第六章 智能电器监控器的电磁兼容性设计(Electro Magnetic Compatibility, EMC)

本章主要内容和要求：

了解电磁兼容基本概念

介绍智能电器监控器电磁兼容的基本问题

提高抗干扰能力的软硬件措施

电磁兼容的试验方法

课件主要改编：杨继深 ，电磁兼容培训胶片

为什么要掌握电磁兼容技术

因为： 电子电路日益复杂，调试越来越难 电磁兼容标准强制实施 市场竞争日益激烈，开发周期越来越短

6.1 基本概念

电磁干扰现象 电磁兼容标准 电磁兼容试验设备

一、电磁干扰现象

开关电源

数字脉冲电路

数字视频设备

220AC

电磁兼容性 EMC 包括：电磁干扰 EMI

电磁敏感性 EMS

EMI ：指能够产生电磁干扰的设备，在工作时不会使同一电磁环境 中的其它设备不能正常工作。

EMS ：指设备或在包围它的电磁环境中能够不因干扰而降低其工作性能。

在智能电器电磁兼容性设计中主要集中在：在智能电器电磁兼容性设计中主要集中在：

降低其电磁敏感性，以提高抗干扰能力。

产生电磁干扰的条件

1.突然变化的电压或电流，即 dV/dt 或 dI/dt 很大

2.辐射天线或传导导体

设计中，遇到电压、电流的突然变化，需要考虑潜在的电磁干扰问题

常见干扰源雷电NEMP( 电磁脉冲 )

脉冲电路ESD（静电放电）

无线通信

感性负载通断

直流电机、变频调速器

电磁干扰的传播方式有两种：

① 辐射：电磁干扰的能量通过空间磁场、电场或电磁波的形式，使干扰源与受干扰体之间产生耦合。

② 传导：电磁干扰的能量通过电源线和信号电缆，以电压或电流的方式传播。

（ 1 ）传导耦合

① 电阻性耦合

② 电容性耦合

③ 电感性耦合

（ 2 ）辐射耦合

① 天线耦合

② 场对导线的感应耦合

二、电磁兼容标准与试验

分析环境中的各种电磁干扰

分析设备受电磁干扰的机理

编成电磁兼容标准

试验项目

试验方法

电磁兼容标准

1 、电磁兼容标准的内容1 、电磁兼容标准的内容 电磁兼容标准

干扰发射 敏 感 度

传 导 辐 射 传 导 辐 射

电源线

信号/

控制

线 天线端口

电 场

磁 场

电源线 / 信号线

射频

瞬态 天线端口

电

场

磁

场

静

电放电

电磁兼容标准体系

基础标准

电磁兼容标准

通用标准 产品标准

被引用到被引用到

标准编号的识别国家或组织 制订单位 标 准 编 号 IEC CISPR CISPR Pub. IEC TC77 IEC 欧共体 CENELEC EN 美国 FCC ， DO

D FCC Part , MIL-STD.

日本 VCCI VCCI

中国 质量技术监督局 , 国防部门

GB - GJB -

电磁兼容试验的目的

了解设备在实际环境中的适应性

取得相关的认证证书

试验方法遵守一定的规则

试验方法比较随意，以容易

通过为准则

电磁兼容试验的原则之一

所连接的外围设备受试设备处于

实际使用状态

电缆的种类、布置、长度等

接地状态

软硬件的工作状态

电磁兼容试验的原则之二敏感度试验时处于最敏感状态

（例如：做电缆传导敏感度试验时，设备

读取电缆上的数据）受试设备处于

最坏状态 发射试验时，处于最大发射状态

（例如：测量打印机辐射发射时，

打印处于打印状态）

电磁兼容试验的原则之三

测量辐射发射时，找最大辐射面采用最坏的数据

天线极化方向改变，找最大值

2 、典型电磁兼容试验项目

• 辐射发射（电场、磁场）• 辐射抗扰度（电场、磁场）• 传导发射（射频发射、电源谐波）• 传导抗扰度（射频、电快速脉冲、浪涌）• 静电放电（直接、感应）

电磁兼容试验场地

电磁发射试验

敏感度或抗扰度试验：

开阔场（民用标准）

屏蔽暗室 (半无反射室 )

可在普通环境中，但是注意对周围设备的影响

（ 1 ）开阔场地要求长 轴 20 米

椭圆区内无金属物体

金 属 地 平 面

短 轴 17.32 米

天线与受试件距离 10 米

不同的天线在 1~4米高度内变化，找出各种极化方向下的最强辐射值

受试件放在 0.8 米高的木桌上

开阔场实景

马达驱动高度扫描天线杆

天 线

EUT 防雨棚

转 台 和 桌 子

金属网地面

椭 圆 区 内 没 有 其 它 物 体

equipment  under test

（ 2 ）电磁兼容试验室的结构

带风扇的通风板 主室 辅助室 2

辅助室 1可拆卸的滤波板或观察窗

射频测试仪器柜

电源滤波器屏蔽门刀口结构

电磁屏蔽室

电源滤波器

通风板

电缆接线板

通风板

线路阻抗稳定网络 (Lincolnshire Information Services Network)

LISN

LISN 的电路

（ 3 ）辐射发射测试

EUT

旋转找最大面

0.8m

1 ~

4m

1 、 3 、 10 、 30 米

屏蔽墙

测试仪

( 装置设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力 )（ 4 ）抗扰度试验

（ 5 ）磁场敏感度试验

（ 6 ）浪涌（模拟雷电干扰）试验波形

浪涌试验内容

（ 7 ）电快速脉冲（ EFT 或 FTB ）试验波形

双指数脉冲 15ms脉冲串(5kHz)

脉冲串间隔是 300ms

干扰注入方式

电源

脉冲输入

受试件

电源线注入

信号线注入

耦合钳，或在电缆上绕金属箔， 长度 1米，产生大约100pf电容

电快脉冲试验容性卡钳距参考地100mm, 轮流卡每根电缆

EUT 与参考地平面之间的距离大于 100mm

参考地平面的每个边要超出 EUT100mm并与大地相连

EUT 与发生器或卡钳之间的电源线或信号线长度小于 1 米

脉冲群信号源

连辅助设备与端接

（ 8 ）静电放电

＋＋＋＋

＋＋＋＋＋

＋＋＋＋

＋

＋＋＋

＋

放电电流 I

静电枪电原理路

接地端

放电端 放电开关 放电枪核心

静电放电试验装置

水平耦合板

>1.60.8m

EUT绝缘垫垂直耦合板

500mm 正方形，距 EUT100mm

直接对 EUT 放电 垂直板间接放电

绝缘桌参考地板 > 1m2

边沿比耦合板外延 > 500mm

耦合板通过 470k 电阻接地

对于落地设备，水平耦合板 =垂直耦合板， EUT 放在 100mm厚的绝缘板上

水平板间接放电

（ 8 ）频谱分析仪

幅度

频率

扫描速率（时间）

分辨带宽

频率范围

EMC 分析更多是在频域中进行，并且不考虑相位因素。

3 、电磁兼容的工程方法3 、电磁兼容的工程方法

1 测试修改法 2 系统设计法可采取的措施

电路

结构封装

屏蔽

滤波

软件

成本措施

概念 设计 产品 市场 阶段

6.2 地线干扰与接地技术

为什么要地线 地环路问题与解决方法 公共阻抗耦合问题与解决方法 各种接地方法 电缆屏蔽层的接地

安全地

220V

0V

+ + + + +

1、为什么要地线？

信号地定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径

地线引发干扰问题的原因

V = I R 地线电压地线是等电位的假设不成立

导线的阻抗

Z = RAC + jL

= 1 / ( f r r)1/2

RAC= 0.076r f1/2 RDC

r

电流

深度0.37I

I趋肤效应

μr和 σ r 分别为屏蔽材料的相对磁导率和相对电导率。

导线电感长度为l ,直径为在d的导线电感值由以下近似公式计算

L和d单位均为cm

PCB走线电感

其中W为走线宽度。注意PCB走线电感与敷铜厚度无关。从以上对数关系可以看出若PCB走线长度减少一半，则

电感也减少一半。但走线宽度必须增加10倍才能减少一半电感。过孔电感

h为过孔深度单位mm(其等于板厚）d为过孔直径单位mm

导线的阻抗频率

Hz d = 0.65cm 10cm 1m

d = 0.27cm 10cm 1m

d = 0.06cm 10cm 1m

d= 0.04cm 10cm 1m

10Hz 51.4 517 327 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m

1k 429 7.14m

632 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m

100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07

1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6

5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53

10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106

50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530

100M 42.6 54 71.4 77

150M 63.9 81 107 115

2 、地线问题－地环路

IG

VG

VN

地环路

I1

I2

解决方法 - 隔离变压器

CP

VG

VS

VN

RL

屏蔽层只能接2

点！

C2

VG1 2

C1

屏蔽

使用变压器实现设备之间的连接利用磁路将两个设备连接起来，可以切断地环路电流。但要注意，变压器初次级之间的寄生电容仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路，因此变压器隔离的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。提高变压器高频隔离效果的一个办法是在变压器的初次级之间设置屏蔽层。但一定要注意隔离变压器屏蔽层的接地端必须在接受电路一端。否则，不仅不能改善高频隔离效果，还可能使高频耦合更加严重。因此，变压器要安装在信号接收设备的一侧。经过良好屏蔽的变压器可以在1MHz以下的频率提供有效的隔离。

光隔离器

发送 接收RL

VG

VS

光耦器件Cp

发送 接收RLVS

VG

使用光隔离器另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输。这可以说是解决地环路干扰问题的最理想方法。用光连接有两种方法，一种是光耦器件，另一种是用光纤连接。光耦的寄生电容一般为2pf，能够在很高的频率提供良好的隔离。光纤几乎没有寄生电容，但安装、维护、成本等方面都不如光耦器件。

共模扼流圈

Vs

R1

R1

RL

L

VG

IN1

IN2

ISVS + VNM

所谓共模扼流圈是一种特殊方式绕制的电感,它对差模电流没有电

感,仅对共模电流呈现电感.

作用:增加了地环路的阻抗,从而减小了地环路电流的影响.也可以认

为一部分噪声电压降在了共模扼流圈上,减小了对电路的影响.

在两台设备互连线上安装共模扼圈的简单方法:将整束电缆绕在铁

氧磁环上.

注意: 共模扼流圈的电感量越大,共模扼流圈的效果越好.但实际不是

这样,实际是共模扼流圈上还有寄生电容,它与共模电感是并联的.

当频率较高时,电容的容抗较小,将干扰旁路绕过电感.

共模扼流圈的匝数越多,对频率较低的地线噪声抑制效果越好,而对

频率较高的地线噪声的抑制作用则减弱.因此,在实际工作中,需要根

据地线噪声的频率特点,调整共模扼流圈的匝数.

共模扼流圈中的负载电流产生的磁场相互抵销，因此磁芯不会饱和。

共模扼流圈

电感磁芯的选用

铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低，作差模扼流圈的磁芯

铁氧体：最常用锰锌： r = 500 ~ 10000， R = 0.1~100m

镍锌： r = 10 ~ 100， R = 1k ~ 1Mm

超微晶： r > 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心

干扰抑制用铁氧体Z = jL + R

R

Z

L R(f)

1MHz 10MHz 100MHz 1000MHz

平衡电路对地环路干扰的抑制

VG

RS1

VS1

RS2

RL2

RL1

VS2

IN1

IN2

IS VL

地线问题－公共阻抗耦合

电路 1 电路2

地电流 1 地电流2

公共地阻抗

V

~

~

~

改进 1

改进 2

接地方式种类

信号接地方式

并联单点接地 串联单点接地

混合接地 多点接地 单点接地

单点接地

1 2 3 1 2 3

串联单点接地

优点：简单

缺点：公共阻抗耦合

并联单点接地

优点：无公共阻抗耦合

缺点：接地线过多

I1 I2 I3

I1

I2

I3

A B C

A

BC

R1

R2 R3

串联单点、并联单点混 合接地

模拟电路 1 模拟电路 2 模拟电路 3

数字逻辑控制电路数字信息处理电路

继电器驱动电路马达驱动电路

线路板 上的地线

噪声模拟

数字

6.3 干扰滤波技术

干扰滤波在 EMC 设计中作用 常用滤波电路

滤波器的作用信号滤波器

电源滤波器

切断干扰沿信号线或电源线传 播的路径，与屏蔽共同构成完善的干扰防护。

低通滤波器类型

C T

L 反

根据阻抗选用滤波电路

源阻抗 电路结构 负载阻抗 高 C、、多级 高 高 、多级 低 低 反、多级反 高 低 L、多级 L 低

规律：电容对高阻，电感对低阻

插入损耗的估算

Fco = 1/(2 Rp C)

ZL

~

Zs、 ZL并联

C

IL = 20

lg(CRp)

IL

IL = 20

lg(L/Rs)

Fco = Rs/(2 L）

Zs、 ZL串联

~

Zs L

Zs

ZL

器件参数的确定L

CR R

L = R / 2FC C = 1 / 2RFC

对于 T 形（多级 T ）和 形（多级）电路，最外边的电感或电容取 L/2 和 C/2 ，中间的不变。

实际电容器的特性

实际电容

理想电容

f

引线长 1.6mm 的陶瓷电容器

电容量

谐振频率 (MHZ)

1 F 1.7 0.1 F 4 0.01F 12.6 3300 pF 19.3 1100 pF 33 680 pF 42.5 330 pF 60

1/2 LC

C L

ZC

温度对陶瓷电容容量的影响0.15

-0.15

0

-55 125

5

-15

0

-55 125

-10

-5

COGX7R

-60

20

-30 90

-30

0

Y5V

30

%C

%C

电压对陶瓷电容容量的影响

COG

X7R

Y5V

20

0

-20

-40

-60

-800 20 40 60 80 100

%额定电压（ Vdc）

%C

实际电感器的特性

理想电感实际电感

f

电感量 （ H ）

谐振频率 (MHZ)

3.4 45 8.8 28 68 5.7 125 2.6 500 1.2

绕在铁粉芯上的电感

1/2 LC

L

C

电感寄生电容的来源

每圈之间的电容 CTT导线与磁芯之间的电容 CTC

磁芯为导体时， CTC 为主要因素，

磁芯为非导体时， CTT 为主要因素。

克服电容非理想性的方法

衰减

电容并联 LC 并联 电感并联

小电容大电容 并联电容

频率

大容量 小容量

磁芯对电感寄生电容的影响

铁粉芯 C = 4.28pf C = 3.48pf 19%

铁氧体（锰锌） C = 51pf C = 49pf 4%

减小电感寄生电容的方法

然后：

1. 起始端与终止端远离（夹角大于 40度）

2. 尽量单层绕制，并增加匝间距离

3. 多层绕制时， 采用 “渐进”方式绕，不要来回绕

4. 分组绕制 （要求高时，用大电感和小电感串联起来使用）

如果磁芯是导体，首先：

用介电常数低的材料增加绕组导体与磁芯之间的距离

使用形滤波器的注意事项

滤波器接地阻抗预期干扰电流路径

实际干扰电流路径

线路板 上滤波的改进方法

机箱内干扰

被滤波器挡住被滤波器旁路掉

面板滤波器

电源线无泄漏

6.2 智能电器中的电磁干扰抑制措施从三个方面着手：

① 降低干扰源的电磁辐射水平

②切断干扰的传输和耦合途径

③ 降低接收元件的敏感性1 、硬件抗干扰措施

（ 1 ）消除电源噪声

①交流隔离变压器和滤波

② 直流稳压源的选用和滤波

③ 分离供电系统

（ 2 ）接地技术

（ 3 ）合理的系统布局

（ 4 ）传输线技术

① 传输线阻抗匹配

② 外部配线抗干扰措施

2 、智能监控单元软件的抗干扰措施（ P162）

（ 1 ）增加看门狗

（ 2 ）软件陷阱和指令冗余

（ 3 ）无扰动的重恢复技术

（ 4 ）监控单元的自检

（ 5 ）采用 平滑技术