實踐電磁兼容技術

第1 章 基礎知識 ............................................................................................................ 1
1.1 電磁兼容 ........................................................................................................................ 1
1.1.1 什麼是電磁兼容 ................................................................................................. 1
1.1.2 電磁兼容標準 ..................................................................................................... 3
1.1.3 電磁兼容設計的目的和內容 ............................................................................. 5
1.2 電磁兼容三要素 ............................................................................................................ 6
1.2.1 電磁幹擾源的特性 ............................................................................................. 7
1.2.2 電磁敏感源的特性 ............................................................................................. 8
1.2.3 電磁幹擾耦合路徑 ........................................................................................... 10
1.3 共模電流 ...................................................................................................................... 11
1.3.1 位移電流 ........................................................................................................... 11
1.3.2 共模電流 ........................................................................................................... 12
1.4 電磁波的輻射 .............................................................................................................. 15
1.4.1 基本天線結構 ................................................................................................... 15
1.4.2 實際電路的輻射 ............................................................................................... 18
1.4.3 波阻抗 ............................................................................................................... 19
1.4.4 寄生天線 ........................................................................................................... 19
1.5 頻域分析 ...................................................................................................................... 20
1.5.1 傅裏葉變換 ....................................................................................................... 21
1.5.2 梯形波的頻譜包絡線 ....................................................................................... 23
1.5.3 脈沖信號頻譜的控制 ....................................................................................... 25
1.5.4 頻譜分析儀的原理與應用 ............................................................................... 26
1.6 分貝的概念 .................................................................................................................. 28
1.6.1 分貝的定義 ....................................................................................................... 28
1.6.2 分貝在電磁兼容中的應用 ............................................................................... 28
實踐電磁兼容技術
·VIII·
第2 章 電磁幹擾的耦合路徑 ........................................................................................ 31
2.1 電源形成的耦合路徑 .................................................................................................. 31
2.1.1 電源形成耦合路徑的原理 ............................................................................... 31
2.1.2 電源耦合的解決方法 ....................................................................................... 33
2.2 地線的耦合路徑 .......................................................................................................... 35
2.2.1 地線耦合的機理 ............................................................................................... 35
2.2.2 地線耦合的解決方法 ....................................................................................... 36
2.3 電場耦合 ...................................................................................................................... 37
2.3.1 電場耦合的機理 ............................................................................................... 37
2.3.2 電容耦合的消除 ............................................................................................... 39
2.3.3 關於屏蔽體的接地位置 ................................................................................... 41
2.4 磁場耦合 ...................................................................................................................... 41
2.4.1 磁場耦合的機理 ............................................................................................... 41
2.4.2 磁場泄漏的控制 ............................................................................................... 42
2.4.3 磁場接收的控制 ............................................................................................... 43
2.4.4 磁場接收的屏蔽 ............................................................................................... 47
2.5 電場耦合與磁場耦合的比較 ...................................................................................... 51
第3 章 地線與電磁兼容的關系 .................................................................................... 54
3.1 地線的種類 .................................................................................................................. 55
3.1.1 安全保護地 ....................................................................................................... 55
3.1.2 靜電保護地 ....................................................................................................... 56
3.1.3 雷電保護地 ....................................................................................................... 57
3.1.4 電路地 ............................................................................................................... 57
3.1.5 射頻地 ............................................................................................................... 58
3.2 地線的阻抗 .................................................................................................................. 60
3.2.1 地線阻抗有什麼影響 ....................................................................................... 60
3.2.2 導體的阻抗 ....................................................................................................... 61
3.2.3 電流回路的阻抗 ............................................................................................... 64
3.3 地環路幹擾 .................................................................................................................. 65
3.3.1 地環路幹擾現象 ............................................................................................... 65
3.3.2 保護地導致的地環路幹擾 ............................................................................... 67
3.3.3 金屬機箱/機櫃上的地環路幹擾 ...................................................................... 68
3.4 地環路幹擾的解決方法 .............................................................................................. 69
3.4.1 設置幹凈的保護地 ........................................................................................... 69
目錄
·IX·
3.4.2 切斷兩個電路之間的電氣連接 ....................................................................... 71
3.4.3 平衡電路 ........................................................................................................... 73
3.5 公共地線阻抗導致的幹擾問題 .................................................................................. 74
3.6 地線的設計原則 .......................................................................................................... 75
3.6.1 從地線的目的出發 ........................................................................................... 75
3.6.2 安全保護地 ....................................................................................................... 76
3.6.3 電路地 ............................................................................................................... 76
3.6.4 射頻地 ............................................................................................................... 77
3.7 搭接 .............................................................................................................................. 82
3.7.1 搭接的種類 ....................................................................................................... 83
3.7.2 搭接的可靠性 ................................................................................................... 85
第4 章 電磁屏蔽技術 .................................................................................................. 88
4.1 電磁屏蔽的目的與屏蔽效能 ...................................................................................... 88
4.2 完整屏蔽材料的屏蔽效能 .......................................................................................... 92
4.2.1 電磁屏蔽不需要接地 ....................................................................................... 92
4.2.2 屏蔽效能的計算 ............................................................................................... 93
4.2.3 反射損耗 ........................................................................................................... 94
4.2.4 吸收損耗 ........................................................................................................... 97
4.2.5 多次反射修正因子 ........................................................................................... 98
4.2.6 綜合屏蔽效能 ................................................................................................... 98
4.3 低頻磁場的屏蔽方法 .................................................................................................. 99
4.4 影響屏蔽體屏蔽效能的關鍵因素 ............................................................................ 101
4.4.1 孔洞的電磁泄漏 ............................................................................................. 102
4.4.2 縫隙的電磁泄漏 ............................................................................................. 104
4.4.3 貫通導體的電磁泄漏 ..................................................................................... 105
4.5 截止波導管 ................................................................................................................ 105
4.6 縫隙的處理 ................................................................................................................ 108
4.7 電磁密封襯墊的使用 ................................................................................................ 110
4.8 屏蔽面板的屏蔽設計 ................................................................................................ 116
4.9 貫通導體的處理 ........................................................................................................ 117
4.10 導電塗覆層 .............................................................................................................. 118
第5 章 電磁幹擾濾波技術 ......................................................................................... 120
5.1 電磁幹擾濾波在電磁兼容設計中的作用 ................................................................ 120
5.1.1 概述 ................................................................................................................. 120
實踐電磁兼容技術
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5.1.2 與濾波有關的電磁兼容問題舉例 ................................................................. 122
5.2 差模濾波和共模濾波 ................................................................................................ 125
5.2.1 差模濾波 ......................................................................................................... 125
5.2.2 共模濾波 ......................................................................................................... 126
5.3 濾波器的插入損耗 .................................................................................................... 129
5.3.1 插入損耗的定義 ............................................................................................. 129
5.3.2 插入損耗的測量 ............................................................................................. 130
5.4 電磁幹擾濾波器的電路設計 .................................................................................... 132
5.4.1 電磁幹擾濾波器的基本電路 ......................................................................... 132
5.4.2 電容的接地點 ................................................................................................. 133
5.4.3 電路的器件數量 ............................................................................................. 134
5.4.4 濾波電路形式的確定 ..................................................................................... 136
5.4.5 濾波電路中器件參數的確定 ......................................................................... 137
5.4.6 濾波電路的插入增益問題 ............................................................................. 138
5.5 電磁幹擾濾波器實現中的問題 ................................................................................ 139
5.5.1 器件參數對濾波特性的影響 ......................................................................... 140
5.5.2 濾波電容的因素 ............................................................................................. 142
5.5.3 濾波電感的因素 ............................................................................................. 143
5.5.4 屏蔽對濾波電路的影響 ................................................................................. 144
5.5.5 濾波器結構的因素 ......................................................................................... 145
5.6 濾波電容的使用 ........................................................................................................ 147
5.6.1 濾波電容的種類 ............................................................................................. 147
5.6.2 濾波電容的並聯使用 ..................................................................................... 148
5.6.3 減小濾波電容引線的影響 ............................................................................. 149
5.6.4 穿心電容 ......................................................................................................... 151
5.7 電感器件的基本知識 ................................................................................................ 152
5.7.1 電感的定義 ..................................................................................................... 152
5.7.2 電感的計算 ..................................................................................................... 153
5.8 電感的磁芯 ................................................................................................................ 155
5.8.1 磁性材料 ......................................................................................................... 155
5.8.2 電磁幹擾濾波器磁芯的主要種類 ................................................................. 158
5.8.3 電磁幹擾濾波器磁芯的主要特性 ................................................................. 159
5.8.4 抗EMI 鐵氧體 ................................................................................................ 161
5.8.5 磁粉芯 ............................................................................................................. 167
5.8.6 非晶合金 ......................................................................................................... 168
目錄
·XI·
5.9 電感的制作方法 ........................................................................................................ 169
5.9.1 制作電感需要考慮的主要問題 ..................................................................... 170
5.9.2 共模電感 ......................................................................................................... 171
5.9.3 電感的繞制方法 ............................................................................................. 173
5.10 低通濾波器對脈沖幹擾的抑制作用 ...................................................................... 174
第6 章 電路與印制電路板的電磁兼容設計 ................................................................ 177
6.1 電路輻射發射的機理 ................................................................................................ 178
6.1.1 電路的輻射模型 ............................................................................................. 178
6.1.2 差模輻射的估算 ............................................................................................. 179
6.1.3 共模輻射的估算 ............................................................................................. 181
6.2 電路受幹擾的機理 .................................................................................................... 183
6.3 數字電路的輻射 ........................................................................................................ 184
6.4 時鐘信號 .................................................................................................................... 186
6.5 電路地線的設計 ........................................................................................................ 190
6.5.1 控制電流回路的面積 ..................................................................................... 190
6.5.2 地平面的使用 ................................................................................................. 193
6.5.3 PCB 多層板的註意事項 ................................................................................. 195
6.6 電源線的相關問題 .................................................................................................... 199
6.6.1 二次電源模塊的幹擾與控制 ......................................................................... 200
6.6.2 數字電路的電源幹擾與控制 ......................................................................... 202
6.7 I/O 電路的相關問題 .................................................................................................. 206
6.7.1 平衡電路 ......................................................................................................... 206
6.7.2 I/O 濾波電路 ................................................................................................... 208
6.7.3 I/O 濾波電路的實現 ....................................................................................... 211
6.7.4 I/O 濾波電路的電容 ....................................................................................... 214
6.7.5 I/O 端口的位置 ............................................................................................... 215
6.8 敏感電路的濾波 ........................................................................................................ 216
6.9 電路地與金屬機箱的連接 ........................................................................................ 218
6.10 PCB 上串擾的控制 .................................................................................................. 221
6.11 金屬機箱內部的互連電纜 ...................................................................................... 222
6.12 PCB 的局部屏蔽...................................................................................................... 224
第7 章 傳導發射的控制 ............................................................................................. 228
7.1 傳導發射的要求與測量 ............................................................................................ 228
7.1.1 傳導發射的限制 ............................................................................................. 228
實踐電磁兼容技術
·XII·
7.1.2 諧波電流發射試驗 ......................................................................................... 232
7.1.3 射頻傳導發射的測量 ..................................................................................... 233
7.1.4 電源線功率發射試驗 ..................................................................................... 236
7.2 傳導發射產生的機理 ................................................................................................ 236
7.3 開關電源的工作原理與幹擾特征 ............................................................................ 240
7.3.1 開關電源的工作原理 ..................................................................................... 240
7.3.2 開關電源的幹擾特征 ..................................................................................... 243
7.4 開關電源傳導發射的控制原理 ................................................................................ 246
7.4.1 差模傳導發射的控制原理 ............................................................................. 246
7.4.2 共模傳導發射的控制原理 ............................................................................. 248
7.5 電源線濾波器 ............................................................................................................ 251
7.5.1 電源線濾波器的基本電路 ............................................................................. 253
7.5.2 濾波器的參數確定 ......................................................................................... 257
7.5.3 濾波器的制作方法 ......................................................................................... 258
7.5.4 電感的制作方法 ............................................................................................. 261
7.5.5 濾波電容的選擇 ............................................................................................. 263
7.5.6 濾波器的安裝方式 ......................................................................................... 265
7.5.7 成品濾波器的選用 ......................................................................................... 267
7.6 諧波電流的控制 ........................................................................................................ 268
7.6.1 諧波電流產生的原理 ..................................................................................... 268
7.6.2 功率因數的概念 ............................................................................................. 269
7.6.3 諧波電流的控制 ............................................................................................. 270
7.7 電源線傳導發射超標的整改 .................................................................................... 273
7.7.1 電源線傳導發射超標的整改步驟 ................................................................. 273
7.7.2 電源線濾波器插入損耗不足的整改 ............................................................. 274
第8 章 輻射發射的控制 ............................................................................................. 278
8.1 輻射發射的要求與測量 ............................................................................................ 279
8.1.1 輻射發射的限制 ............................................................................................. 279
8.1.2 輻射發射的測量 ............................................................................................. 280
8.1.3 受試設備的狀態 ............................................................................................. 282
8.2 輻射發射是怎樣產生的 ............................................................................................ 282
8.2.1 從設備外部看到的輻射源 ............................................................................. 282
8.2.2 從設備內部看到的輻射源 ............................................................................. 283
8.3 降低輻射發射的方法 ................................................................................................ 284
目錄
·XIII·
8.4 電路和PCB 上采取的輻射發射控制措施 ............................................................... 286
8.4.1 關於時鐘信號 ................................................................................................. 286
8.4.2 二次電源模塊（DC/DC 模塊） .................................................................... 287
8.4.3 地平面的使用 ................................................................................................. 289
8.4.4 電源線去耦電路 ............................................................................................. 289
8.4.5 PCB 外拖電纜端口的位置 ............................................................................. 290
8.5 PCB 外拖電纜的處理 ................................................................................................ 290
8.5.1 PCB 外拖電纜的輻射原理 ............................................................................. 290
8.5.2 共模扼流圈的使用 ......................................................................................... 292
8.5.3 共模濾波電容的使用 ..................................................................................... 294
8.5.4 PCB 外拖電纜的屏蔽 ..................................................................................... 295
8.6 金屬機箱/機櫃與結構上的措施 ............................................................................... 296
8.6.1 內部電路的屏蔽 ............................................................................................. 298
8.6.2 金屬機箱/機櫃的必要性 ................................................................................ 300
8.6.3 屏蔽機箱/機櫃的註意事項 ............................................................................ 301
8.7 設備外部電纜的輻射發射控制 ................................................................................ 302
8.7.1 共模濾波 ......................................................................................................... 303
8.7.2 電纜屏蔽 ......................................................................................................... 304
8.8 屏蔽電纜的屏蔽效能 ................................................................................................ 307
8.9 電源線輻射發射的控制 ............................................................................................ 309
8.10 輻射發射超標問題的整改 ...................................................................................... 313
8.10.1 輻射發射超標問題整改的基本原理 ........................................................... 313
8.10.2 輻射發射超標原因的判別 ........................................................................... 314
8.10.3 信號電纜輻射發射過強的原因 ................................................................... 317
8.10.4 電源線輻射發射過強的原因 ....................................................................... 318
8.10.5 機箱輻射發射過強的原因 ........................................................................... 319
8.10.6 輻射發射的整改 ........................................................................................... 320
8.11 降低輻射發射的實例 .............................................................................................. 322
8.11.1 PCB 改進對差模輻射的影響 ....................................................................... 323
8.11.2 開關電源的影響 ........................................................................................... 325
8.11.3 外拖電纜的影響 ........................................................................................... 325
8.11.4 其他措施 ....................................................................................................... 326
第9 章 抗擾性設計 .................................................................................................... 328
9.1 電快速脈沖試驗與對策 ............................................................................................ 328
9.1.1 電快速脈沖試驗 ............................................................................................. 328
實踐電磁兼容技術
·XIV·
9.1.2 電源線上的電快速脈沖試驗對受試設備的影響 ......................................... 332
9.1.3 電源線上的電快速脈沖試驗措施 ................................................................. 333
9.1.4 信號線上的電快速脈沖試驗對電路的影響 ................................................. 336
9.1.5 信號線上的電快速脈沖試驗措施 ................................................................. 337
9.2 浪湧試驗與對策 ........................................................................................................ 339
9.2.1 浪湧試驗 ......................................................................................................... 340
9.2.2 浪湧對電子設備的影響 ................................................................................. 344
9.2.3 浪湧保護器 ..................................................................................................... 345
9.2.4 浪湧保護電路 ................................................................................................. 350
9.3 輻射抗擾性試驗 ........................................................................................................ 353
9.3.1 輻射抗擾性試驗介紹 ..................................................................................... 353
9.3.2 通過輻射抗擾性試驗的設計方法 ................................................................. 355
9.4 靜電放電試驗 ............................................................................................................ 356
9.4.1 靜電放電試驗介紹 ......................................................................................... 357
9.4.2 間接放電對設備的影響與解決方法 ............................................................. 359
9.4.3 直接放電對設備的影響與解決方法 ............................................................. 360
9.4.4 非接觸式直接放電對電路的影響與防護措施 ............................................. 363
9.5 GJB 151B—2013 的主要敏感度試驗 ...................................................................... 366
9.5.1 CS101 試驗 ..................................................................................................... 366
9.5.2 CS106 試驗 ..................................................................................................... 368
9.5.3 CS114 試驗 ..................................................................................................... 370
9.5.4 CS115 試驗 ..................................................................................................... 374
9.5.5 CS116 試驗 .....................................................................................................