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1、第2章 电磁兼容的电磁原理 电磁兼容的目的是预防和降低电磁干扰，而电磁兼容的目的是预防和降低电磁干扰，而电磁干扰是电磁活动的直接后果，因此研究电磁电磁干扰是电磁活动的直接后果，因此研究电磁兼容的本质就是研究电磁活动规律，掌握电磁干兼容的本质就是研究电磁活动规律，掌握电磁干扰产生的机理，寻求解决电磁干扰的途径。扰产生的机理，寻求解决电磁干扰的途径。传导耦合与辐射耦合传导耦合与辐射耦合是产生电磁干扰的最是产生电磁干扰的最主要方式，电磁散射体可以等效为辐射源，电磁主要方式，电磁散射体可以等效为辐射源，电磁散射产生的骚扰也可以看作是辐射耦合。散射产生的骚扰也可以看作是辐射耦合。2.1 基本电磁原理基本
2、电磁原理2.2 电磁辐射电磁辐射2.3 传导耦合传导耦合2.4 瞬态场瞬态场2.1 2.1 基本电磁原理基本电磁原理2.1.1 麦克斯韦方程麦克斯韦方程2.1.2 边界条件边界条件2.1.3 唯一性定理唯一性定理2.1.4 迭加原理迭加原理2.1.5 镜像原理镜像原理2.1.6 等效原理等效原理2.1.7 互易定理互易定理2.1.1 麦克斯韦方程麦克斯韦方程电流连续性方程2.1.2 边界条件边界条件 理想介质电导率极小的低耗介质（、为实数、=0）；理想导体电导率极大的良导体（=）。不同理想介质边界面（S=0，J=0）：理想介质和理想导体边界面（S0,J0）：特殊边界条件2.1.3 唯一性定理唯
3、一性定理2.1.4 迭加原理迭加原理2.1.5 镜像原理镜像原理2.1.6 等效原理等效原理2.2 2.2 电磁辐射电磁辐射 2.2.1 基本电振子基本电振子2.2.2 基本磁振子基本磁振子2.2.3 惠更斯元惠更斯元2.2.1 基本电振子基本电振子2.2.1 基本电振子基本电振子 近区磁场和载流导线元在周围空间产生的近区磁场和载流导线元在周围空间产生的感应磁场相同，故称近区磁场为感应场；电场感应磁场相同，故称近区磁场为感应场；电场和静电偶极子所产生的电场一致，故称近区电和静电偶极子所产生的电场一致，故称近区电场为静电场。场为静电场。2.2.2 基本磁振子基本磁振子2.2.3 惠更斯元惠更斯元
4、 电磁散射的实质是电磁波在媒质不均匀处电磁散射的实质是电磁波在媒质不均匀处产生的二次或多次辐射。在媒质的不连续处，产生的二次或多次辐射。在媒质的不连续处，电磁场必须满足边界条件，就会产生新的源，电磁场必须满足边界条件，就会产生新的源，并向边界的两边辐射。一旦源确定，那么二次并向边界的两边辐射。一旦源确定，那么二次辐射电磁场便可以求出。散射问题与辐射问题辐射电磁场便可以求出。散射问题与辐射问题的本质是相同的。的本质是相同的。2.2.4 2.2.4 电磁散射电磁散射雷达目标散射截面雷达目标散射截面 简称雷达截面简称雷达截面,是在给定方向上返回或是在给定方向上返回或散射功率的一种量度，并用入射场的功
5、率密散射功率的一种量度，并用入射场的功率密度归一化。度归一化。传导耦合是指通过导体传输的电磁干扰。传导耦合是指通过导体传输的电磁干扰。当电磁干扰源的波长远大于敏感源的线度当电磁干扰源的波长远大于敏感源的线度时，可以利用电路理论建立传导模型（时，可以利用电路理论建立传导模型（“低频低频”方法）；当电磁干扰源的波长远小于敏感源方法）；当电磁干扰源的波长远小于敏感源的线度时，电磁波的传播效应增强，根据电路的线度时，电磁波的传播效应增强，根据电路理论建立传导模型失效，原则上必须采用电磁理论建立传导模型失效，原则上必须采用电磁场理论进行分析（场理论进行分析（“高频高频”方法）。方法）。2.3 2.3 传
6、导耦合传导耦合 电路性耦合有以下几种：电路性耦合有以下几种：直接传导耦合直接传导耦合导线导线经过存在骚扰的环境时，经过存在骚扰的环境时，即拾取骚扰能量并沿导线传导至电路而造成对即拾取骚扰能量并沿导线传导至电路而造成对电路的干扰。电路的干扰。共阻抗耦合共阻抗耦合由于两个以上电路有公共阻抗，由于两个以上电路有公共阻抗，当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路，这就是共阻抗耦合。形成共响到另一个电路，这就是共阻抗耦合。形成共阻抗耦合骚扰的有电源输出阻抗、接地线的公阻抗
7、耦合骚扰的有电源输出阻抗、接地线的公共阻抗等。共阻抗等。2.3.1 2.3.1 电路性耦合电路性耦合电路性传导耦合的模型电路性传导耦合的模型电路性传导耦合实例电路性传导耦合实例 地线电流地线电流1 1和地线电流和地线电流2 2流经地线阻抗，电路流经地线阻抗，电路1 1的地电位被电路的地电位被电路2 2流经公共地线阻抗的骚扰电流所流经公共地线阻抗的骚扰电流所调制，因此，一些骚扰信号将由电路调制，因此，一些骚扰信号将由电路2 2经公共地线经公共地线阻抗耦合至电路阻抗耦合至电路1 1。消除的方法是将。消除的方法是将地线尽量缩短地线尽量缩短并加粗，降低公共地线阻抗并加粗，降低公共地线阻抗。地电流流经公
8、共地线阻抗的耦合地电流流经公共地线阻抗的耦合 地线阻抗形成耦合骚扰。在公共地线上各种地线阻抗形成耦合骚扰。在公共地线上各种的电流，由地线阻抗变换成电压的电流，由地线阻抗变换成电压,构成低电平信构成低电平信号放大器输入电路的一部分输入，地线上的耦合号放大器输入电路的一部分输入，地线上的耦合电压被放大输出。电压被放大输出。地线阻抗形成的骚扰电压地线阻抗形成的骚扰电压 采用采用一点接地一点接地就可以防止这种耦合干扰。就可以防止这种耦合干扰。电源引线是一个公共阻抗，电源内阻也是一电源引线是一个公共阻抗，电源内阻也是一个公共阻抗。将电路个公共阻抗。将电路2 2的电源引线靠近电源输出端的电源引线靠近电源输
9、出端可以降低电源引线的公共阻抗耦合。可以降低电源引线的公共阻抗耦合。采用稳压电源可以降低电源内阻，从而降低采用稳压电源可以降低电源内阻，从而降低电源内阻的耦合。电源内阻的耦合。电源内阻及公共线路阻抗形成的耦合电源内阻及公共线路阻抗形成的耦合 电灯等家居电器均电灯等家居电器均是如此安装是如此安装,问题问题？如何解决？如何解决？电容性耦合电容性耦合也称为电耦合，是由两电路间也称为电耦合，是由两电路间的电场相互作用所引起。由于两个电路间存在的电场相互作用所引起。由于两个电路间存在寄生电容，使一个电路的电荷通过寄生电容影寄生电容，使一个电路的电荷通过寄生电容影响到另一条支路。响到另一条支路。2.3.2
10、 2.3.2 电容性耦合电容性耦合 电容性耦合模型电容性耦合模型1 1 电容性耦合引起的感应电压正比于骚扰源的电容性耦合引起的感应电压正比于骚扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻、耦合电容、骚工作频率、敏感电路对地的电阻、耦合电容、骚扰源电压扰源电压。感应与哪些因素相关？是何关系？如何解决？感应与哪些因素相关？是何关系？如何解决？电容性耦合主要在射频频率形成骚扰，频率电容性耦合主要在射频频率形成骚扰，频率越高，电容性耦合越明显；电容性耦合的骚扰作越高，电容性耦合越明显；电容性耦合的骚扰作用相当于在电路用相当于在电路2 2与地之间连接了一个电流源。与地之间连接了一个电流源。一般情况下，骚扰源的工作
11、频率、敏感电路一般情况下，骚扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻对地的电阻 (一般情况下为阻抗一般情况下为阻抗)、骚扰源电压是、骚扰源电压是预先给定的，所以，抑制电容性耦合的有效方法预先给定的，所以，抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容。是减小耦合电容。减小电容方法？减小电容方法？电容性耦合模型电容性耦合模型2 2 除了两导线（两电路）间的耦合电容外，除了两导线（两电路）间的耦合电容外，还考虑电路的导线与地之间的电容。还考虑电路的导线与地之间的电容。电容性骚扰耦合与频率的关系电容性骚扰耦合与频率的关系 电感性耦合也称为磁耦合，由两电路间的电感性耦合也称为磁耦合，由两电路间的磁场相互作用引起。两
12、个电路之间存在互感时，磁场相互作用引起。两个电路之间存在互感时，当干扰源是以电源形式出现时，此电流产生的当干扰源是以电源形式出现时，此电流产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。2.3.3 2.3.3 电感性耦合电感性耦合 电感性耦合模型电感性耦合模型2.3.4 2.3.4 传导干扰实例传导干扰实例 测试电子设备产生传导干扰的基本方法测试电子设备产生传导干扰的基本方法 开关电源电路回路电流产生的传导干扰开关电源电路回路电流产生的传导干扰 磁感应产生传导干扰的原理图 环境中存在一些短暂的高能脉冲式瞬态干扰，环境中存在一些短暂的高能脉冲式瞬态干扰，这类干扰具有
13、显著的特征：这类干扰具有显著的特征：时间上瞬态、频域上时间上瞬态、频域上时间上瞬态、频域上时间上瞬态、频域上宽带、幅度上较大、骤发性宽带、幅度上较大、骤发性宽带、幅度上较大、骤发性宽带、幅度上较大、骤发性 等，对设备的危害等，对设备的危害性较大。性较大。瞬态干扰是指时间较短、幅度较大的电磁干瞬态干扰是指时间较短、幅度较大的电磁干扰。常见的瞬态干扰有三种：扰。常见的瞬态干扰有三种：电快速瞬变脉冲群电快速瞬变脉冲群（EFT,Electrical Fast TransientEFT,Electrical Fast Transient）、）、浪涌浪涌（SURGESURGE）、）、静电放电静电放电（ES
14、D,Electrostatic ESD,Electrostatic DischargeDischarge）。）。2.4 2.4 瞬态场瞬态场 电快速瞬变脉冲群电快速瞬变脉冲群：由电路中的感性负载断：由电路中的感性负载断开时产生。开时产生。其特点不是单个脉冲，而是一连串的脉冲。其特点不是单个脉冲，而是一连串的脉冲。因为一连串的脉冲可以在电路的输入端产生累计因为一连串的脉冲可以在电路的输入端产生累计效应，使干扰电平的幅度最终超过电路的噪声门效应，使干扰电平的幅度最终超过电路的噪声门限，因此它对电路的影响较大。从这个机理上看，限，因此它对电路的影响较大。从这个机理上看，脉冲串的周期越短，则对电路的影
15、响越大。因为，脉冲串的周期越短，则对电路的影响越大。因为，当脉冲串中的每个脉冲相距很近时，电路的输入当脉冲串中的每个脉冲相距很近时，电路的输入电容没有足够的时间放电，就又开始新的充电，电容没有足够的时间放电，就又开始新的充电，容易达到较高的电平。容易达到较高的电平。浪涌：浪涌：浪涌主要是由雷电在电缆上感应产生浪涌主要是由雷电在电缆上感应产生的，功率很大的开关也能产生浪涌。的，功率很大的开关也能产生浪涌。其特点是能量很大，室内浪涌电压幅度可以其特点是能量很大，室内浪涌电压幅度可以达到达到10kV10kV，室外往往会超过，室外往往会超过10kV10kV。浪涌虽然不像。浪涌虽然不像电快速瞬变脉冲群那
16、么普遍，但是一旦发生危险电快速瞬变脉冲群那么普遍，但是一旦发生危险是十分严重的，往往导致电路的损坏。核电磁脉是十分严重的，往往导致电路的损坏。核电磁脉冲也会在电缆中感应浪涌，其上升时间很短，在冲也会在电缆中感应浪涌，其上升时间很短，在nsns量级。量级。静电放电：静电放电：人体接触设备时的静电放电。但人体接触设备时的静电放电。但在一些标准中增加了比人体放电更严酷的装置放在一些标准中增加了比人体放电更严酷的装置放电。这些静电放电对设备造成的影响从本质上讲电。这些静电放电对设备造成的影响从本质上讲以辐射干扰为主。雷电现象实际也是一种静电放以辐射干扰为主。雷电现象实际也是一种静电放电现象。电现象。瞬
17、瞬态态干干扰扰特性特性电电快速瞬快速瞬变变脉冲群脉冲群浪涌浪涌静静电电放放电电脉冲上升脉冲上升时间时间很快，很快，约约5ns5ns慢，慢，usus量量级级极快，小于极快，小于1ns1ns能量能量中等（中等（单单个脉冲）个脉冲）高高低低电压电压（高（高负载负载阻抗）阻抗）10kv10kv以下以下10kv10kv以下以下15kv15kv以上以上电电流流（低（低负载负载阻抗）阻抗）数十安培数十安培数千安培数千安培人体放人体放电电数十安培数十安培装置放装置放电电数百安培数百安培 系统内部产生，在电气设备中普遍存在，通系统内部产生，在电气设备中普遍存在，通常由继电器、马达、变压器等电感元件等产生。常由继
18、电器、马达、变压器等电感元件等产生。电感负载开关系统断开时，如果开关触点被电感负载开关系统断开时，如果开关触点被击穿，会发生辉光放电（气体电离）和弧光放电击穿，会发生辉光放电（气体电离）和弧光放电（金属汽化），电路被导通，从而在电路中形成（金属汽化），电路被导通，从而在电路中形成瞬时的电流，断开点处产生瞬态骚扰，这种瞬态瞬时的电流，断开点处产生瞬态骚扰，这种瞬态骚扰由大量脉冲组成。由于电源阻抗的存在，这骚扰由大量脉冲组成。由于电源阻抗的存在，这些脉冲电流在电源两端形成了脉冲电压，从而对些脉冲电流在电源两端形成了脉冲电压，从而对共用这个电源的其它电路造成影响。共用这个电源的其它电路造成影响。2.
19、4.1 2.4.1 电快速瞬变脉冲群（电快速瞬变脉冲群（EFTEFT）机理机理：在电感负载的电路中，当开关断开时，：在电感负载的电路中，当开关断开时，根据电感的特性，电感上的电流不能突然消失，根据电感的特性，电感上的电流不能突然消失，为了维持这个电流，电感上会产生一个很高的反为了维持这个电流，电感上会产生一个很高的反电动势，当达到一定程度时将触电击穿，形成导电动势，当达到一定程度时将触电击穿，形成导电回路，在电源回路产生很大的脉冲电流，负载电回路，在电源回路产生很大的脉冲电流，负载电感的寄生电容开始放电，电压开始下降，下降电感的寄生电容开始放电，电压开始下降，下降到一定程度通路断开，继续重复以
20、上过程。到一定程度通路断开，继续重复以上过程。抑制抑制EFTEFT的方法：的方法：（1 1）减小）减小PCBPCB接地线公共阻抗；接地线公共阻抗；（2 2）在电感上跨接一些电阻、电容等元器件形）在电感上跨接一些电阻、电容等元器件形成抑制网络；成抑制网络；（3 3）使用）使用EFTEFT滤波器；滤波器；（4 4）将骚扰源远离敏感电路；）将骚扰源远离敏感电路；（5 5）正确使用接地技术；）正确使用接地技术；（6 6）在软件中加入抗扰指令；）在软件中加入抗扰指令；（7 7）安装瞬变骚扰吸收器。）安装瞬变骚扰吸收器。雷电在电缆上电击或感应产生的瞬变电压脉雷电在电缆上电击或感应产生的瞬变电压脉冲冲,通常
21、从电源线或信号线等途径窜入设备，并通常从电源线或信号线等途径窜入设备，并损害设备。分为直击雷击和感应雷击。损害设备。分为直击雷击和感应雷击。全球每年平均发生全球每年平均发生16001600万次闪电，每年数千万次闪电，每年数千人死于雷击事故，造成数十亿美元的经济损失。人死于雷击事故，造成数十亿美元的经济损失。据统计，在一处电网中每据统计，在一处电网中每8 8分钟便有一个雷击引分钟便有一个雷击引起的瞬态脉冲电压产生，相当于每起的瞬态脉冲电压产生，相当于每1414个小时就有个小时就有一次具有破坏性的冲击；在欧美国家一次具有破坏性的冲击；在欧美国家20%-30%20%-30%的的电脑故障是因为感应雷引
22、起的。电脑故障是因为感应雷引起的。2.4.2 2.4.2 雷击浪涌雷击浪涌雷电模拟脉冲雷电模拟脉冲 虽然每次雷击产生的脉冲维持时间、幅度等都虽然每次雷击产生的脉冲维持时间、幅度等都不同，但是国际标准不同，但是国际标准IEEE-587IEEE-587、IEC1024IEC1024等用于测等用于测试防雷器性能的雷电模拟脉冲是由规定的。试防雷器性能的雷电模拟脉冲是由规定的。雷击对机房电子设备造成损害的主要途径雷击对机房电子设备造成损害的主要途径网络线、有线通信线、供电线在远端遭受雷击网络线、有线通信线、供电线在远端遭受雷击或感应雷击，沿线进入设备；或感应雷击，沿线进入设备；建筑物内部线路感应雷击进入
23、设备；建筑物内部线路感应雷击进入设备；地电压过高，反击进入设备；地电压过高，反击进入设备；天线遭受雷击；天线遭受雷击；避雷针连接闪泄放雷电流时产生闪电电磁脉冲避雷针连接闪泄放雷电流时产生闪电电磁脉冲辐射；辐射；临近物体遭受雷击产生的闪电电磁脉冲辐射。临近物体遭受雷击产生的闪电电磁脉冲辐射。雷击防护途径雷击防护途径直击雷防护主要是避雷针、导地体和接地网；直击雷防护主要是避雷针、导地体和接地网；感应雷防护主要是在线路进出端安装防雷器；感应雷防护主要是在线路进出端安装防雷器；电源系统采用分级防雷保护：第一级在供电系电源系统采用分级防雷保护：第一级在供电系统入口进线各相和大地之间连接大容量的电源统入口
24、进线各相和大地之间连接大容量的电源防浪涌保护器；第二级在重要或敏感用电设备防浪涌保护器；第二级在重要或敏感用电设备的分路配电设备处安装电源防浪涌保护器；第的分路配电设备处安装电源防浪涌保护器；第三级在用电设备电源部分安装内置式电源防浪三级在用电设备电源部分安装内置式电源防浪涌保护器。涌保护器。信号线传输采用屏蔽电缆或穿管埋地引入，信号线传输采用屏蔽电缆或穿管埋地引入，在线缆和信号接收器间安装防浪涌保护器。在线缆和信号接收器间安装防浪涌保护器。在天线发射设备端和接收设备端安装防浪涌在天线发射设备端和接收设备端安装防浪涌保护器。保护器。采用共地的接地措施。采用共地的接地措施。室内布线尽量减少环路。
25、室内布线尽量减少环路。采用光纤。采用光纤。两个具有不同静电电位的物体直接接触或静两个具有不同静电电位的物体直接接触或静电场感应引起。电场感应引起。通常会产生强大的尖峰脉冲电流，这种电流通常会产生强大的尖峰脉冲电流，这种电流中包含丰富的高频成分，取决于空间相对湿度、中包含丰富的高频成分，取决于空间相对湿度、物体靠近速度、物体形状等，上限频率可以超过物体靠近速度、物体形状等，上限频率可以超过1GHz1GHz。在高频时，典型设备电缆甚至印制板上的。在高频时，典型设备电缆甚至印制板上的走线会变成非常有效的接收天线。对于典型的模走线会变成非常有效的接收天线。对于典型的模型或数字电子设备，型或数字电子设备
26、，ESDESD倾向于感应出高电平的倾向于感应出高电平的噪声，会导致电子设备严重的损害或操作失常。噪声，会导致电子设备严重的损害或操作失常。2.4.3 2.4.3 静电放电（静电放电（ESDESD）ESDESD对电对电路的干路的干扰扰机理机理 一种是静电放电电流直接流过电路，对电路一种是静电放电电流直接流过电路，对电路造成损坏；造成损坏；另一种是静电放电电流产生的电磁场通过电另一种是静电放电电流产生的电磁场通过电容耦合，电感耦合或空间辐射耦合等途径对电路容耦合，电感耦合或空间辐射耦合等途径对电路造成干扰。造成干扰。ESDESD特性特性 当电压较低时，脉冲窄且上升沿陡峭；随着当电压较低时，脉冲窄且
27、上升沿陡峭；随着电压增加，脉冲变成具有长拖尾的衰减振荡波。电压增加，脉冲变成具有长拖尾的衰减振荡波。ESDESD对电路的干扰对电路的干扰 造成破坏的主要机制造成破坏的主要机制ESDESD电流产生热量导致设备的热失效；电流产生热量导致设备的热失效；ESDESD感应出高的电压导致绝缘击穿。感应出高的电压导致绝缘击穿。静电放电保护措施静电放电保护措施 在设备危险点，例如输入端和地之间设置保在设备危险点，例如输入端和地之间设置保护电路，这些电路仅仅在护电路，这些电路仅仅在ESDESD感应电压超过限值时感应电压超过限值时发挥作用。发挥作用。电路板上的走线是电路板上的走线是ESDESD产生产生EMIEMI的发射天线。的发射天线。为了把这些天线的耦合降低，线要求尽可能短，为了把这些天线的耦合降低，线要求尽可能短，包围的面积尽可能小。包围的面积尽可能小。外壳设计是阻止外壳设计是阻止ESDESD辐射及传导耦合的关键。辐射及传导耦合的关键。