1、第4章 电磁兼容工程方法,4.1 接地 earthing (grounding) 4.2 搭接 bonding 4.3 屏蔽 shielding 4.4 滤波 filtering,4.1 接地,本节主要问题：接地含义与分类安全接地信号接地地线中的干扰减少地线中的干扰措施,4.1.1 接地含义与分类,一、接地含义,1. “地”：“大地”、“系统基准地” 2. 接地就是指在系统的某个选定点与某个电位基准面之间建立低阻抗的导电通路。3. “接大地”：地球的电位作为基准 4. “系统地”：信号回路的基准导体,二、接地分类,4.1.2 安全接地,安全接地就是采用低阻抗的导体将设备的外壳连接到大地上，使操
2、作使用人员不致因为设备外壳漏电或故障放电而发生触电危险。,一、设备安全接地,任何高压电气设备及电子设备的机壳、底座都需要安全接地，以避免高电压直接接触外壳或避免由于内部绝缘损坏造成漏电打火使机壳带电，否则人体触及机壳就会触电。,机壳接地的作用：,(a) 机壳通过杂散阻抗带电,当机壳与地绝缘，即,若U1足够大危险。,当机壳接地，即,人触及接地机壳，因人体的阻抗远大于0，则大部分电流将经地线流入地端，因此不会有电击的危险。,机壳接地的作用：,(b) 机壳因绝缘击穿而带电,若人员触及机壳，电力线的电流将直接经人体进入地端。,如果实施了接地措施，当发生绝缘崩溃或电力线触及机壳时，会因接地而使电力线上有
3、大量电流流动而烧掉保险丝，使机壳不再带电，而不会有电击的危险。,二、接零保护接地,单相三线制供电线路,四线制供电线路,三、防雷接地,防雷接地就是将建筑物等设施和电气设备的外壳与大地连接，将雷电电流引入大地，从而保护设施、设备和人身安全，使之免遭雷击，同时消除雷击电流窜入信号接地系统，以避免影响电气设备的正常工作。,(二) 信号接地,信号接地就是通过信号地为电流回流到信号源提供一个低阻抗通路。信号接地的目的除了用于防止内部高压回路与外壳相接以保证工作安全外，更重要的是为电子设备内部提供一个作为电位基准的理想导体作为接地面，以保证设备的工作稳定。 理想的基准导体（或称接地平面）必须是一个零电位、零
4、阻抗的物理实体 ，不存在 工程实践中，常采用模拟信号地和数字信号地分别设置，直流电源地和交流电源地分别设置，大信号地与小信号分别设置，以及干扰源器件、设备（如电动机、继电器、开关等）的接地系统与其它电子、电路系统的接地系统分别设置，以抑制电磁干扰。,信号接地,信号接地可以分为单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地（简称浮地）,信号接地,三、地线中的干扰,在具体的电子设备内，这种理想地线是不存在的。任何地线既有电阻又有电抗，当有电流通过时地线上必然产生压降。另一方面，地线还可能与其它线路（信号线、电源线等）形成环路，当交变磁场与环路交连时，就会在地线中产生感应电势。不论是地电流在地线上产生的压降
5、还是地环路所引起的感应电势，都有可能使共用该地线的各电路单元产生相互干扰。,1.地阻抗干扰,2. 地环路干扰,3. 地线中的等效干扰电势,小结,地线干扰是造成设备（或系统）内部各单元之间耦合的重要因素之一 根据地线中干扰的形成机理，减小地线干扰的措施可归纳为：减小地线阻抗和电源馈线阻抗；正确选择接地方式和阻隔地环路等。,四. 减小地线干扰的措施,变压器耦合,2. 纵向扼流圈,3.电路单元间用同轴电缆传输信号,4.光耦合器,5. 用差分放大器减小由地电位差引起的干扰,4.2 搭接,定义：电气搭接是指用低阻抗导体将装置、设备或电子系统的元件或微型组件进行电气连接。 目的：搭接的目的是在两金属间为电
6、流的流动建立低阻抗的通路，以避免在相互连接的两金属之间形成电位差，因为这种电位差会产生电磁干扰。通过搭接可保证系统电气性能的稳定，有效地防止由雷电、静电放电和电冲击造成的危害，实现对射频干扰的抑制。可以这样说，搭接使屏蔽、滤波等设计目标得以实现。,搭接种类,直接搭接和间接搭接。 直接搭接，是在互连的元件之间不用辅助导体而直接建立一条有效的电气通路。是通过熔焊、硬钎焊、软钎焊把两金属搭接在一起，也可利用螺栓、铆钉或夹箍在配接表面间保持高压力来获得电气连续性。 间接搭接，是利用中间过渡导体（搭接条或搭接片）把欲搭接的两金属构件连接在一起。 优先的搭接方法是不用另外的导体把物体搭接在一起。但在某些情
7、况，由于操作要求或者设备的位置关系，往往不能进行直接搭接，这时就必须引入辅助导体作为搭接条或搭接片来进行间接搭接。,搭接的方法,搭接的方法 有许多方法可以实现两金属体之间的永久性接合，譬如，熔接、钎焊、熔焊、低温焊接、冷锻、螺栓连接、导电胶等。搭接的首选方法是熔焊，其次是铜焊和锡焊。若能在搭接之前预先对欲搭接的金属表面进行机械加工处理，并清除接触面上各种非金属覆盖层，则采用螺栓、铆钉等紧固件对两金属进行半永久性接合，也可得到满意的效果。,实现良好搭接的一般原则,不良搭接造成的后果,实现良好搭接的一般原则,（1）良好搭接的关键在于金属表面之间的紧密接触。被搭接表面的接触区应光滑、清洁、没有非导电
8、物质，紧固方法应保证有足够的压力将搭接处压紧，以保证即使在受到机械扭曲、冲击和振动时表面仍接触良好。 （2）尽可能采用相同的金属材料进行搭接，若必须使用两种不同金属搭接时，应选用在电化序表中位置相距较近的两种金属进行搭接，以减小电化腐蚀。此外，可在两种不同类金属搭接的中间插入可更换的垫片，一旦受腐蚀可定期更换。 （3）要保证搭接处或搭接条(片)能够承受预料的电流，以免因出现过载而熔断。 （4）搭接条(片)应尽量短、粗(宽)、直，以保证搭接低电阻和小电感。 （5）对搭接处应采取防潮和防其他腐蚀的保护措施。譬如，搭接后涂上环氧树脂，填逢剂、密封混合剂等。,4.3 屏蔽,屏蔽的作用与分类屏蔽原理与分
9、析屏蔽效能与屏蔽理论屏蔽效能的计算几种实用的屏蔽技术电磁屏蔽的设计要点,4.3.1 屏蔽的作用和分类,一、屏蔽的作用,屏蔽目的：一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。屏蔽作用：通过一个将上述区域封闭起来的壳体实现的，可作成板式、网状式以及金属编织带式等，其材料可是导电的、导磁的、介质的，也可是带有非金属吸收填料的。,二、屏蔽的分类,根据屏蔽的工作原理，可将屏蔽分为：1. 电屏蔽2. 磁屏蔽低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽 3. 电磁屏蔽,4.3.2 屏蔽的原理,一、电屏蔽,电屏蔽是为了防止两个回路（或两个元件、部件）间电容性混合引起的干扰。电屏蔽体由良导体制
10、成，并有良好的接地（一般要求屏蔽体的接地电阻小于）。这样，电屏蔽体既可防止屏蔽体内部干扰源产生的干扰泄漏到外部，也可防止屏蔽体外部的干扰侵入内部。,1、静电屏蔽,屏蔽体包围的电力线分布,正电荷+Q的电力线分布,空腔屏蔽体B被接地,2、交变电场的屏蔽,减小干扰：,干扰电压,的大小与耦合电容 有关,干扰源和接受器尽量远离,可采用屏蔽措施,交变电场的屏蔽,屏蔽体必须良好接地，才能真正将干扰源产生的干扰电场的耦合抑制或消除，保护接收器免受干扰。,二、磁屏蔽,在载有电流的导线、线圈或变压器周围空间都存在磁场。若电流是时变的，则磁场也是时变的，处在时变磁场中的其他导线或线圈就会受到干扰。另外，电子设备中的
11、各种连接线往往会形成环路。这种环路会因外磁场的影响而产生感应电压，即受到外磁场干扰；若环路中有强电流，则会产生磁场发射，干扰其他设备。减小磁场干扰的方法，除在结构上合理布线、安置元部件外，就是采取磁场屏蔽。,1、低频磁屏蔽,低频（100kHz以下）磁磁屏蔽是利用铁磁性材料（例如铁、硅钢片、坡莫合金等）的磁导率高、磁阻小，对磁场有分路作用的特性来实现屏蔽。,铁磁材料的磁阻比空气小得多，磁力线集中于屏蔽体中，基本不超出屏蔽体，达到屏蔽作用。同理，可将磁敏感器件置于屏蔽罩内，外界磁力线不进入罩内，达到屏蔽作用。,低频磁屏蔽定量分析,磁路分析法：基于磁通管构成的回路即磁路来分析磁路中A、B两点磁位差U
12、m，磁阻Rm，通过磁路的磁通量m，根据磁路理论，有：于是有： 若磁场均匀，磁路截面均匀，有：,结论：（1）Um一定时，磁阻Rm越小， 磁通m越大。（2）Rm与磁导率和屏蔽体厚度成反比，所以为了降低Rm，使绝大部分磁通流过屏蔽体，需选用高磁导率的铁磁材料制作屏蔽体，并适当增加屏蔽层厚度。与定性分析一致。,2、高频磁屏蔽原理,高频磁屏蔽：利用良导电材料做成的屏蔽体在高频干扰磁场作用下会产生涡流，涡流产生的反磁场对高频干扰磁场有抵消/抑制作用的原理，来达到屏蔽的效果。高频磁屏蔽定性分析：,说明：（1）感应涡流磁屏蔽，只能用于高频，低频效果甚微。（2）屏蔽体电阻越小，涡流越大。良导体金属（铜铝）作屏蔽
13、材料（3）屏蔽体是否接地对屏蔽效果无影响。但往往接地，可同时起到高频磁屏蔽和电屏蔽，整体屏蔽效果好。,内部干扰源，产生磁场Hp Hp在屏蔽体产生感应涡流icic产生He，屏蔽外与Hp抵消，起到屏蔽作用。 屏蔽内He与Hp增强，说明Hp被阻隔在内部，不对外影响。,三、电磁屏蔽原理,通常电场与磁场同时存在，很难分开。通常屏蔽，指电磁屏蔽，即对电场和磁场同时加以屏蔽。实际交变场中，电场和磁场哪个是主要矛盾，与频率有关。频率较低：干扰一般在近场，近场中随干扰源不同，电场、磁场不大相同：低压大电流：磁场为主，电场可忽略，磁屏蔽；高压小电流：电场为主，磁场可忽略，电屏蔽；频率增高：电磁辐射能力增强，将产生
14、辐射电磁场，并趋于远场。电场、磁场都不能忽略，同时加以屏蔽，即电磁屏蔽。采用良导体作屏蔽体，同时接地，能同时对高频电场和磁场屏蔽。,4.3.3屏蔽效能和屏蔽理论,一、屏蔽效能,对给定外来源进行屏蔽时，在某一点上屏蔽体安放前后的电场强度或磁场强度的比值。,二、屏蔽的传输理论,屏蔽的传输理论适用于平面波入射到无限大的薄屏蔽板上的情况，平面波屏蔽理论。,R：反射损耗,A：吸收损耗,B：多次反射修正因子,屏蔽的传输理论,传输系数（或透射系数）是指存在屏蔽体时某处的电场强度与不存在屏蔽体时同是一处的电场强度之比，或存在屏蔽体时某处的磁场强度与不存在屏蔽体时同是一处的电场强度之比,屏蔽的传输理论,传输系数
15、（或透射系数）是指存在屏蔽体时某处的电场强度与不存在屏蔽体时同是一处的电场强度之比，或存在屏蔽体时某处的磁场强度与不存在屏蔽体时同是一处的电场强度之比,一、金属平板屏蔽效能的计算,4.3.4 屏蔽效能的计算,1、传输损耗（吸收损耗）A的计算,吸收损耗是电磁波通过屏蔽体所产生的热损耗引起的，电磁波在屏蔽体内的传播常数：,在频率较高时，吸收损耗是相当大的,根据要求的吸收衰减量可求出屏蔽体的厚度,2、反射损耗R的计算,反射损耗是由屏蔽体表面处阻抗不连续引起,3、多次反射损耗B的计算,多次反射损耗是电磁波在屏蔽体内反复碰到壁面所产生的损耗。吸收损耗大于15dB时，多次反射损耗可忽略。在屏蔽体很薄或频率
16、很低时，吸收损耗很小，此时必须考虑多次反射损耗。,二、非实心型的屏蔽体屏效的计算,金属屏蔽体孔阵所形成的电磁泄漏，仍可采用等效传输线法来分析，其屏蔽效能表达式为：,孔的传输衰减,孔的单次反射损耗,多次反射损耗,与孔个数有关的修正项,由集肤深度不同而引入的低频修正项,由相邻孔间相互耦合而引入的修正项,三、多层屏蔽体屏蔽效能计算,四、导体球壳屏蔽效能计算,电屏蔽情况导体球壳在低频和高频的屏蔽效能,磁屏蔽情况导体球壳在低频和高频的屏蔽效能,一、双层屏蔽,二、薄膜屏蔽,4.3.5几种实用的屏蔽技术,三、通风孔的屏蔽,4.3.6电磁屏蔽设计要点,1、确定屏蔽对象，判断干扰源、感受器及其耦合方式,2、确定
17、屏蔽效能,3、确定屏蔽的类型,4、进行屏蔽结构的完整性设计,5、检查屏蔽体谐振,4.4 滤波(filtering),滤波器的分类 滤波器的频率特性 几种常用电磁干扰滤波器 滤波器的选择和使用,4.4.1 滤波器的分类,根据频率特性分：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器；,根据滤波机理分：反射型滤波器和吸收型滤波器；,根据工作条件分：有源滤波器和无源滤波器；,根据使用场合分：电源滤波器、信号滤波器、控制线滤波器等等。,根据应用特点分：信号选择滤波器和电磁干扰（EMI）滤波器两大类。,4.4.2滤波器的频率特性,滤波器作用：分离信号，抑制干扰,滤波器性能：额定电压、额定电流、输入输出阻
18、抗、插入损耗、通带衰减、可靠性等。,插入损耗：是描述滤波器特性的最主要参量。,插入损耗（dB）,通过滤波器负载阻抗上建立的电压（V）,未接滤波器时同一负载上建立的电压（V）,滤波器的频率特性,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,4.4.3几种常用电磁干扰滤波器,一、反射滤波器 reflection filter,反射滤波器通常由电抗元件如电感器和电容器组合构成（理想情况，这些元件是无耗的），也就是对干扰电流建立起一个高的串联阻抗和低的并联阻抗。反射滤波器是通过把不需要的频率成分的能量反射信号源而达到抑制的目的。,二、吸收式滤波器 absorber filter,反射型滤波器缺点是当
19、它和信号不匹配时，一部分有用能量将被反射回信号源，导致干扰电平的增加。可使用吸收型滤波器来抑制不需要的信号使之转化为热耗，而仍保证信号顺利传输。吸收型滤波器一般做成介质传输线形式，所用介质可以是铁氧体材料，或是其他损耗材料。,三、铁氧体磁环 ferrite filter,铁氧体材料是一种广泛应用的有耗器件，能将电磁骚扰的能量吸收后转化为热损耗，从而起到滤波作用，可用来构成吸收式低通滤波器。3种方式抑制无用的传导信号或辐射信号：将铁氧体作为实际的屏蔽层 将铁氧体用作电感器 将铁氧体芯直接用于元器件引线或板级电路,四、穿心电容滤波 capacitor filter,五、电源线滤波器,共模滤波器,差模滤波器,共模差模组合滤波器,4.4.4滤波器的使用,在设计或选择滤波器时，应该调查干扰的颇率范围、估计干扰的大致量级、了解滤波器的使用环境，譬如使用电压、负载电流、环境温度、湿度、振动和冲击强度等环境条件。另外还需对滤波器在设备上的安装位置和允许的外形尺寸等因素有所考虑。,屏蔽室用的电源滤波器的选择，应使其抑制频带与屏蔽室的防护频带相同，插入损耗应与屏蔽室的屏蔽效能有相同数量级。,
