1、电磁兼容与防静电技术电磁兼容授课参考大纲第一节电磁兼容技术基础1. 基本概念2. 电磁兼容与电子新产品开发3. 电磁干扰源及特性4. 电磁兼容一般方法第二节电磁干扰分析方法1. 电磁拓扑分区2. 电磁耦合顺序图3. 电磁干扰作用途径4. 电磁辐射干扰分析5. 传导干扰分析. 电容耦合. 电感耦合. 公共阻抗耦合6. 保证电磁兼容措施第三节电磁兼容技术基础1. 电子设备组装设计概述. 逻辑分区. 器件布局2. 印刷电路板布线设计. 印刷电路板允许噪声分配. 数字信号及设计频率范围. 印制线长度要求. 3-W和20H原则. 镜像对销和隔离技术3. 电子设备及多层印制板接地设计. 多层印制板接地设计
2、原理. 多层印制板接地方式. 多层印制板接地电路. 多层印制板接地隔离技术第四节多层印制板电磁兼容设计关键技术1. 多层印制板电磁兼容设计原则2. 各种净化电容设计. 集成电路元件的电源保证. 电容的自谐振频率. 电容量计算. 开关元件的平滑电容3. 时钟电路设计. 需要考虑的带宽. 阻抗控制. 传输延迟. 容性负载的影响. 时钟线的终端处理. 时钟电路印制线条的布线方法. 减小时钟电路辐射的方法. 时钟电路引起的串音、保护线安排第五节电子设备的屏蔽与接地设计一、屏蔽与接地原理. 高频接地屏蔽. 低频屏蔽原理. 屏蔽与接地二、电缆屏蔽设计1 屏蔽电缆的屏蔽原理2 电缆屏蔽效果与接地3 电缆成束
3、与空间布局第六节电子设备接口的电磁兼容设计1. I/O电路设计和连接器的电磁兼容特性及正确使用. 连接器接地不当产生的辐射. 连接器的分区和接地. 特殊功能连接器第七节电子设备的结构性辐射1. 共模电流与差模电流. 共模电流与差模电流的概念. 共模电流与差模电流辐射发射特性. 共模电流与差模电流辐射发射的估算2. 设计方法. 共模电流与差模电流转换的原理. Hartin结构分解法第八节防静电设计1. 静电设计基本原理2. 材料防静电性能3. 人体的静电模型4. 防静电硬件设计5. 防静电软件设计第九节系统接地工程1 系统接地原理2 用电系统3 接地规范4 大地电学特性第十节电磁兼容测试常用仪表
4、1 电磁兼容测试与建模2 示波器用于EMI测量3 EMI接收机用于EMI测量4 频谱分析仪用于EMI测量5 窄带干扰与宽带干扰第一节电磁兼容设计基础一、基本概念二、电子新产品策划基本过程三、影响电子设备的干扰源及特性四、电磁兼容一般方法电子产品开发参考过程电子产品开发参考过程达到电磁兼容的成本电子战是现代战争的特色n HEMP n HPM 0.01-1W/ cm2干扰,0.01-1W/ cm2 毁坏芯片, 10-100W/ cm2 永久性损伤, 1000-10000W/ cm2 烧毁n 电子对抗n 电磁弹FCG n “空爆弹” 的无线电引信n 无源探测定位, 电磁制导导弹n EMSEC-TEM
5、PEST,特洛伊木马,无线病毒。电磁寄生1公里,LAN为10公里,海南声音识别 电话窃听n C4I对抗:指挥、控制、通信、计算机和情报第二节电磁干扰分析方法1.电磁拓扑分区2.电磁耦合顺序图3.电磁干扰作用途径4.电磁辐射干扰分析5.传导干扰分析. 电容耦合. 电感耦合. 公共阻抗耦合6. 保证电磁兼容措施电磁环境的组成一个简单的电磁干扰模型有三个基本要素： 1 存在电磁干扰能源。2 存在一个受电磁干扰的设备，当电磁干扰超出容许的界限时，被干扰设备性能会发生混乱。3 在干扰和受干扰设备间存在耦合通道传递电磁能量必须同时具备三个基本要素才会发生电磁干扰。如果去除了其中之一，就不会发生电磁干扰。所
6、以，工程师的任务就是要决定哪一个因素是最容易消除的。一般地说，在设计印制电路板时，消除主要的射频干扰源是最廉价有效的方法（称为电磁抑制）。干扰源是产生初始波形的主动因素。印制电路板必须设计成使产生的电磁能量只限于需要的装配部件处。电子设备的电磁兼容水平包括以下两个性质截然不同的方面： 1 电磁发射（EMI）：设备传播的电磁干扰有辐射干扰和传导干扰。2 电磁敏感度或抗扰度（EMS） ：受影响设备或敏感设备所遭受的伤害效应，包括电磁干扰EMI、静电放电（ESD）和电力过电压（EOS）等形式的伤害。此外,还要满足特定用户应用环境下的要求。常见的电磁干扰源及特性 自然界的电磁干扰源：雷电放电、太阳黑子
7、爆发、日辉和地球磁暴等 人为的电磁干扰源： 连续干扰源 设备工作时产生的，辐射或传导干扰脉冲干扰源 电磁瞬态过程,有很宽的频谱,向空间辐射间接干扰源 与机械运动有关，如车，船和飞机的壳体与空气中的尘粒、烟尘、雪片等摩擦起电。接触干扰源 金属的接触面具有复阻抗特性，振动、颠簸、撞击时，接触阻抗是可变的。外界强辐射场产生感应电流，由于接触阻抗的作用会产二次辐射。辐射频谱为原辐射频谱加接触阻抗变化的调制,产生附加频率分量。停止运动时这种干扰便消逝。典型的人为干扰源及特性点火系统：脉宽1毫微秒到数百毫微秒，30300 兆赫间的频带内最强，电性干扰可达500微伏/ 米，6080米输电线系统：0.1到15
8、0KHz的范围，辐射干扰的脉冲宽度较大为14KHZ到1GHZ重复频率较低。电晕放电产生高频振荡，正半周的电晕有较强的放电并伴随着发光。电感性设备：电动机、电弧焊设备和变压器等设备，不规则的脉冲流，频谱约为10K到1G。开关器件和继电器：伴随着触点开合着有气体放电和电弧放电。电弧放电是触点的金属高温汽化形成电流通路，没有气体也产生电弧放电。电子设备内部的干扰源TTL的开关噪声：开关电流，几十到几吉赫的高频， 产生的须状噪声约0.51.5伏，宽5-10纳秒。TTL逻辑元件也极易受影响，2伏20纳秒的噪声就使TTL逻辑器件发生误动作。动态RAM：DRAM利用电荷存储数位信息，充放电电流的峰值为100
9、MA，频率可达，100MHz，电源线和接地线产生串扰和公共阻抗噪声。电源和接地：电源投入的过渡过程，负载变化产生快速脉冲电流，经电源和接地通路产生干扰。振荡器体及变压器：工作时会在周围辐射高频电磁波。静电放电和I/O端的干扰：经过信号线和连接器，外界的电磁干扰进入电子设备，内部干扰源向外辐射。30 2005年6月保证电磁兼容性 元件、部件级的电磁干扰来源于元件之间的电磁耦合，通常由元器件的分布电气参数决定强弱。性质属于近区电磁场的作用，用电路的概念建模，有电容、电感耦合或公共阻抗的耦合。 设备级的电磁干扰与电磁环境，电子设备之间和电子设备内部的电磁耦合有关。 综合系统和系统级用系统论方法：1、
10、系统的电磁干扰、耦合和敏感性描述，测量和实验。2、系统电磁兼容建模。3、确立参数指标。4、合理组织。 业务级的电磁兼容:各种组织方法,如无线电管理委员会等。电磁拓扑分析法n 把一个系统分解为相对简单的有机组成部分n 在电子系统中实现EMC目标的主要技术是在干扰源和敏感设备之间设置屏障：将需要防护的区域用封闭的金属体包围起来，在电磁穿透点加装适当的防护器件。n 电磁场等强度区的几何分布关系就称为系统的电磁拓扑状态或电磁拓扑图n 等电位面的方法和电力线和磁力线方法n 电磁拓扑图上有电磁能量密度电压、电流、频率和功率等参数。32 2005年6月透入屏蔽外区电缆屏蔽S2 Vo V1 机身屏蔽S1 20
11、05年6月V2 孔缝透入（门,窗等) 电路S3 V3 入射EMI 能量直接注入点天线33电磁耦合顺序图n 造成当前的电磁拓扑状态的原因及维持系统中不同电磁拓扑状态之间秩序的耦合关系或动态平衡关系，这种分析的过程展开就给出电磁耦合顺序图n 电磁耦合顺序描述的是电磁波传播的过程，耦合的过程。导行电磁波；交变电磁波。n 电磁耦合顺序图可以根据基本的传输方程、波动方程、已有的样板研究成果以及基本的电磁过程的模板的分解和迭加的方法进行。n 电磁耦合顺序图应该标示出相应的耦合参量、传输参量、通道特性、电容、电阻、电感、信号波形、天线增益和方向图等。34 2005年6月设计基本过程把系统分解为相对简单的组成
12、部分1. 功能板2. 背板3.机架与机柜4.器件布局在干扰源和敏感设备之间设置屏障1.金属屏蔽2.滤波器3.接地印制线条4.护沟电磁干扰的出入点（POE）配置防护器件限制EMI经过这些POE进入1.滤波器2.磁环3.垫圈4.共模缓存放大器5.光电配合电磁兼容设计、问题排查性测试，验证达到电磁兼容标准的预测试达到电磁兼容指标的花费最小是设计准则。35 2005年6月电磁干扰作用源分析 干扰三个要素：1、干扰源的大小和特性。2、电磁干扰作用的途径。3、设备对电磁干扰的敏感度及防护措施。r 辐射干扰： 远区场 近区场2 lp 3米，100兆赫约0.5米电场经耦合电容、磁场经互感2 2D 需要采用全波
13、解l 0.15时, 可以用多点接地; 0.05 f . 0 75 . 0 - 4S o d o5 . 0 + 0. aW + t 2235c 0 r d d 3 r uuu S e ou u ou 83c a 接地线拓扑b ( a ) 单点接地( b ) 一点并联( c ) 多点并联单点串联接地：最简单，但具有最大的干扰电平，低频时用（1M以下） 一点并联接地：接地导线长，难以保证接地的低阻抗，会产生明显的接地导线间的电磁耦合多点接地：容易形成接地回路，接地回路面积大而引入很大的电感耦合型的干扰84 2005年6月数字回路系统级接地接地系统是不同电流的共同回流路径，必须设计接地结构保证电流经不同途径回到原需要的电路。接地平面应当每隔0.05接地一次。电源地、数字地、模拟地要分开，最终单点汇接到机壳上。拓扑结构如图2005年6月电源回路模拟回路850.1uF 浮地的隔离技术1mH 0.1uF 1mH 正态扼流圈1mH 共态扼流圈2005年6月
