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陶老师ESD、EMI、EMC讲座(2)-EMC、EMI解析

我爱方案网| 陶老师 , ESD , EMI , EMC讲座 , EMC、EMI解析| 2010-08-30
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下面讲电磁感应。电磁感应和EMI,EMI就是电磁干扰。电磁干扰分电场干扰和磁场干扰,电场和磁场是两种不同性质的物质,现在我们很多人没有了解它,大家都说是一种暗物质,就是不知道它是什么样的东西,叫做暗物质。很多人把它分成一派的概念进行解释。现在我们只知道它是能够携带能量的介质,它充满整个宇宙空间,电场和磁场,只要你了解两者之间可以互相转换,当某种电场或磁场的位能产生变化,什么是位能?比如某个带电体带的电压是100V,一下就变成200V的,这就是位能改变了。或者是原来磁场强度,如果电流是1安培,一下变成2安培了,磁场也是在改变。位能的改变会影响整个空间电磁场的分布,这种分布是光的速度进行传播,就是30万公里/秒。电磁场干扰无处不在,你想抵挡都挡不住。产生电磁层感染就是带电物体的电荷出现分布,对分布电容不断地充放电,任何一个带电体都可以把它看成一个电容,也就是说叫做分布电容。产生磁场干扰的基本原因是流过导体的电流的大小和方向发生改变,即分布电感产生的磁通大小和方向在不断变化。这两句话很重要,电流改变了,只有改变才会对整个空间重新分布,而且分布的速度按照30万公里/秒进行传播。

现在我们具体解释一下电磁感应和干扰的原理。刚才已经讲了电场和雷电产生的原理一样,这边是带电体,你也可以把它看成一个地球,带电体的旁边如果有一个物体,这个物体不管是金属的还是绝缘体都会产生极化带电,不管是否导电都会导致极化带电,比如说这是一根金属棒或者是一根木棒都会产生感应。产生感应带电,这边带的是负电,这边带的是正电。但是整个物体的电中性还是保持着。那么,这两端产生的电位差就是电位梯度,就是电场强度。知道了电场强度以后就可以算出这两端的感应电压,感应电压等于电场强度×距离。

电磁干扰的原理是带电体电磨和位能不断的改变,会对感应体产生位移电流,当这边是正的时候,电流的方向往这边流,当是负的时候电流往另外一边流。位移电流和一般电工学里面的位移电流不一样,位移电流不需要回路,在任何一个导体里面都会产生位移电流,并且位移电流的大小在这个导体里面的每个地方都不一样,不管这个怎么变化,中间位移电流等于零,只在两端位移电流是最的大,中间那个地方等于零。如果你不好理解,你把这个当成一根天线就理解了,天线发射电磁波的时候也是没有回路的,就是靠不断的对它进行充放电,这个原理是一样的。还有一种情况,当两个变换的速度和来回移动的方向、距离正好是半个波长的时候它会产生谐振,这个在天线理论里面可以学到。因为位移电流是有速度的,不能说速度等于无穷大,我这边变你也变,如果移动有速度就会产生叠加和抵消的作用,就会产生谐振。

 


我们给大家介绍一个很重要的概念,就是电容。这个电容和我们现在电路里面用的电容是两个概念,大家不要混淆。任何带电体我们都可以把它看成一个电容,电容的大小跟它带的电压和电荷的多少有关,如果带的电荷越多,电压越高它的电流就越大。电容的概念其实与电荷的概念也是互相对应的,我们把这个电容器看成是两个电容进行串联,也就是说带电体带正电,带正电是对于无限远的地方来说的,为什么呢?因为这个带电以后电场分布是发散性的,中间这一点是最强,离的越远的时候电感强度就越来越低,当无限远的时候就等于零,你不能拿它来参考地球,参考地球的话相当于范围太小,本身地球也可以看成电容,所以分析电容的时候最好用无限远的地方作为参考点。也就是说我们计算电容的时候以无限远的地方考虑,计算电容也是以无限远的地方考虑。把这两个电容靠在一起的时候就变成了电容器,你就可以利用这两个电容的电位梯度和电容器来分析。任何一个带电体都可以看成一个电容,一个孤立球导体的电容等于表面积除以半径,再乘以电容系数。地球的容量算出来就是7×10-4(F),把两个孤立电容进行推导,算出来就是这样,电容器正好等于上面储存的电容量除以电位差。明白电容的概念以后,也要分析电路的电磁感应方面,要有量的概念。有了量的概念我们可以对电磁干扰进行分析,比如说这边是一个干扰电压,通过这条电路进行供电,旁边也有一个电路,这个电路就会受到干扰,干扰怎么计算?它的导向电路是什么?我们可以把两个导线看成一个电容器,就是有一个耦合电容。等效电路相当于这边,你要减少两个回路互相干扰的程度就必须要减少上面的Cm电容,把两条线隔得越远越好,而且越短越好,只要面积越小电容器越小,离得越远电容器也越小。

下面讲磁场感应与干扰。磁场只要有电容从导体里面流过就会产生磁场,磁场这个东西因为我们摸不到,所以现在我们都是用磁力线表示,我们可以判别它。这个磁场如果穿过周边的电路,或者是其他电感线圈就会产生电子感应,这就相当于一个有电流流过的电感线圈,会产生磁场,这个磁场对另外一个线圈也会产生感应电压。线圈对应里面任何一个线路也会产生感应电压。所以电磁感应就是因为磁力线穿过闭合回路而产生的,你要减少电压的大小,就要减少干扰的大小,一个就是减少它的磁通量,感应电压与磁通量有关,减少磁通量只能减少面积,减少圈圈的面积,或者减少磁场强度,磁场强度一般很难改变,你只能改变面积。另外,刚才说的干扰是位能改变才会干扰,如果只是一个通到位能不变,它不会干扰,永远是一个1安培,位能不变不会干扰。干扰是位能不断改变,一下子变成1安培,一下子变成2安培,一下子变成3安培,一下子又变成负的安培。


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电磁干扰我们关心的有两种,一种是传导干扰,一种叫做辐射干扰。传导干扰是通过导线,就是电源线或者里面的信号线进行传导、传输的,这叫做传导干扰。另外一种是辐射干扰,辐射干扰是通过空间的,这两种相对来说后面这种辐射更加难。传导干扰还分共模干扰和差模干扰,辐射干扰一般是通过空间互相连接,只要两个设备靠在一起就会产生干扰。辐射干扰也分电场干扰和磁场干扰,就是电场辐射和磁场辐射,但是根据麦格思维方程,电场辐射和磁场辐射都是互相联系在一起,只要你在任何一个空间里面有交电电场,它在旁边也会产生对应的磁场,并且两个可以互相转换。

传导干扰测量原理。这里面传导干扰有两个干扰,一个是共模,一个是差模,这样一个回路是流进入又流出来的,这叫做差模。这两个同时进去从另外一边流出来叫共模,共模干扰很简单,就是以大地为一端,另外一端是以上面的线路、设备,不管什么线为一端测到的电压,这叫做共模干扰。因为测量的时候必须要与一根电路连接,先测三个电压,这是测这个与大地之间的电压,这是测两条线之间的电压,然后得出结算公式。V1=CI-DI,就是共模干扰减去差模干扰。V2=CI+DI,V3=DI,R1、R2、R3、R4为接地电阻,C1为分布电容,如果到检测所去测之前自己一定要先进行摸底测试,用一块垫板或金属板放在下面接地,等于说分布是固定的,利用标准一块板与机器造成分布电容,一般是一个平方米等等,是由他们定的,你可以做试验,测多大都没有关系,但它是固定的,测电视机是什么样,测手机是什么样,这是不一样的。传导干扰测量方法。分布电容在这一块金属板,与它之间产生分布电容,当然用这个板带分布电容,测出来的结果数字越大,这只是用来做对比,以此为基础。我们做摸底可以用大一点测,容易测得到,但你测得不算数。



传导干扰详解。我们讲一讲几个干扰原理,不管是传导干扰还是辐射干扰,在电路里面占的成分最大就是开关电容,大概占了辐射干扰的70%以上,如果可以把开关电容、辐射和传导干扰基本上压制住了,其他就很容易了。在电容一进去以后可以构成回路,这里也构成回路,这里也是构成回路,这几个回路在上面互相之间都会产生电流回路法,之间会互相干扰。这里是对地的分布电容,每个回路里面对地都有分布电容构成一个回路。上面几个会产生差模干扰,这几个属于共模干扰,共模干扰是与大地相关的,就是以地为一端,是测试端或者是电压的一个值。这些回路你都可以看成是一个变压器的线圈,相当于一个感应线圈,只要里面有磁力线穿过都会产生感应电动势,都会通过并合这些线往那边传。

 


这个更加具体,有电力穿过的时候会产生电力线,电力线会产生共模干扰,这几个都是共模干扰,那些都是差模干扰。这些干扰主要是如何产生的?本身线路里面只有电流流过,构成一个线圈或导线都会产生干扰,最大的是变压器漏感,这是其他回路的好几十倍。所以变压器漏感最好进行屏蔽?怎么屏蔽呢?在线圈的外边用一层金属,铝片也好,铜片也好,一般用铜片包起来,包起来应该让它短路,就是用焊丝焊起来,漏感在上面也会产生涡流,一产生涡流就会产生抵消干扰的磁场,就相当于把漏感抵消掉。





减少线路中的干扰,就是信号线或传输线,两根线靠得越近,一个电流往这边流,一个电流往那边流,两个电磁场会抵消掉。也就是说在回路里面产生的感应面积相对越小越好。



电磁辐射干扰原理。主要也是有两种,一种是电场辐射,电场辐射最典型的就是半波阵子,如果上面这根天线的波程是半个波程,电场是最大的,现在一般都很少有半波程,有一段接大地,有一端作为发射天线,像中波天线就是这样,电信天线就是半波阵子。还有一个是磁场天线,磁场天线相当于变压器的回路,不过这个天线有参数,或者半波阵子波程最好是半个波程,根据这个波程发射,不是随便的,长的短的效果是不一样的。电磁辐射产生这两个阵子还会充放电,一下子到正,一下子到负,相当于电容。充放电在这里会产生磁场,这个磁场又产生电阻,这就是麦格思维,不断、不断的传下去,在这里面的旋度等于面积的强度,这就是麦格思维方程。电磁波传播是这样的,辐射原理主要是这个原理。

各种干扰脉冲波形的频谱。辐射和干扰的频率有关,频率一般都是指正弦波,这样比较好理解,对于方波或正弦波的波形,一般我们都可以把它看成是无穷多个上升率不同的波形进行叠加,也就是用基数展开,这是数学表达方式,比较正确是用不同的上升率,不同的波形进行叠加,但上升率不好理解,一般都是用正旋波表示。这里面波种不同的波形,它产生的干扰不一样。这种的频谱是最宽的,这种是高新的,接近于正弦波。120dB的时候是1v,126dB就是2v,大家知道dB是什么吗?它一般用来表示放大倍数,就是输出电压与输入电压之比,取数值大于20。为什么用这个倍数来比?用倍数比相当于把视角范围缩小,让你好看,如果从线性来看,一个毫伏一直到两伏就冲到天上去了,不好看。用对数坐标表示,越往下越压缩,前面是压缩比较小,这边也是。这里变成10,变成了100,变成1000,这是在电工里面用量表示,用倍数表示,每6dB就差1倍,大家记住。这里是60÷20=3,是3个据波,这里是1000微伏,120是正极,1V+6dB=2v。到测试所去测试给一个曲线,很多人问我dB是什么意思?dB就是一个坐标,后面会加一个单位,一个毫伏0dB就是一个毫伏。功率不是20倍表示了,而是用10倍表示,每3dB差一倍功率,电压就是每6个dB差一倍。

另外对于辐射干扰,我们最注意的就是共模干扰,差模干扰相对来说比共模干扰小很多,我们做过一个试验,在同一个导线里面流过的电容,相差的共模干扰是2500倍。上面就是对辐射进行测试,刚才是共模干扰,其他都是传导测试,其实就是辐射干扰测试,一般就是用天线来测,天线的测试原理就是这样的,量天线和大地之间的电压,这个设备与大地之间有分布电容,前面已经说过了,放这个在上面,与板接地产生分布电容。天线也有分布电容,分布电容不是跟设备大小和距离有关,所以测试的时候都有一个标准,固定设备中间距离有多远,天线面积用多大,还有一套天线,很多天线,不只是一个,计最大的那个,就是测试电压最大的那个,天线对辐射会产生谐振。


这就是标准的测试,这里面装了一个宽带天线,专门吸收电磁波,这里面都是塑料和导电橡胶,变成电流波在里面来回辐射,然后吸收掉。测试费用很高,一般都要几万元,如果没有把握好测几次,费用就受不了,最好测试之前自己先测一下。最简单的,就是用一块双面硬纸板,这边做一个正极天线,那边做一个磁电线,一边是接收电场的,一边是接收磁场,一圈、一圈相当于变压器的线圈,两根连起来相当于正极,长长短短可以把频率范围加宽。最好做成半波,但是半波对干扰来说很难定义范围,不过半波实际上也接收得到,只是幅度变小,就做得宽一些,多装几组以后进行测试。你在进行重力测试之前自己先测试,或者他测以后你再测一次,对比哪个频率超标或不合格了,自己再摸底,能够在那边插两个dB,你自己测了之后能插六个dB,那还不合格吗?它只是一个相对数据,因为这种方式也不是绝对科学的东西,而且每个试验室内都有一套标准的东西,只能在我这里测,不能在别的地方测,不管合不合理只能到我这里测,在同等条件下对比,你测试了以后,与他就可以对比差别出来。你在这里比,频率比也有相差,把它压下来就可以了。这个你可以用示波器,这也是常用的,相对来说也不贵,就可以使用,如果没有就用电视机高频头装一个简单的来调也可以,调到后面用一个表进行指示,像调电视台一样,慢慢描出一个曲线出来都可以。

 

 




什么是EMC?其实对于用户来说,他最关心的是EMC,但对于产品生产者来说EMI又是最关键的。因为EMI是电磁干扰,电磁干扰你生产出来的设备会干扰别人的设备,比如说电视机干扰别人的收音机,或者会干扰人家的手机,这就不行了,因为就把频率变成有偿资源,政府要卖钱的,卖给使用者以后,使用者就有权利要求你卖给我的频率一定能用,所以大家定了一个法则,法则定得太高不行,定得太低也不行,双方要有一个协议,定出来就是电磁兼容。电磁兼容是使用方和设备生产方两方协商的,一般执行都是权力部门,不是生产方来定。我们国家在1996年以前不管这样的东西的,为了监管,1996年以后我们引入EMC,就是电子兼容的概念,现在我们出口的产品都要经过EMC的认定,你没有经过EMC认定就不行。EMC认定一般有6个方面,以前只有3个方面,现在有6个方面,除了电磁场干扰以外还有安全性,安全现在也放到EMC里头去了。安全在每个国家都不一样,美国的法规放得比较松,相对来说没有欧洲那么严,但消费者要认这个东西,不管法律。比如uL认证,美国法律就没有规定,没有说产品一定要经过UL认证,但消费者认这个东西,你经过了认证我就认你,不经过我就不认你,欧洲都是有法律制定的。
 
我们后面再讲很具体的电路问题。很多人对地的概念不是很清楚,也不了解,现在很多人都把电路里面的公共关说成地,具体是不是?我们先介绍几个概念。一般按照道理,最早地就是大地,后来地慢慢习惯用到设备里面,包括外壳、输入线,比如说示波器或者信号线,与大地连在一起,有的不连,现在就变成了一个很模糊的概念,我们就把热地、冷地、浮地、接地几个概念简单介绍一下。这个符号是比较标准的接地符号,就是接大地的,不管哪个设备接地都是这个符号。热地国家还没有标准,大部分都习惯用这个箭头作为热地。冷地国家也没有标准,大家都接受是这样的,这三个地基本上电工里面都有明确定义的,这个地就是接大地,热地就是里面整流出来电源的某一端是公共端,人去摸它会带电,会电死人,和前面的火线会产生回路电流,会电到人,所以这个叫做热地。还有一个通过电子耦合以后没有电的关联,只有磁场关联,你去量根本没有回路,叫做冷地,手是可以摸的。但是你不要以为它是冷地就不带电,实际上它还是带电,为什么带电?大家可能一下子不是很清楚,它带的是静电,相当于极化带电,就是线圈通过感应以后,一头带负的,一头带正的。电容机也是,有一头带电,有一头不带电,这一点还是带负电,不带电的没有跟电路连接,定位与大地一样,所以叫做浮地。对应的不是与大地相等,但没有与大地连接,拿电表来量这一点与大地没有电压。浮地的信号现在还没有,如果大家参考的话可以参加这个符号来用,这个地方电位等于零,当两边发生变化就用这个来表,对电路分析有好处,特别是严重干扰的时候一定要把浮地找到,因为电位越高的地方电容越容易干扰,电位等于零,也就是浮地和电位是越低的地方干扰就越小。

 




为了降低传导干扰,现在一般在输入电路里面都要加滤波器,这边是设备产生的干扰,通过这几个滤波以后就会把几个电压降低,这两个电容是共模的滤波电容,这几个有共模电感,也有差模电感,因为共模电感的体积比较大,成本比较高,所以大家都没有用,都在用共模电感代替。因为共模电感本身有漏感,漏感对差模来说也有抑制作用,所以相对来说用共模电感代替差模电感,成本可以大大降低。这两个电容很关键,在安全里面两个的和不能超过470b,为什么?安全测试的时候在安全设备上加2500v交流电来测与地的漏电,如果超过2.5毫安就算不合格。这样算的话50就是2500v电压,算出来的电压不能超过470b。按照共模预计,这两个做得更大一点,最大不能超过4700v。这是差模电容,差模电容没有要求,用的越大越好。但是用得越大也有一个问题,把电容线拔掉的时候上面带电不能超过,所以这里必须加一个放电电阻,这边大的以后也可以加一个放电电阻,充电拔掉以后,下面人不能摸,会电到人,所以用放电电阻把它放掉。

这是网友发给我的,他说测试很多次都不能过关,怎么处理?这是很简单的开关电容,我们拿这个来分析一下。这是变压器的几个腿,开关管接在这个地方,也就是说开关管的漏值或极电值接在这里,这是电源的输入,这是滤波电源,测出来的曲线在这里,以这条线为标准,以下就合格,超过不算合格,要求它降下来。传导干扰基本上是勉强通过的,如果接上负载以后脉宽不断地调整,相对来说测得比较低。不是说一直过不了,我们分析原因,它认为干扰变压器这一点干扰幅度是最高的,就是变压器输入这一段,如果能够降低干扰,不一定能够是电流回路越小越好,导线越短越好,面积越小越好,他知道这个干扰最厉害。但是又聪明过头,认为干扰越大越厉害,通过电容把电压接到地上,不是好了吗?这就是把干扰幅度很高的地方用电容接地,让它降低干扰不是很好吗?这个想法好像很聪明,实际上这是不对的,因为这里没有地,导电模上都没有接大地,把这个连起来以后,通过电容连起来,整个这边这一片都变成辐射天线了,面积增大了,电场感应的感应强度和面积有关,就是分布电容大小,分布电容大小就是导体的表面积。连起来就变成无线天线,这是不科学的,把电容去掉就好了。


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