EMC电磁兼容 投稿:梁贙贚

EMC 电磁兼容基础知识(一) 1.1 电磁兼容概述 电磁兼容是一门新兴的综合性学科。 电磁兼容学科主要研究的是 如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子设备和元器件都 能正常工作,互不干扰,达到兼容状态。我公司的电磁兼容研究 主要针对电气电子设备,…

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EMC 电磁兼容基础知识(一)

1.1 电磁兼容概述

电磁兼容是一门新兴的综合性学科。 电磁兼容学科主要研究的是 如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子设备和元器件都 能正常工作,互不干扰,达到兼容状态。我公司的电磁兼容研究 主要针对电气电子设备, 同时也涉及到如生产中的静电放电、 电 磁辐射对人体的影响等方面。

1.2 电磁兼容性的基本概念

1.2.1

电磁骚扰与电磁干扰 电磁骚扰是指任何可能引起设备性能降低或对有生命物质产生 损害作用的电磁现象。由机电或其他人为装置产生的电磁骚扰, 称为人为骚扰;来源于自然现象的电磁骚扰,称为自然骚扰。 电磁干扰则是指由电磁骚扰引起的设备或传输通道性能的下降。 所以骚扰和干扰的含义是不同的。 从概念上讲,骚扰是一种电 磁能量,干扰是骚扰产生的结果或后果。 电磁干扰产生于骚扰源;大量骚扰源的存在造成电磁环境污染, 导致电磁兼容性问题尖锐化。主要表现在: 同时工作的电子设备的总数在增长, 电子设备的数量每 4~5 年增加一倍; 发射机的功率在增加, 如某些雷达的发射脉冲功率达几 十甚至几百兆瓦; 许多无线电频段严重超载, 以致对不同类型的电子设备 不得不多次反复使用同一频段; 电子设备在运行时产生的电磁骚扰电平不断提高。 如某 些医疗设备运行时产生的干扰电平可达每米几百伏。

1.2.2

电磁兼容性(EMC-Electromagnetic Compatibility) 电磁兼容性 ) 电子设备受电磁骚扰的影响而出现故障或性能降级, 就称为设备 对电磁骚扰敏感。 如何在设备与电磁环境之间寻求一种协调的关 系和共存的条件,这就是电磁兼容性技术。

1.2.3

电磁兼容常用名词术语 为了描述电磁骚扰与电磁兼容性, 需要引入许多名词术语, 国家 军用标准 GJB72-85《电磁干扰和电磁兼容名词术语》一书有详 细的内容,这里我们仅选其中的一部分介绍给大家。 EMC( Compatibility) 电磁兼容性 EMC(Electromagnetic Compatibility) 设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态, 即该 设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导

致不允许的降级; 也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁 发射而导致不允许的降级。 EMI( 电磁干扰 EMI(Electromagnetic Interference) 电磁骚扰导致电子设备相互影响, 并引起不良后果的一种电磁现 象。 辐射发射 RE (Radiated Emission) 通过空间传播的、有用的或不希望有的电磁能量。 传导发射 CE (Conducted Emission) 沿电源或信号线传输的电磁发射。 EMS( 电磁敏感性 EMS(Electromagnetic Susceptibility) 设备暴露在电磁环境下所呈现的不希望有的响应程

度。 即设备对 周围电磁环境敏感程度的度量。 电磁敏感意味着电磁环境已经造 成设备性能的降低。 RS( 辐射敏感度 RS(Radiated Susceptibility) 对造成设备性能降级的辐射骚扰场的度量。 CS( 传导敏感度 CS(Conducted Susceptibility) 当引起设备性能降级时, 对从传导方式引入的骚扰信号电流或电 压的度量。

1.3 电磁干扰

1.3.1

电磁干扰三要素 电磁骚扰源,指产生电磁骚扰的元件、器件、设备或自 然现象; 耦合途径或称耦合通道, 指把能量从骚扰源耦合到敏感 设备上,并使该设备产生响应的媒介; 敏感设备,指对电磁骚扰产生响应的设备。 所有的电磁干扰都是由上述三个因素的组合而产生的。把它们称为电 磁干扰三要素。如下图所示。

图 1-1 电磁骚扰三要素 由电磁骚扰源发出的电磁能量, 经过某种耦合通道传输到敏感设 备, 导致敏感设备出现某种形式的响应并产生效果。 这一作用过 程及其效果,称为电磁干扰效应。 1.3.2 电磁兼容研究的主要内容 电磁兼容学科研究的主要内容是围绕构成电磁干扰的三要素进 行的,即对电磁骚扰源、耦合通道和敏感设备的研究。 骚扰源的研究包括其发生的机理、 时域和频域的定量描述, 以便 从源端来抑制干扰的发射, 通常采用滤波技术来限制骚扰源的频 谱宽度和幅值。 骚扰的耦合通道有二条:1,通过空间辐射;2,通过导线传导。 辐射发射主要研究在远场条件下骚扰以电磁波的形式发射的规 律以及在近场条件下的电磁耦合。 通常采用屏蔽技术来阻断骚扰 的辐射。 传导发射讨论骚扰延导线传输的影响。 通常传导发射通 过公共地线、公共电源线和互连线而实现。 电磁兼容的研究内容还包括电磁兼容控制技术、 测量技术、 分析 预测等。

1.1 基本的电磁兼容控制技术

最常用也是最基本的电磁兼容控制技术是屏蔽、滤波、接地。此外平衡 技术、低电平技术等也是电磁兼容的重要控制技术。随着新工艺、新材 料、新产品的出现,电磁兼容控制技术也得到不断的发展。

1. 屏蔽

主要用于切断通过空间的静电耦合、感应耦合形成的电磁噪声传播途径, 这三种耦合又对应于静电屏蔽、磁场屏蔽与电磁屏蔽,衡量屏蔽的质量 采用屏蔽效能这一指标。

2. 滤波

在频域上处理电磁噪声的一种技术,其特点是将不需要的一部分频谱滤 掉。

3. 接地

提供有用信号或无用信号,电磁噪声的公共通路。 接地的好坏则直接影 响到设备内部和外部的电磁兼容性。

1.2 电磁兼容标准

为了确保设备及其各单元必须满足的电磁兼容工作特性,国际有关机构、 各国政府和军事部门以及其他相关组织制定了一系列的电磁兼容

性标 准。标准对设备电磁骚扰发射和电磁抗扰度作出了规定和限制。电磁兼 容性标准是进行电磁兼容性设计的指导性文件,也是电磁兼容性试验的 依据,因为试验项目、测试方法和极限值等到都是标准给定的。

1.2.1

电磁兼容标准的制订

电磁兼容标准主要通过标准化组织来制订,国际上制定电磁兼容的主要 标准化组织如下表所示。

表 1-1 国际上主要标准化组织和标准

国家或组织 IEC 制订单位 CISPR TC77 欧共体 美国 CENELEC FCC MIL 德国 日本 VDE VCCI 标准名称 CISPR Pub.XX IEC XXXXX EN XXXXX FCC Part XX MIL-STD.XXX VDE XXX VCCI

IEC(国际电工委员会)有两个平等的组织制订 EMC 标准,即 CISPR(国际 无线电干扰特别委员会)和 TC77(第 77 技术委员会)。 CENELEC(欧洲电工标准化委员会)由欧共体委员会授权制订欧洲标准 E N (European Norm)。 FCC(美国联邦通信委员会)主要制订民用标准,关于电磁兼容的标准主要 包括在 FCC Part15 和 FCC Part18 中。 MIL-STD 是美国军用标准。 德国的 VDE(电气工程师协会)是世界上最早建立电磁兼容标准的组织 之一。 日本的 VCCI(干扰自愿控制委员会)是民间机构,其标准与 CISPR 和 I EC 标准一致。 我国的 EMC 标准化工作是在国家技术监督局的领导下进行的。 国内标 准以 GB、GB/T 开头。我国自从 1983 年发布第一个 EMC 标准(GB390 7-1983)以来,至今已发布了 47 个有关的国家标准,其中 32 个强制, 15 个推荐。我国的 EMC 标准绝大多数引进国际标准。其来源包括: 国际无线电干扰特别委员会出版物。例如 GB/T6113,GB14023 国际电工委员会。例如 GB4365,GB/T13926 部分引自美国军用标准。例如 GB15540 部分引自国际电信联盟有关文件。例如 GB/T15658 引自国外先进标准。例如 GB6833 根据我国自己的科研成果制定的标准, 例如 GB/T15708 为了世界贸易的 需要,我国的很多 EMC 标准都采用了 CISPR 和 IEC 标准。实际上,世 界上大多数国家采用 CISPR 和 IEC 的标准。

1.2.2

EMC 标准拟订的理论基础

EMC 标准的主要内容之一就是规定电磁骚扰和电磁抗扰度的极限值,极 限值的制订在理论上应该满足下图所示的原则:

图 1-1 EMC 标准拟订的理论基础

EMI 和 EMS 是相互对立的两个方面, 上图说明, 设备的 EMI 极限值与 E MS 极限值之间应该留有足够的余量(IM) ,即设备 EMI 发射要小于其抗 扰度(EMS) ,这样设备才有足够的抗干扰能力。另一方面,设备的 EMI、 EMS 实测值应该与极限值之间有足够的余量。 比如在 EN300 386 标准中, 辐射发射的极限值(EMI Limit)为 40dBuV/m,而辐射抗扰度极限值为 130dBuV。由此可见,EMI、EMS 极限值之间余量的重要性。

1.2.3

电磁兼容标准的分类

电磁兼容标准

可以分为:基础标准、通用标准、产品类标准和专用标准。 基础标准是制订其他 EMC 标准的基础,它描述了 EMC 现象,规定了电 磁骚扰发射和抗扰度的测试方法、测试设备和布置,同时定义了试验等 级和性能判据,但并不涉及到具体的产品。例如: IEC61000-X- X 系列标准。 产品类标准和专用标准是针对某种产品系列和专用产品的 EMC 测试而制 订的。它往往引用了基础标准的内容,同时根据产品的特殊性对测试作 出更加详细的规定。对于骚扰发射测试,它规定了产品的骚扰发射限值。 对于抗扰度试验,它规定了产品应该达到的试验等级和性能判据。如: CISPR11 EN55011:ISM 工科医设备的发射要求 CISPR22 EN55022:ITE 信息技术设备的发射要求 CISPR24 EN55024:ITE 信息技术设备的抗扰性要求 GB6833 电子测量仪器电磁兼容试验规范 通常专用的产品 EMC 标准包含在某种特定产品的一般用途标准中, 而不 形成单独的 EMC 标准。例如:计算机:GB9813-88:微型数字电子计 算机通用技术条件其中包括电磁兼容检测项目,要求按 GB6833.2~GB6

833.6、GB9254 进行。 通用标准是按照产品使用的环境来分类的,例如欧洲标准中分类是按下 表进行的。通用标准规定了设备应该在哪些端口作发射和抗扰度试验, 包括设备的交、直流电源端口、信号和数据线端口、机壳、接地点等, 同时也规定了可以依据的基础标准。 如: EN50082-1:居民区、商业区和轻工业区环境抗扰度通用标准 EN50082-2:工业区环境抗扰度通用标准 EN50081-1:居民区、商业区和轻工业区环境发射通用标准 EN50081-2:工业环境的发射通用标准

表1 -2 欧洲通用标准的分类

使用环境 民用、商用、轻工业区 工业区 通用发射标准 EN50081-1 EN50081-2 通用抗扰度标准 EN50082-1 EN50082-2

1.2.4

产品的电磁兼容标准遵循原则

产品依照标准的原则依照如此的顺序:专用产品类标准→产品类标准→ 通用标准

即一个产品如果有专用产品类标准,则他的 EMC 性能应该满足专用产品类标准的要求;如 果没有,则应该采用产品类标准进行 EMC 试验,如果没有产品类标准,则用通用标准进行 EMC 试验,以此类推。

1.1 电磁兼容测试技术简介

1.1.1

概述

电磁兼容测试是根据有关电磁兼容标准规定的方法对设备进行测试,评 估其是否达到标准要求。 产品在定型和进入市场之前 EMC 性能必须达到 标准要求。

1.1.2

EMC 测试项目

EMC 测量主要分两大类: 电磁干扰 EMI(Electromagnetic Intreference) 测试和电磁抗扰性 EMS (Electromagnetic Susceptibility)测试。

1.1.3

电磁发射

1. 辐射发射 RE(Radiated Emission) ( )

测试通过空间传播的电磁能量。

2. 传导发射 CE( Condu

cted Emission) ( )

测试沿电源线、控制线或信号线传播的电磁能量。

1.1.4

抗扰性 EMS

1. 辐射敏感度试验 RS(Radiated Susceptibility) ( ) :

测试被试设备对空间电磁骚扰的抗扰性。

2. 工频 磁场辐射敏感度试验 PMS (Power ncy magnetic susceptibility) )

检验电子电气产品对工频磁场的抗扰性。

freque

3. 射频场感应的传导敏感度 CS (Conducted susc eptibility) )

测试被试设备对沿电源线、控制线或信号线传输的电磁能量的敏感度。

4. 电快速瞬态脉冲群抗扰度 EFT /B(Electrical fast ( transient burst) )

模拟对电感性负载的切换(如继电器、接触器) ;对高压开关的切换(如 真空开关、六氟化硫)设备的干扰。放电波形为 5ns/50ns(上升沿 5ns, 半波时间 50ns)的脉冲串,脉冲串持续时间 15ms,脉冲周期为 300ms。 特点是上升时间快、持续时间短、能量低,但有较高的重复频率。

5. 浪涌抗扰度 SURGE

模拟电网中的故障;雷击(直接或间接)对设备的干扰,,电网中的开关 操作。放电波形为开路电压 1.2us/50us、短路电流 8us/20us 的脉冲。 特 点是上升时间慢(相对 EFT/B) 、持续时间较长、能量大。

6. 电压跌落与中断抗扰度 DIP/interruption

模拟由低压、中压或高压网络中的故障所造成(短路或接地故障)的电 压瞬时跌落和中断;以及由连接到电网的负荷连续变化引起的电压变化。

7. 电力线感应 接触(Power induction/contact) 电力线感应/接触( 接触 )

模拟室外信号线与电力线距离过近或接触故障。

8. 静电放电抗扰度 ESD(Electrostatic discharge) ( )

模拟操作人员或物体在接触设备时的放电以及人或物体对邻近物体的放 电。

1.2 EMC 测试结果的评价

对 EMI 测试结果以是否达到某个限制要求为准则; 对于 EMS 试验, 其性 能判据可分为四个等级: A 级:试验中性能指标正常; B 级:试验中性能暂时降低,功能不丧失,试验后能自行恢复; C 级:功能允许丧失,但能自恢复,或操作者干预后能恢复; R 级:除保护元件外,不允许出现因设备(元件)或软件损坏或数据丢失 而造成不能恢复的功能丧失或性能降低。

1.3 产品 EMC 设计的重要性

产品的 EMC 设计是保证产品的 EMC 性能,而产品的 EMC 性能的好坏 直接涉及到电子产品的市场准入;随着电子设备的大量运用,各国都感 觉到产品 EMC 性能的重要性, 纷纷从法规上提出对进入本国市场的电子 产品的 EMC 要求,如:

欧共体--89/336/EEC DIRECTIVE------明确要求产品 必须符合欧共体有关 EMC 标准要求,否则不得在欧共体市 场销售。违者将可能受到罚金及市场禁入的惩罚。 美国则要求进入本国的通信产品必须符合 FCC PART 15 与 68

的要求; 韩国则要求通信产品必须符合 EMC 要求,否则不发给 入网证。 中国家电产品已强制执行 EMC 标准;通信电源产品 2 001 年 10 月已开始执行 EMC 标准, 而公司部分产品开发受 此影响,进度推迟。

另外产品的 EMC 性能好坏,还关系到产品的稳定性,影响客户满意度; 主要表现在:

产品 EMC 设计考虑不周易引起内部串扰,影响产品稳 定性; 抗外部干扰能力差,工作难稳定; 产生干扰会引起客户投诉。

最后产品的 EMC 性能好坏还与产品的竞争力密切相关。 相同的产品有还 是没有通过 CE 认证在市场竞争中常常可以起到决定性的作用。

所以我们为了参与国际竞争, 成为国际化的大公司就必须进行产品的 EM C 设计,解决产品的 EMC 问题。

1.4 产品的认证

产品通过特定的测试流程,表明产品符合相应政策、法令、法规的过程, 称产品认证。以 CE 认证为例,简述产品认证的基本流程如下:

产品 EMC、安规性能达到标准要求; 提出认证要求,联系认证公司(Competent Body)进 行认证测试(自我宣称方式不需要该步骤); 认证公司给出认证证书(COC)、报告; 签署符合性声明(Declaration of Conformity,由专业 实验室负责); 在产品上贴上 CE 标志;

任何产品都要经过测试,发表 DOC 声明,加贴 CE 标记才能最后进入欧 洲市场。其他国家的产品认证过程也与此相似。CE 标记如下图所示,可 按比例缩放。

图 1-1 CE 标记图

EMC 电磁兼容基础知识(一) 1.1 电磁兼容概述 电磁兼容是一门新兴的综合性学科。 电磁兼容学科主要研究的是 如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子设备和元器件都 能正常工作,互不干扰,达到兼容状态。我公司的电磁兼容研究 主要针对电气电子设备,…

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