EMC(Electro Magnetic Compatibility,電磁兼容)是指電子、電氣設備或系統在預期的電磁環境中,不會因為周邊的電磁環境而導致性能降低、功能喪失或損壞,也不會在周邊環境中產生過量的電磁能量,以致影響周邊設備的正常工作。
EMI(Electro Magnetic Interference,電磁干擾):自身產生的電磁干擾不能超過一定的限值。
EMS(Electro Magnetic Susceptibility,電磁抗擾度):自身承受的電磁干擾在一定的范圍內。
電磁環境:同種類的產品,不同的環境就有著不同的標準。
需要說明的是,以上都基于一個前提:一定環境里,設備或系統都在正常運行下。
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電磁干擾的產生原因:電壓/電流的變化中不必要的部分。
電磁干擾的耦合途徑有兩種:導線傳導和空間輻射。
導線傳導干擾原因是電流總是走“最小阻抗”路徑。以屏蔽線為例,低頻(f<1kHz)時,導線的電阻起到主要作用,大部分電流從導線的銅線中流過;高頻(f>10kHz)時,環路屏蔽層的感抗小于導線的阻抗,因此信號電流從屏蔽層上流過。
干擾電流在導線上傳輸有兩種方式: 共模和差模 。
一般有用的信號為差模信號,因此共模電流只有轉變為差模電流才能對有用信號產生干擾。阻抗平衡防止共模電流向差模轉變,可以通過多點接地用來降低地線公共阻抗,減小共地線阻抗干擾。
空間輻射干擾分 近場和遠場 。
近場又稱為感應場,與場源的性質密切相關。
當場源為高電壓小電流時,主要表現為電場;
當場源為低電壓大電流時,主要表現為磁場。
無論是電場還是磁場,當距離大于λ/2π時都變成了遠場。
遠場又稱為輻射場。遠場屬于平面波,容易分析和測量,而近場存在電場和磁場的相互轉換問題,比較復雜。
這里面有問題的是如果導線變成天線,有時候就分不清是傳導干擾還是輻射干擾?
低頻帶下特別是30 MHz以下的主要是傳導干擾。或者可以估算當設備和導線的長度比波長短時,主要問題是傳導干擾,當它們的尺寸比波長長時,主要問題是輻射干擾。
干擾信號以平面電磁波形式向外輻射電磁場能量,再以泄漏和耦合形式,通過絕緣支撐物等(包括空氣)為媒介,經公共阻抗的耦合進入被干擾的線路、設備或系統。
舉例:900MHz,平面波的轉折點在50 mm
電磁波輻射有兩個必要條件:變化的電壓/電流和輻射天線。兩者缺一,都不會產生大量的輻射干擾。
有些資料會給出瞬態干擾的概念,顧名思義:時間很短但幅度較大的電磁干擾。瞬態干擾一般指各類電快速脈沖瞬變(EFT)、各類浪涌(SURGE)、靜電放電(ESD)等三種。
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重點:消除其中任何一個因素就可以滿足電磁兼容設計的要求。
切斷耦合途徑是最有效的電磁兼容處理措施。
了解下傳播路徑:
電磁干擾可以通過電源線、信號線、地線、大地等途徑傳播的傳導干擾,也有通過空間直接傳播的空間輻射干擾。這些干擾或者噪聲并不是獨立存在的,在傳播過程中又會出現新的復雜噪聲,這種問題疊加問題才是解決問題的難點。
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近場區,波阻抗與輻射源的位置、阻抗、頻率及輻射源周圍的介質有關;遠場區,波阻抗等于電磁波傳播介質的特性阻抗;在真空中,波阻抗為377Ω。
由377Ω想到自由空間的特性阻抗:
有個基礎概念需要講一講:dB&dBm區別。dB之前的常提常見。dBm是功率相對于1 mW的值。
至于區別,上公式比較直接:
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環路
電流在傳遞路徑與返回路徑中形成的環路是PCB輻射發射的一個原因。
電子產品中任何信號的傳遞都存在環路,如果信號是交變的,那么信號所在的環路都會產生輻射,當產品中信號的電流大小、頻率確定后,信號環路產生的輻射強度與環路面積有關,管控信號環路的面積可以控制EMC問題。
單點&多點接地
電子設備是否選擇單點接地,主要取決于系統的工作信號頻率和接地線的長度,即其表征量 L/λ 。L/λ<=0.1時,選擇單點接地,單點接地的應用范圍一般在300kHz以下,在有些場合也可用在1MHz以下。
當地線長度為1/4波長的奇數倍時,地線阻抗變得很高,產生天線效應,即地線像天線一樣向外輻射噪聲信號。若用一點接地,地線長度不得超過波長的 1/20 ,否則應采用多點接地。
散熱&屏蔽
屏蔽和散熱是互相矛盾的,散熱孔一般是一組孔洞,利用風扇進行強迫對流,這些孔洞將會引起電磁泄漏,使屏蔽效果下降,孔洞越大,屏蔽效果越差。通常系統的外殼都配置了散熱孔,這種散熱孔會影響整個系統的屏蔽性能。
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電磁兼容測試分為兩大類:
一類是電磁干擾度(EMI)測試,測試電子產品系統對其他設備、對電磁空間的干擾發射情況。
一類是電磁抗擾度(EMS)測試,測試電子設備抵御空間電磁干擾的能力。
國家標準中EMI測試項目為2項,軍用標準中EMI測試項目為7項,EMS測試項目為10項,軍用保證EMS測試項目為12項。
列出不同數量測試項目,說明針對不同行業,有著不同要求,這個也好理解。問題是EMC測試有不同標準,各個行業再依據標準進行細化,確定自己滿足的等級和要求。
EMI測試項目:
①傳導騷擾(CE)測試(電源線、信號、控制線)
②輻射騷擾(RE)測試
③諧波(Harmonic)測量
④電壓波動和閃爍(Fluctuation and Flicker)測量
EMS測試項目:
①靜電放電抗擾度(ESD)
② 電快速瞬變脈沖群抗擾度(EFT)
③ 浪涌(SURGE)
④ 輻射抗擾度(RS)
⑤ 傳導抗擾度(CS)
⑥ 電壓跌落與中斷(DIP)
EMI測試場地有半電波暗室、全電波暗室、開闊場三種。
產品相關EMC測試是必須的,產品EMC測試出現相關問題,整改方向:
1.靜電抗擾度測試—>屏蔽
2.電快速瞬變脈沖群抗擾度測電源隔離,使用屏蔽雙絞線&安裝磁環。
3.浪涌(沖擊)抗擾度測試安裝浪涌抑制器
4.射頻場感應的傳導騷擾抗擾度測試屏蔽、接地、濾波
5.射頻電磁場輻射抗擾度測試導電泡棉將線纜壓緊,保持最小的縫隙。
6.傳導發射電源隔離、濾波、接地、減小回路面積。
7.輻射發射出現超標屏蔽接地,檢查連接,安裝磁環,檢查模擬設備。
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產品電磁兼容性設計,必須通過整體設計,從電路設計到元器件選型,從PCB制版到樣機調試,從電子設備的測試到發布,每一步都要考慮有可能引起的電磁兼容問題,從產品最初規劃到最后認證結束,每一步都要融入電磁兼容設計思想,才能真正管控好電磁兼容問題。
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