大学电磁兼容实验室
2005 年9 月
共模和差模
•差模电流：线-线电流：大小相等方向相反差模电压：线-线间电压
•共模电流：二线间方向相同
共模电压：线-线间电压
•有用信号都是差模的，骚扰可能是差模的，也可能是共模的。

空间辐射电磁波
•电场天线高电压小电流
•磁场天线低电压大电流
•根据麦克斯韦方程，变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场。

•设备内每个电路都可能是天线，机壳和电缆都可能是天线的一部分。

减小差模电流辐射的措施
•尽量
减小
环路
面积
•频率越高，辐射越强，尽量减小有用信号的高次谐波成分。

信息技术设备的工作信号是数字脉冲信号，具有很宽的频带，从电磁兼容角度应该考虑的最高频率为时钟频率的10倍或者为1/πtr, tr为脉冲的上升沿时间，即脉冲的前沿越陡峭或脉冲的重复频率越高，则脉冲包含的高频能量越大。

骚扰的频谱分析
骚扰的频谱分析（续）
采取屏蔽方法
•机箱的屏蔽效能由孔缝直径决定，机箱孔缝等效于二次发射天线。

•孔缝长度等于半波长的整数倍时，漏泄能量最大。

•对于固定的孔缝长度，频率越高，泄漏越严重。

机箱屏蔽的改进
•设计中使缝隙尺寸满足要求:
商用设备：d<λ/20，20dB
军用设备：d<λ/50，28dB
•显示窗可使用屏蔽玻璃；
•接缝处应良好搭接，缩短连接螺丝的间距，可使用导电衬垫；
•采用波导设计,通风窗可使用波导管。

各种传输线的分布参数
各种传输线的分布参数（续）
电场天线的共模电流辐射
•任何二点间有电位差就是共模源，如果二点有引线出去就是共模天线。

•当频率达到MHz级时nH的分布电感和pF级的分布电容都将对共模辐射产生重要影响。

•设备的共模天线的一极往往是印刷板的地和机箱，另一极是连接电缆中的地线；由于线间电容之间的耦合，整条电缆上都污染上了共模电流。

•连接电缆上的共模电流辐射往往是造成设备辐射超标的主要原因，机箱无法屏蔽。

rλ
差模电流辐射和共模电流辐射
的比较示例
•扁平馈线中抽取相邻的两根导线，线长1米，导线对上分别加以共模和差模电流，在离
导线对3米处按GB 9254规定测量骚扰场强。

•实验表明如果该处场强要达到B类设备的限值（30～230 MHz时为40 dBμV/m）,则差模电流要求为20 mA，而共模电流只要
8μA，两者相差2500倍。

产生共模电流辐射的条件•共模源--由差模源（有用信号源）驱动产生
基本驱动模式：
*电流驱动模式
*电压驱动模式
•共模天线--不对称振子天线
*设备的外部连接线
*设备内部印刷板的地线、电源面、机
壳、散热片、金属支撑架等等
共模电流辐射的基本模式
--电流驱动和电压驱动
1、电流驱动模式：
信号电流>环路电感>共模源>不对称电场天线。

2、电压驱动模式：
信号电压> 架空金属对地的电位差（共模源）> 耦合电容
C >
不对称电场天线。

共模电流辐射的基本模式
--电流驱动和电压驱动
共模电流辐射的抑制方法
•使用铁氧体磁环
•共模去耦电容
•共模电源滤波器
•采用屏蔽电缆、屏敝连接器•改进产品内部结构的设计与布置
抑制原理和注意事项
•铁氧体磁环在高频时呈电阻性，所以能消耗高频共模电流。

•共模电流在连接线上是有一定分布的，因此铁氧体磁环应放在电流较高的位置上，一般放在连接线的引出处。

•铁氧体磁环是否起作用取决于共模天线的阻抗。

专用EMC地
带共模去耦器的插座
共模滤波器
图15 电源滤波器的典型结构
采用屏蔽电缆和屏蔽连接器•如果要求传输信号的速率较高，边缘较陡，则串接滤波器就可能把有用信号的高频部分也滤掉，从而影响信号的正常传输。

这时就只能采用屏蔽的方法。

•屏蔽层应保持电连续性和一致性，要求电缆屏蔽层和连接器插头的金属外壳要有360度的完整搭接，不能出现“猪尾巴”现象。

改进产品内部结构的设计与布置•印制电路板设计
#尽量减小供电环路和信号环路的面积；
#尽量减小回流地线的阻抗；
#在PCB的上方不允许有任何电气上没有连接并悬空的金属存在等等。

•各部件和电路的安排
•相互连接线的布置
设备内的近场电磁耦合•设备内各个环路之间的电距离较短，一般为近场，近场的场型很复杂，不易计算，因此相互间的电磁干扰常用：
电容耦合代替电场干扰，
电感耦合代替磁场干扰，
•从而把场的问题转化为路的问题，简化了计算。

近场电磁耦合的抑制方法•减小环路面积，避免环套环。

•不相容的电路应远离。

不相容的信号线不要平行走线。

更不能绑扎在一起。

分布在不同层上的信号线
走向应相互垂直。

•屏蔽电缆：单端接地-电场屏蔽
双端接地-磁场屏蔽
•双绞线：
磁场屏蔽
近场电磁耦合的抑制方法。