EMC概念介紹

EMC（electromagnetic compatibility）作為產(chǎn)品的一個(gè)特性，譯為電磁兼容性；如果作為一門(mén)學(xué)科，則譯為電磁兼容。它包括兩個(gè)概念：EMI和EMS。EMI(electromagneticinterference)電磁干擾，指自身干擾其它電器產(chǎn)品的電磁干擾量。EMS (electromagneticsusceptibility)電磁敏感性，也有稱為電磁抗擾度，是指能忍受其它電器產(chǎn)品的電磁干擾的程度。因此，電磁兼容性EMC一方面要濾除從電源線上引入的外部電磁干擾(輻射+傳導(dǎo))，另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。EMC濾波器主要是用來(lái)濾除傳導(dǎo)干擾，抑制和衰減外界所產(chǎn)生的噪聲信號(hào)干擾和影響受到保護(hù)的設(shè)備，同時(shí)抑制和衰減設(shè)備對(duì)外界產(chǎn)生干擾。而輻射干擾主要通過(guò)屏蔽的手段加以濾除。

從濾波器的功能來(lái)看，它的作用是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過(guò)，而另外一部分無(wú)用頻率的信號(hào)則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。而我們常見(jiàn)的低通濾波器功能是允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量或干擾噪聲。

電源噪聲干擾在日常生活中很常見(jiàn)。比如你正在使用電腦的時(shí)候，當(dāng)手機(jī)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，電腦音響會(huì)有雜音。比如電話或手機(jī)通話時(shí)有嗞嗞的雜聲。又比如使用電吹風(fēng)燙頭發(fā)時(shí)，電視機(jī)不但會(huì)產(chǎn)生噪音，而且屏幕會(huì)出現(xiàn)很大的雪花般的條紋。這都是一些常見(jiàn)的噪聲信號(hào)干擾，但實(shí)際上有些干擾日常看不到，一但受到影響就有可能措手不及，甚至找不到根源。這些噪聲信號(hào)如果出現(xiàn)在自動(dòng)化儀器，醫(yī)療儀器有可能帶來(lái)極大的損失甚至生命**。比如，會(huì)造成自動(dòng)化儀器誤動(dòng)作，造成醫(yī)療儀器失控等等。

我們常說(shuō)的噪聲干擾,是指對(duì)有用信號(hào)以外的一切電子信號(hào)的一個(gè)總稱，也可以理解為電磁干擾。*初，人們把造成收音機(jī)之音響設(shè)備所發(fā)出噪聲的那些電子信號(hào)，稱為噪聲。但是，一些非有用電子信號(hào)對(duì)電子電路造成的后果并非都和聲音有關(guān)，因此，后來(lái)人們逐步擴(kuò)大了噪聲概念。如：某一頻率的無(wú)線電波信號(hào)，對(duì)需要接收這種信號(hào)的接收機(jī)來(lái)講，它是正常的有用信號(hào)，而對(duì)于另一頻率的接收機(jī)它就是一種無(wú)用信號(hào)，即是噪聲。

噪聲按傳播路徑來(lái)分可分為傳導(dǎo)噪聲干擾和空間噪聲干擾。其傳導(dǎo)干擾主要通過(guò)導(dǎo)體傳播,通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò),其頻譜主要為30MHz以下。而空間噪聲干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò),其頻率范圍比傳導(dǎo)噪聲頻率寬很多,30Hz-30GHz。傳導(dǎo)噪聲干擾可以通過(guò)設(shè)計(jì)濾波電路或追加濾波器的方法來(lái)進(jìn)行抑制和衰減，而空間輻射干擾主要通過(guò)主要應(yīng)用密封屏蔽技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上實(shí)行電磁封閉。目前為減少重量大都采用鋁合金外殼，但鋁合金導(dǎo)磁性能差，因而外殼需要鍍一層鎳或噴涂導(dǎo)電漆，內(nèi)壁貼覆高導(dǎo)磁率的屏蔽材料。

上面我們提到傳導(dǎo)噪聲干擾，又分為差模干擾與共模干擾兩種。差模干擾是兩條電源線之間（簡(jiǎn)稱線對(duì)線）的噪聲，主要通過(guò)選擇合適的電容(X電容)，差模線圈來(lái)進(jìn)行抑制和衰減。共模干擾則是兩條電源線對(duì)大地（簡(jiǎn)稱線對(duì)地）的噪聲，主要通過(guò)選擇合適的電容（Y電容），和共模線圈來(lái)進(jìn)行抑制和衰減。我們常見(jiàn)的低通濾波器一般同時(shí)具有抑制共模和差模干擾的功能。

感應(yīng)干擾（近場(chǎng)）

常見(jiàn)的電場(chǎng)如兩個(gè)金屬板兩端加電壓。常見(jiàn)的磁場(chǎng)如兩個(gè)磁鐵之間的磁場(chǎng)電磁波的速度在空氣中接近于光速。 波長(zhǎng)=c/f=3x108/f = 300/F(MHz)如，F(xiàn)=10MHz 波長(zhǎng)=30米 r =波長(zhǎng)/2*3.14=4.77米。頻率為10MHz的電磁波發(fā)射源，在離發(fā)射源大于4,77米時(shí)，為遠(yuǎn)場(chǎng)，小于4,77米時(shí)，為近場(chǎng)。

輻射干擾(遠(yuǎn)場(chǎng))

3.1.原理及產(chǎn)生原因

根據(jù)麥克斯韋方程，變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，變化磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。

設(shè)備內(nèi)每個(gè)電路都可能是天線，外殼和電纜都可能是天線的一部分。

我的理解是靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)只對(duì)近距離的設(shè)備產(chǎn)生干擾。交變的電場(chǎng)和交變的磁場(chǎng)不光對(duì)近距離設(shè)備產(chǎn)生干擾，還對(duì)很遠(yuǎn)處的設(shè)備產(chǎn)生干擾。

不論是電場(chǎng)干擾還是磁場(chǎng)干擾遠(yuǎn)距離傳播以后，都是以交變的電磁場(chǎng)形式傳播。

電磁場(chǎng)解釋：
電磁場(chǎng)有內(nèi)在聯(lián)系、相互依存的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)一體和總稱。隨時(shí)間變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，兩者互為因果，形成電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)可由變速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子引起，也可由強(qiáng)弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場(chǎng)總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場(chǎng)是電磁作用的媒遞物，具有能量和動(dòng)量，是物質(zhì)存在的一種形式。電磁場(chǎng)的性質(zhì)、特征及其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律由麥克斯韋方程組確定。

3.2.如何影響設(shè)備

敏感設(shè)備受空間干擾

其中f為頻率B為磁感應(yīng)強(qiáng)度A為面積E為電場(chǎng)強(qiáng)度

3.3.如何濾除輻射干擾

如在源及敏感設(shè)備外圍加屏蔽,隔斷輻射路徑；以及在敏感設(shè)備各端口增加濾波電路,阻止已耦合到端口上噪聲進(jìn)入設(shè)備內(nèi)。

3.4.如何減少輻射干擾

方法1：采用同軸電纜雙絞線絞合電纜。

如MR6；IDM11的電纜線就是絞合電纜

方法2：應(yīng)盡量減小有用信號(hào)的高次諧波成分(頻率越高，輻射越強(qiáng))

方法3：采取屏蔽方法通氣口，盡量用小圓孔，避免用長(zhǎng)條形通氣孔。

普通濾波器原理圖

如圖1，3為差模電容，2為共模電感，4為共模電容。

一般濾波器不單獨(dú)使用差模線圈，因?yàn)楣材ｋ姼袃蛇吚@線不一致等原因，電感必定不會(huì)相同，因此能起到一定的差模電感的作用。如果差模干擾比較嚴(yán)重，就要追加差模線圈。

差模干擾

4.1 差模干擾:簡(jiǎn)單的說(shuō)就是線對(duì)線的干擾。

如圖，我們可以看到差模的原理圖。UDM就是差模電壓，IDM就是差模電流。IDM大小相同，方向相反。

4.2 差模干擾產(chǎn)生的原因
差模干擾中的干擾是起源在同一電源線路之中(直接注入).如同一線路中工作的電機(jī),開(kāi)關(guān)電源，可控硅等，他們?cè)陔娫淳€上所產(chǎn)生的干擾就是差模干擾。

4.3如何影響設(shè)備。
差模干擾直接作用在設(shè)備兩端的，直接影響設(shè)備工作，甚至破壞設(shè)備。（表現(xiàn)為尖峰電壓,電壓跌落及中斷.）

4.4.如何濾除差模干擾主要采用差模電感和差模電容。

4.4-1差模電感工作原理:

可以看到，當(dāng)電流流過(guò)差模線圈之后，線圈里面的磁通是增強(qiáng)的，相當(dāng)于兩個(gè)磁通之和。線圈特性低頻率低阻抗高頻率高阻抗決定了在高頻時(shí)利用它的高阻抗衰減差模信號(hào)。（如圖下圖所示）：

當(dāng)頻率為50Hz時(shí)，線圈阻抗接近于0，相當(dāng)于一根導(dǎo)線，不起任何衰減作用。

當(dāng)頻率為500kHz時(shí)，阻抗達(dá)到5k歐,而理想狀態(tài)下，此時(shí)負(fù)載阻抗一般考慮為50歐，根據(jù)上面公式，此時(shí)差模線圈分得了99%的差模干擾電壓，而負(fù)載只分得了1%的差模干擾電壓。同時(shí)，電流也有很大衰減。(可以算出此時(shí)線圈的差模插入損耗)

4.4-2差模電容工作原理。

可以看到，電容特性低頻率高阻抗高頻率低阻抗。濾波器利用電容在高頻時(shí)它的低阻抗短路掉差模干擾。（如圖下圖所示：）

當(dāng)頻率為50Hz時(shí)，電容阻抗趨近于無(wú)窮大，相當(dāng)于短路，不起任何衰減作用。

當(dāng)頻率為500kHz時(shí)，電容阻抗很小,根據(jù)上式可以看到差模負(fù)載的電流衰減為趨近于0。如當(dāng)頻率為500kHz時(shí)負(fù)載50歐容抗0.05歐。此時(shí)電容分得了99.9%的差模干擾電流，而負(fù)載只分得了0.1%的差模干擾電流。也就是說(shuō)500kHz時(shí)，電容使得差模干擾下降了30dB.

共模干擾

5.1.共模就是共同對(duì)地的干擾：

如圖，我們可以看到共模的原理圖。UPQ就是共模電壓，ICM1ICM2就是共模電流。ICM1ICM2大小不一定相同，方向相同。

5.2.共模干擾產(chǎn)生的原因很多。

主要原因有以下幾點(diǎn)。

1.電網(wǎng)串入共模干擾電壓

2.輻射干擾(如雷電，設(shè)備電弧，附近電臺(tái)，大功率輻射源)在信號(hào)線上感應(yīng)出共模干擾。（原理是交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生交變的電流，由于地線-零線回路面積與地線-火線回路面積不相同，兩個(gè)回路阻抗不同等原因造成電流大小不同）

3.接地電壓不一樣。也就是說(shuō)地電位差異引入共模干擾。

4.也包括設(shè)備內(nèi)部電線對(duì)電源線的影響。

5.3.如何影響設(shè)備。

共模電壓有時(shí)較大，特別是采用隔離性能差的配電供電室，變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過(guò)不對(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測(cè)控信號(hào)，造成元器件損壞，這種共模干擾可為直流、亦可為交流。

如圖

5.4.如何濾除共模干擾(共模線圈共模電容)

5.4-1共模線圈

共模線圈和差模線圈原理比較類似，都是利用線圈高頻時(shí)的高阻抗來(lái)衰減干擾信號(hào)。共模線圈和差模線圈繞線方法剛好相反（如圖）。

因?yàn)椴钅＞€圈在濾除干擾的同時(shí)，還會(huì)一定程度的增加阻抗，而共模線圈對(duì)方向相反的電流基本不起作用，所以我們?cè)谀軌驖M足特性的前提下，一般很少使用差模線圈。

文獻(xiàn)一：這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼)；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場(chǎng)而增大線圈的感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。

文獻(xiàn)二：我們了解電流定律,也知道電流產(chǎn)生磁通后，而且知道相同大小,相同圈數(shù)，不同方向的電流產(chǎn)生的磁通是會(huì)互相抵消,導(dǎo)致整個(gè)共模線圈對(duì)不同方向的電流不起作用，而僅僅讓其通過(guò)；但對(duì)相同方向的電流所產(chǎn)生的磁通，因?yàn)榇磐ǚ较蛳嗤磐](méi)有抵消,故些共模線圈起著阻抗器的作用，壓制了同方向的雜訊電流，達(dá)成抗電磁干擾的目的。

5.4-2共模電容工作原理

共模電容的工作原理和差模電容的工作原理是一致的，都是利用電容的高頻低阻抗，使高頻干擾信號(hào)短路，而低頻時(shí)電路不受任何影響。只是差模電容是兩極之間短路。而共模電容是線對(duì)地短路。3300pF1.6mm引腳共模電容諧振頻率點(diǎn)為19.3MHz**(下面僅為個(gè)人觀念，僅供參考。我覺(jué)得，共模電容不是單獨(dú)工作的。它是和共模電感共同工作組成一個(gè)諧振回路共同起作用?如下圖，因?yàn)槲覍?duì)此沒(méi)有100%把握。等我弄明白再一起討論吧）

穿心電容

在實(shí)際工程中，要濾除的電磁噪聲頻率往往高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz，甚至超過(guò)1GHz。對(duì)這樣高頻的電磁噪聲必須使用穿心電容才能有效地濾除。普通電容之所以不能有效地濾除高頻噪聲，是因?yàn)閮蓚€(gè)原因，一個(gè)原因是電容引線電感造成電容諧振，對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)較大的阻抗，削弱了對(duì)高頻信號(hào)的旁路作用；另一個(gè)原因是導(dǎo)線之間的寄生電容使高頻信號(hào)發(fā)生耦合，降低了濾波效果，如圖下所示。

穿心電容之所以能有效地濾除高頻噪聲，是因?yàn)榇┬碾娙莶粌H沒(méi)有引線電感造成電容諧振頻率過(guò)低的問(wèn)題，而且穿心電容可以直接安裝在金屬面板上，利用金屬面板起到高頻隔離的作用。但是在使用穿心電容時(shí)，要注意的問(wèn)題是安裝問(wèn)題。穿心電容*大的弱點(diǎn)是怕高溫和溫度沖擊，這在將穿心電容往金屬面板上焊接時(shí)造成很大困難。許多電容在焊接過(guò)程中發(fā)生損壞。特別是當(dāng)需要將大量的穿心電容安裝在面板上時(shí)，只要有一個(gè)損壞，就很難修復(fù)，因?yàn)樵趯p壞的電容拆下時(shí)，會(huì)造成鄰近其它電容的損壞。

我的理解是首先，穿心電容是一個(gè)共模電容，它是線對(duì)地的電容。其次，穿心電容是一個(gè)比較理想的電容，它沒(méi)有引線，大大提高了諧振頻率點(diǎn)。

我沒(méi)有具體測(cè)過(guò)，但是從插入損耗曲線可以推斷，在頻率為100M-10G時(shí)，穿心電容有很低的阻抗，很接近理想電容曲線。