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什么是电磁兼容?

电磁兼容性(EMC)是指所有电子和机电设备和机器在的环境中运行,彼此之间没有干扰。或者说:每个设备不得受到其他设备的干扰,反之亦然。

分类: 动态

发布时间: 2023-02-22 14:28:40

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新闻来源:

什么是电磁兼容?

Electromagnetic Compatibility 电磁兼容通俗易懂的解释:

 

电磁兼容性(EMC)是指所有电子和机电设备和机器在的环境中运行,彼此之间没有干扰。或者说:每个设备不得受到其他设备的干扰,反之亦然。

 

本章向您介绍EMCEMI

 

1.       什么是EMC

2.       EMCEMI之间的区别是什么?

3.       耦合路径~

 

到底什么是EMC电磁兼容?

EMC代表电磁兼容性。市场上的每个电子设备/机器都必须符合EMC标准,这意味着它必须满足产品的EMC法规和标准。这些EMC法规和标准是指产品销售的国家(如欧盟或美国等)定义的产品。

 

下图为EMC涉及的定义:

 

根据法规要求,符合EMC法规的产品必须满足以下一点或几点:

 

不干扰环境中的其他设备/机器(干扰)。

不受环境中其他设备/机器的干扰(抗扰)。

不会被静电放电(ESD事件打乱或破坏。示例如下:

1.       人体产生的ESD脉冲(人员携带的ESD)。

2.       大气条件中静态降水(Precipitation Static)导致的飞机充电。

3.       悬停飞机垂直补给期间的静电放电(直升机机载ESD)。

不能被电磁脉冲(EMP扰乱或破坏。EMP是一个特殊的主题,与国防和军事设备有着密切的联系。EMP有以下几种类型:

 

1.       核武器爆炸产生的核电磁脉冲NEMP - Nuclear Electromagnetic Pulses)。

2.       核武器在高空(30km–400km)引爆产生的高空电磁脉冲(HEMP - High-altitude Electromagnetic Pulses)。

3.       由炸弹、巡航导弹或无人机的有效载荷在不使用核技术的情况下产生的非核电磁脉冲(NNEMP - Non-Nuclear Electromagnetic Pulses)。

4.       自然雷击引起的雷电电磁脉冲(LEMP - Lightning Electromagnetic Pulses)。

 

在下图中,您可以看到一台机器(例如自动售货机)必须对其他设备的ESD、传到干扰,辐射干扰具有一定的免疫力。另一方面,机器本身不得扰乱环境中的机器和设备(保持低放射)。

 

EMCEMI之间的区别是什么?

EMCEMI是与电磁场(EMC)和电磁干扰(EMI)相关的两个术语,它们有以下区别:

 

EMC是指在某个设备或系统中有效地管理电磁能量,以确保该设备或系统在电磁环境中正常工作的能力。EMC的目标是通过设计和测试来确保设备或系统不会对其周围的环境产生不良影响。

 

EMI是指电磁场干扰,是指一个电子设备被另一个电子设备或其它电磁场所干扰的情况。EMI的目标是减少或消除干扰,以确保设备或系统在不受干扰的情况下正常工作。

 

因此,EMC是在设备或系统内部处理电磁能量,而EMI是来自外部源的电磁干扰。EMC旨在使设备或系统具有电磁兼容性,而EMI旨在减少干扰并确保设备或系统能够在干扰环境中正常工作。

 

总之,EMCEMI都涉及到处理电磁能量,但EMC是处理内部电磁兼容性,而EMI是处理外部电磁干扰。

 

耦合路径(Coupling Paths):

EMC中的一个重要概念是耦合路径(Coupling Paths)。首先,让我们看看在电磁干扰(EMI)发生时涉及哪些部分以及为什么专注于耦合路径非常重要:

 

:在现实世界中,存在不需要的电或电磁噪声的来源(在EMC测试中,这些噪声源是人造的,尽可能接近现实世界,例如ESD发生器、脉冲发生器、浪涌发生器、天线等)。

 

耦合路径:噪声需要一条从源到接收方的路径才能影响接收方。这条路径称为耦合路径或耦合通道。

 

接收方:接收方是噪声的接收器或接收方。


上面的图片向我们展示了,如果存在EMIEMC问题,你有以下三个选择:

 

1.       降低噪声源的噪声:

a)       辐射测试:在测试产品的辐射(意味着产品是噪声源)时,您可以通过添加滤波器或将正确的方法应用到您的电子设计(PCB、电缆)来降低噪声。

 

b)       抗扰测试当我们谈论EMC抗扰测试时,噪声值是固定的。例如噪声源是ESD发生器、浪涌发生器或辐射的天线(例如在适用的EMC标准中定义)。

 

2.       消除或更改耦合路径:如果您未通过EMC测试,这通常是您需要关注的地方。在这里,您可以通过改变降低产品的辐射或提高其抗扰能力,而无需重新设计整个产品(例如通过改进屏蔽、向产品的电缆和PCB添加滤波器)。

 

3.       通过软件提高接收方的免疫水平:这可以通过产品软件中的附加功能来实现,从而使产品更加稳健。例如,软件/数字滤波器(例如中值滤波器)、尖峰去除器(去除信号中的尖峰)和健全性检查等。

 

让我们仔细看一下。有不同类型的耦合路径,其中一些是传导性(电气的),一些是非传导性(辐射性的)。下面的图片展示了四种不同类型的耦合:

 

传导或公共阻抗耦合(电气)

电容耦合(近场)

电感耦合(近场)

辐射耦合(远场)

 

 

 

传导或公共阻抗耦合(电气):

传导耦合会发生在两个电路共用一条路径/轨迹连接到地或其他参考平面上时。为什么这可能会导致 EMC 问题呢?例如,如果这些电路中的一个经历了 ESD、突发或浪涌脉冲,可能会通过这个共同的 PCB 轨迹短时间流过高电流,从而向第二个电路引入噪声电压。这就是为什么拥有低阻抗地平面连接到地/机壳很重要。因为通过低阻抗地平面,可以最小化导体耦合。共同地路径或电源路径的情况也经常导致信号完整性差。假设第一个电路驱动一些电力电子元件,而第二个电路是敏感的测量电路。电力电子的高电流(噪声电流)会在所述共同路径/轨迹中引入噪声电压,并导致对测量电路的干扰。

 

电容耦合(近场耦合):

电容耦合是近场耦合的一种,这意味着:噪声源耦合结构和接收方接收结构在 PCB 或电缆束中相对于干扰信号的波长来说比较靠近。电容近场耦合关注的场是 E 场(电场)。辐射的 E 场噪声能量在近场区域通常按 1/r^3 1/r^2(如果 E 场占主导则为 1/r^3,如果 H 场占主导则为 1/r^2)衰减,其中 r 是发射噪声源结构(通常是电缆或金属板)和受信结构(通常是电缆或 PCB 线路)之间的距离。

一般来说,电容耦合是一个问题,当您有噪声源(通常是电缆或金属板)带有快速瞬态信号或高频信号,并且接收方带有高阻抗电路(例如模拟数字转换(ADC)输入)时。

为什么电容耦合在 EMC 测试中会导致问题?以下是一个例子:几根电线在同一电缆中,这意味着每根电线与电缆内的其他电线之间存在电容耦合(电容值随电缆长度和电线彼此靠近程度而增加)。其中一根电线驱动控制系统的复位信号。在 EMC 测试期间,一个 ESD 脉冲发生在连接器引脚上,该引脚连接到电缆中的一根电线。如果没有针对连接器引脚的 ESD 措施,这个脉冲可能通过电容耦合传到同一电缆中的其他电线中,从而可能重置您的控制器(如果控制器复位信号未被正确滤波)。

当涉及信号完整性时,电容耦合也是一个问题:电容耦合的典型示例是时钟线路(噪声源)平行铺设在对敏感模拟传感器信号线路(接收方)的几厘米上。时钟信号的上升时间和下降时间越短,耦合效果越好(对您的电路越差)。

 

电感耦合(近场耦合):

电感耦合是一种近场耦合,这意味着噪声源耦合结构和受影响的接收结构在PCB或电缆束中相对于干扰信号的波长非常靠近。感应近场耦合的关注场是H场(磁场)。辐射的H场噪声能量通常以1/r^31/r^2的速度(如果H场占主导地位则为1/r3,如果E场占主导地位则为1/r2)在近场区域内衰减,其中r是发射噪声源结构(通常是电流环或线圈)和接收方结构(通常是线圈)之间的距离。

般来说,电感耦合是一个问题,其中噪声源具有高电流线路或大回路区域,而接收方则具有低阻抗或大回路区域结构(例如,电缆中的传感器信号,其与底盘结构形成电流回路,因为传感器信号电缆没有靠近底盘)。

电感耦合可能会在EMC测试中引起问题,例如,在ESD测试或浪涌测试期间,由于电流过高,可能会在电缆和PCB线路中流过几千安的电流。

电感耦合也可能会导致信号完整性差。一个典型的例子是高电流脉宽调制(PWM)信号线(因此是高能量H场),并排放置在具有4...20mA信号的传感器信号线旁边,其中传感器信号及其返回电流路径形成大回路结构(PWM信号的磁场可能会耦合进来)。

 

辐射耦合(远场耦合):

辐射耦合是一种远场耦合,这意味着噪声源耦合结构和受害接收结构相对于波长而言彼此相距较远。辐射耦合的关注领域是电磁场(EM 场),其中 H 场和 E 场能量都随着 1/r 的距离衰减。在辐射免疫/敏感 EMC 测试(IEC 61000-4-3)期间,测试设备天线向被测设备辐射预定义的 EM 场。在进行辐射干扰(CISPR 11EN 55011)方面的 EMC 测试时,测试设备天线被放置在预定义的距离处(例如 3 米,10 米),以测量 EUT 所辐射的电磁场。

耦合路径概述和总结:


 

*内容来自于电磁兼容学院 Academy of EMC