研究生电磁兼容总线教学PPT.ppt

电气系统电磁兼容技术与应用,教师：翟 丽 电话：13522885040 68915202 Email：zhaili26bit.edu.cn 北京理工大学机械与车辆工程学院 20092010年第1学期,研究生课程,授课内容,1、电磁兼容导论（3） 2、电磁骚扰源（3） 3、电磁骚扰传输机理（3） 3、有源器件的选型（3） 4、印刷电路板的电磁兼容性设计（6） 5、接地技术（6） 6、屏蔽技术（6） 7、滤波技术（6） 8、瞬态骚扰抑制技术（3） 9、电磁兼容测试设备及场地（3） 10、电磁兼容测试技术技术（3）,第一章 电磁兼容导论,1.1 电磁兼容概念与术语 1.2 电磁干扰的危害 1.3 电磁兼容的历史与发展 1.4 电磁兼容设计的目的与方法 1.5 国际EMC组织,第一章 电磁兼容导论,电磁兼容是一门新兴的综合性学科 不仅仅限于电气电子设备，拓宽到自然干扰源、核电磁脉冲、静电放电；频谱管理工程；电磁辐射对人体的生态效应；信息处理设备电磁泄露产生的失密；检测地震前的电磁辐射，进行震前预防等。 内容十分广泛，实用性很强，几乎所有的现代工业包括航天、军工、电力、通信、交通、计算机、医疗卫生都必须解决电磁兼容问题。 电磁兼容问题是系统可靠运行的关键性问题！,引言,继水质污染、大气污染、噪声污染之后，电磁污染已被世界公认为第四大污染 电磁环境一旦受到严重污染则会带来一系列经济和社会问题，治理恢复则非常困难 1975年专家曾预言，随着城市人口的迅速增长，汽车、电子、通信、计算机与电气设备大量进入家庭，空间人为电磁能量每年增长714 25年后环境电磁能量密度最高可增加26倍，50年可增加700倍，21世纪电磁环境恶化已成定局。,引言,频率范围：0400GHz 研究对象：除传统设施外，涉及芯片级，直到各型舰船、航天飞机、车辆、洲际导弹，甚至整个地球的电磁环境 各国都注重EMC教育和培训及学术交流，以1994年为例，就举办了25次国际性的一流学术交流会和培训班 研究的热点已涉及社会许多方面，如计算机安全、电信设备电磁兼容、航空航天、武器系统电磁兼容导论、电磁场生物效应、地震电磁现象,引言,随着现代科技的发展，电气及电子设备的数量及种类不断增加，使电磁环境日益复杂。 恶劣的电磁环境还会对人类及生态产生不良的影响，使各种设备不能正常运转。 电磁兼容学正是为解决这类问题而迅速发展起来的一门新兴学科。 我国对电磁环境学重要性的认识还很不够，目前仅有少数单位从事相关研究,1.1 电磁兼容概念与术语,电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility） 对于设备或系统的性能指标, 直译为“电磁兼容性”; 但作为一门学科来说， 应为“电磁兼容”。 国家标准GB/T4365-1995电磁兼容术语对电磁兼容所下的定义为“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。” 该标准等同采用IEC60050（电磁兼容术语）。 电磁兼容是研究在有限的空间、有限的时间、有限的频谱资源条件下，各种用电设备（分系统、系统；广义的还包括生物体）可以共存并不致引起降级的一门科学。,电磁兼容性,它有以下三方面的含义 1、电磁环境应是给定的或可预期的； 2、设备、分系统或系统不应产生超过标准或规范规定的电 磁骚扰发射（EMI）限值的要求；电磁骚扰发射就是从骚扰源向外发出电磁骚扰能量的现象，它是引起电磁骚扰的原因。 3、设备、分系统或系统应满足标准或规范所规定的电磁敏感性（EMS）限值或抗扰度（immunity); 电磁敏感性，即在存在电磁骚扰的情况下，设备、分系 统或系统不能避免性能降低的能力； 抗扰度即设备、分系统或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力。,基本要素：空间、时间、频谱 例：航空母舰 空间位置有限：如美国尼米兹(NIMITZ)航空母舰长 332.9m，宽48m，甲板上下需装设各种收、发信机数十 部、各种天线数十付，还有其他各种用电设备 时间：全天24小时，所有的设备与分系统都需要在这些 时间内工作，作战时，几乎所有的设备都进入工作状态 频谱：现在由国际电联(ITU)已经规划的可以利用的无线 电频谱在10kHz400GHz之间，频率再低则进入音频， 而再高则进入光波，任何一种无线电业务都脱离不开这 一频谱范围。,电磁兼容性,Electromagnetic environment 存在于给定场所的所有电磁现象的总和。 给定场所：即空间； 所有电磁现象：包括了全部时间和全部频谱。 IEEE定义:一个设备、分系统或系统在完成其规定 任务时可能遇到的辐射或传导电磁发射电平在各个 不同频段内的功率与时间分布。即存在于一个给定 位置的电磁现象的总和。电磁环境有时可用场强表示。,电磁环境,电磁发射,electromagnetic emission 从源向外发出电磁能的现象 包含传导发射、辐射发射，是无意的，而通信中的发射主要指辐射发射,噪声,Noise 影响信号并可能使信号携带的信息产生畸变的一 种干扰； 电路中除希望信号以外的任何电信号，均定义为 噪声； 由电路非线性导致的失真电信号，虽然也不是 人们希望的信号，但是它不称为噪声，属于电路设 计问题。,干扰,Interference 由于一种或多种发射、辐射、感应或其组合所产生的无 用能量对电子设备的接收产生的影响，其表现为性能下降， 误动或信息丢失，严重时出现设备损坏，如不存在这种无用 能量则此后果可以避免。 由噪声导致的不希望的结果称之为干扰。 噪声和干扰的区别：噪声是原因，干扰是后果；噪声是无 法消除的，它只能被削弱到一定程度，直到它不产生干扰。,敏感度,Susceptibility 一台设备或一个电路承受噪声能量的能力,(对骚扰的)抗扰度immunity,装置、设备或系统面临电磁骚扰不降低运行性能的能力 在GB/T4365-1995中将immunity译为“抗扰性”，根据多数专家意见，认为译为“抗扰度”更合适 (电磁)敏感性(electromagnetic) ： 在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性 能降低的能力 敏感性高，抗扰度低 二者从不同的角度反应装置、设备或系统的抗干扰的能力 军用标体系常用敏感性这一术语；而民用标准体系惯用抗 扰度一词,骚扰限值(允许值) limit of disturbance,对应于规定测量方法的最大电磁骚扰允许电平 限值是人为制定的一个电平，在规定限值时一定需要规定测量方法。 “允许值”一词是我国过去对limit一词的译法。按国家电磁兼容导论 标准，应首选“限值”这一译名,干扰限值(允许值）limit of interference,电磁骚扰使装置、设备或系统最大允许的性能降低 干扰限值是性能降低的指标，而不是电磁现象的指标 (电磁)兼容电平(EM) compatibility level：预期加在工作于指定条件的装置、设备或系统上规定的最大电磁骚扰电平 电磁兼容电平并非绝对最大值，而可能以小概率超出,(骚扰源的)发射电平,emission level 用规定的方法测得的由某一装置、设备或系统发射的某给定电磁骚扰电平 “某给定电磁骚扰”指的是某种电磁场的量，例如，功率、电压、场强、频率,发射/抗扰度限值、兼容电平,损坏阈值 电压损坏阈值、电场损坏阈值、磁场损坏阈值及能量损坏阈值。 当干扰电压超过电压阈值时将引起电子设备的绝缘破坏 干扰的能量超过能量损坏阈值时，电子设备将由于发热而烧坏。 计算机对雷电极为敏感，几公里外的高空雷闪或雷对地闪络，都有可能导致计算机控制设备误动作或损坏。 0.03高斯的磁场强度可造成计算机误动作，2.4 高斯即可使元件击穿。 计算机工作条件：5V/m不安全。 存储器在15V/m下无法工作。 集成电路在雷电感应2.4高斯的磁场下将被损坏。,1.2 电磁干扰的危害,对电力系统的危害,在设计条件相同的情况下, 弱电系统的暂态干扰电压与系统运行电压成三次方关系,对电子系统的危害,美国每年因电磁干扰（包括雷害）而导致设备损坏的损失就达260亿美元,对航空的危害,喷气式民航飞机每50001000小时的飞行平均遭一次雷击 1992年9月16日深圳国际机场因感应雷电过电压导致25套通讯、雷达、导航设备中有5套损坏，几乎使机场停业 1996年广州白云机场由于雷电 导致指挥系统故障而被迫关闭机场 美国联邦航空局的调查结果表明， 这样的事故时有发生，每次事故都 造成几十万到上百上千万元的经济 损失,对计算机网络的危害,1992年，国家气象中心大楼遭雷击，楼内的大型计算机和小型计算机网络中断，整个计算机系统停止工作46小时，气象业务受到严重影响 信息电磁安全,对航天的危害对航天的危害,1961年，意大利发生了一系列的“丘比特”导弹武器系统的雷击事故 1969年11月美国土星“V 阿波罗12”载人飞船在起飞后 出现雷击事故 阿波罗系列登月火箭前后共 发生过7次雷击事故,对航天的危害对航天的危害,1961年，意大利发生了一系列的“丘比特”导弹武器系统的雷击事故 1969年11月美国土星“V 阿波罗12”载人飞船在起飞后 出现雷击事故 阿波罗系列登月火箭前后共 发生过7次雷击事故,对航天的危害对航天的危害,u 欧罗巴火箭故障：欧罗巴火箭的第一发(代号F-11)于1971年11月5日发射。火箭起飞后105s，高度约27km，制导计算机发生故障，姿态失控。约1min后，火箭炸毁 故障分析与模拟试验的结果表明，火箭在主动段飞行中产生了静电荷。这些电荷逐渐积累并贮存于介质材料的表面。由于 气动加热，介质材料温度升高，其电阻值相应减小。 对于静电而言，介质材料便从绝缘体变为导体。这样， 部分电荷便转移到相邻的未接地的金属体上。当飞行高度增加，气压下降到一定值时，即发生静电放电而引起计算机故障，从而导致飞行失败。,对战争的危害,电子战，在1990年的海湾战争期间，美军采用电子干扰战术来干扰伊拉克的武器系统，使之不能正常工作,对社会的危害,小偷利用电磁干扰破坏监控系统,数字视频设备与电视接收机间的干扰,电视机是灵敏度很高的电场波接收设备 数字脉冲信号中含有丰富的高次谐波，这些高次谐波的辐射效率很高 u 条纹来自附近的数字设备，例如计算机、VCD、DVD或其它数字视频设备 u 电磁理论：导体中变化的电流会产生电磁场辐射，电流变化率(频率)越高，则辐射效率越高,对人类社会的影响,长期受到电磁辐射影响人体健康并造成电磁污染 高频辐射大于一定限值时，会使人产生失眠、嗜睡等植物神经功能紊乱，以及脱发、白血球下降、视力模糊、晶状体混浊、心电图改变等症状受损有关联。 据英国星期日独立报网站报道，新的研究显示，手提电话和新的无线电技术可能导致年轻一代未老先衰。瑞典隆德大学索尔福德教授和他的研究小组花了15年来研究手提电话的一种新威胁，辐射可能打开了脑血管障壁，让称为清蛋白的蛋白质进入脑部，该过程跟脑部严重受损有关联。研究仍未证明该过程所造成的长期影响，神经细胞有可能会及时自行修补，但通常在人们60岁时才会“衰老”的神经细胞现在可能在30岁时便会衰老。,对人类社会的影响,北京人民广播电台节目发送塔：每天运转近20小时的中波发射设备，两座塔都有100多米高，东塔距东润260米，发射功率为50千瓦；南塔距东润400米，发射功率为100千瓦，相当于7.5万部手机同时发射信号时的强度（每个手机以2瓦发射功率计）。两座发射塔始建于50年代初并一直使用至今。,1.3 电磁兼容的历史及发展,EMC的发展经历了从“路”到“场”，从低频到高频，从狭义的电磁干扰到广义的电磁兼容的过程。 电磁兼容可以说是一门既古老又年轻的学科 说它古老，是对于电磁干扰的研究可以追溯到19世纪，从无线电波作为通信媒质开始就存在。 说它年轻，是指电磁兼容只是到了近30年，随着数值计算技术的发展，该学科才得到快速的发展。,1.3 电磁兼容的历史及发展,西维赛德于1881年写了一篇“论干扰”的文章，被认为是最重要的早期文献 1883年法拉第发现电磁感应定律，指出变化的磁场在导线中将产生感应电动势 1884年麦克斯韦引入位移电流的概念，指出变化的电场将激发变化的磁场，并由此预言电磁波的存在 1887年柏林电气协会成立了全国干扰问题委员会 1920年左右关于无线电干扰的论文在各种刊物发表 1933年有关国际组织在巴黎举行了一次特别会议，研究如何处理国际性无线电骚扰问题,1.3 电磁兼容的历史及发展,1930年，从电机、电力设备及电气化铁道等产生的射频干扰很快成为了电磁干扰的主要问题 1934年6月28日至30日在巴黎举行了国际无线电干扰特别委员会(CISPR)第一次正式会议，从此开始了对电磁骚扰及其控制技术的世界性的有组织的研究 美国自1945年开始，颁布了一系列电磁兼容方面的军用标准和设计规范，并不断地加以充实和完善，使得电磁兼容技术进入新的阶段 直到20世纪20年代以后各个工业先进国家都日益重视电磁兼容的研究，于是相应的国际组织纷纷成立信息时代，EMC飞速发展,1.3 电磁兼容的历史及发展,美俄等国正在加紧研究对付核电磁脉冲影响的方法 最近十年，美国科研部门集中力量研究保护通信网和某些军用飞机不受高空核爆炸影响的方法 美国前总统里根1982年在宣布美国战略部队现代化计划时说，五角大楼将大力加强它的通信系统。为此拨款近200亿美元，其中大部分用以对付“电磁脉冲(EMP)”的作用 欧美还有一些国家也已投入力量从事这类科研工作,1) 必须走出 “测试修改法”的怪圈 正确运用系统设计法 (评估 预测 分析 设计) EMC设计的效费比EMC介入时间与成本的关系,效/费,成本,设计 研发 产品 市场,阶段,1.4 电磁兼容的目的和方法,经验证明:速度是制胜的法宝,在设备或系统设计的初始阶段,同时进行电磁兼容设计，把电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前,可得到最高的效费比。 如果等到生产阶段再去解决，非但在技术上带来很大的难度,而且会造成人力、财力和时间的极大浪费。,1.4 电磁兼容的目的和方法,2) 电磁兼容设计的目的 (1) 随着现代科技的发展，电气及电子设备的数量及种类不断增加，使电磁环境日益复杂。 在这种复杂的电磁环境中，如何减少相互间的 电磁骚扰： 使各种设备能正常运转。 减轻恶劣的电磁环境对人类及生态产生不良的 影响。 电磁兼容学正是为解决这类问题而迅速发展起 来的一门新兴学科。,1.4 电磁兼容的目的和方法, 产品的各个模块可以共存，不致引起相互骚扰 产品能够通过电磁兼容试验,1.4 电磁兼容的目的和方法,电磁干扰三要素,骚扰源,耦合途径,敏感设备,3) 电磁兼容设计的依据,1.4 电磁兼容的目的和方法,在进行电磁兼容设计时，可根据所采取的措施在实现电磁兼容时的重要性，分层依次进行设计。 第一层为有源器件的选型和印制板设计。 第二层为接地设计。 第三层为屏蔽设计。 第四层为滤波设计和瞬态骚扰抑制. 并且在每一层进行接地、屏蔽和滤波的综合设计和软件抗骚扰。这称为“分层与综合设计法”。,(2) 电磁兼容设计的方法,1.4 电磁兼容的目的和方法,1.5 国际有关EMC组织,国际电工技术委员会(IEC) 1906 任何独立国家都可以成为该委员会成员。这个国家应该建立一个国家委员会或者指定一个适当的研究机构来代表它。 国际无线电干扰特别委员会(CISPR) 1933 CISPR是IEC的下属机构，但是这个委员会是IEC用 字母符号表示而不用数字表示的唯一委员会 国际电信联盟(ITU) 1865年20个国家在巴黎召开第一次会议，产生了第一个电信方面的公约和第一个电报规则 1947年该联盟已成为联合国的一个专门机构,1.5 国际有关EMC组织,国际无线电咨询委员会(CCIR) 1929 国际电信联盟的下属机构，其职责是研究与无线电通信有关的技术和运营问题，并在这方面拟定建议 国际无线电科学联盟(URSI) 1919 国际科学联合会(ISCU)的组织机构 IEEE电磁兼容专业学会(IEEE EMC-S) 1964 1964年跨国电气电子工程师学会将无线电工程师学会的射频干扰学报改名为跨国电气电子工程师学会电磁兼容学报 1978年电磁兼容学组改名为电磁兼容专业学会,1.5 国际有关EMC组织,国内有关EMC的学术组织 欧共体宣布自1996年起所有电工、电子产品均需通过 电磁兼容检测，达不到指标要求的产品一律不得投入市场以来，我国对电磁兼容技术已引起重视，加速了研究步伐。 全国无线电干扰标准化技术委员会、中国电工技术学会电磁兼容委员会、中国电机工程学术电磁干扰专业委员会、中国电源学会电磁兼容委员会、中国通信学会电磁兼容委员会、中国电子学会电磁兼容分会、中国铁道学会电气化专业委员会防干扰学组、中国造船学会电磁兼容学组、各省电磁兼容学会等。 国内EMC试验室建设。,