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电磁干扰

归档日期:07-05       文本归类:防止干扰      文章编辑:爱尚语录

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  电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音,EMI通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生。电磁干扰是人们早就发现的电磁现象,它几乎和电磁效应的现象同时被发现,1981年英国科学家发表“论干扰”的文章,标志着研究干扰问题的开始。1989年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题,使干扰问题的研究开始走向工程化和产业化。

  自从电子系统降噪技术在70 年代中期出现以来,主要由于美国联邦通讯委员会在1990 年和欧盟在1992 提出了对商业数码产品的有关规章,这些规章要求各个公司确保它们的产 品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。

  电磁干扰EMI(Electromagnetic Interference),有传导干扰辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。

  所谓“干扰”,电磁兼容指设备受到干扰后性能降低以及对设备产生干扰的干扰源这二层意思。第一层意思如雷电使收音机产生杂音,摩托车在附近行驶后电视画面出现雪花,拿起电话后听到无线电声音等,这些可以简称其为与“BC I” “TV I” “Tel I”,这些缩写中都有相同的“I”(干扰)(BC:广播)

  那么EMI标准和EMI检测是EMI的哪部分呢?理所当然是第二层含义,即干扰源,也包括受到干扰之前的电磁能量。

  其次是“电磁”。电荷如果静止,称为静电。当不同的电荷向一致移动时,便发生了静电放电,产生电流,电流周围产生磁场。如果电流的方向和大小持续不断变化就产生了电磁波。

  电以各种状态存在,我们把这些所有状态统称为电磁。所以EMI标准和EMI检测是确定所处理的电的状态,决定如何检测,如何评价。

  自然干扰源主要来源于大气层的天电噪声、地球外层空间的宇宙噪声。他们既是地球电磁环境的基本要素组成部分,同时又是对无线电通讯和空间技术造成干扰的干扰源。自然噪声会对人造卫星和宇宙飞船的运行产生干扰,也会对弹道导弹运载火箭的发射产生干扰。

  人为干扰源是由机电或其他人工装置产生电磁能量干扰,其中一部分是专门用来发射电磁能量的装置,如广播、电视、通信、雷达和导航等无线电设备,称为有意发射干扰源。另一部分是在完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发射,如交通车辆、架空输电线、照明器具、电动机械、家用电器以及工业、医用射频设备等等。因此这部分又成为无意发射干扰源。

  功能性干扰源系指设备实现功能过程中造成对其他设备的直接干扰;非功能性干扰源是指用电装置在实现自身功能的同时伴随产生或附加产生的副作用,如开关闭合或切断产生的电弧放电干扰。

  可以把干扰源分为工频与音频干扰源(50Hz及其谐波)、甚低频干扰源(30Hz以下)、载频干扰源(10kHz~300kHz)、射频及视频干扰源(300kHz)、微波干扰源(300MHz~100GHz)。

  任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径(或传输通道)。通常认为电磁干扰传输有两种方式:一种是传导传输方式;另一种是辐射传输方式。因此从被干扰的敏感器来看,干扰耦合可分为传导耦合和辐射耦合两大类。

  传导传输必须在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接,干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器,发生干扰现象。这个传输电路可包括导线,设备的导电构件、供电电源、公共阻抗、接地平板、电阻、电感、电容和互感元件等。

  辐射传输是通过介质以电磁波的形式传播,干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。常见的辐射耦合由三种:1. 甲天线发射的电磁波被乙天线意外接受,称为天线. 空间电磁场经导线感应而耦合,称为场对线.两根平行导线之间的高频信号感应,称为线对线的感应耦合。

  在实际工程中,两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在,反复交叉耦合,共同产生干扰,才使电磁干扰变得难以控制。

  敏感设备是对干扰对象统称,它可以是一个很小的元件或一个电路板组件,也可以是一个单独的用电设备甚至可以是一个大型系统。

  电磁干扰也是变频器驱动系统的一个主要问题。在许多国家,尤其在欧洲,对任何系统可能散发的电磁干扰有严格的限制。由于数码涡旋压缩机的加载和卸载是机械操作,数码涡旋系统产生的电磁干扰可忽略不计。这一独特的特性,不仅使数码系统无需昂贵的电磁抑制电子装置,也增加了其可靠性和简易性。对电站、广播、电视、通信、导航、精密设备、医院、地铁控制装置等场所更适用,更环保。

  interference, electromagnetic (EMI)

  Conducted Electromagnetic Interference

  电磁干扰源包括微处理器微控制器、传送器、静电放电和瞬时功率执行元件,如机电式继电器、雷电等。在微控制器系统中,时钟电路是最大的宽带噪声发生器,而这个噪声被扩散到了整个频谱。随着大量的高速半导体器件的发展,其边沿跳变速率很快,这种电路将产生高达300 MHz的谐波干扰。

  噪声被耦合到电路中最容易被通过的导体传递,如图所示为分析电磁干扰机制。如果一条导线经过一个充满噪声的环境,该导线会感应环境噪声,并且将它传递到电路的其余部分。噪声通过电源线进入系统,由电源线携带的噪声就被传递到了整个电路,这是一种耦合情况。

  耦合也发生在有共享负载(阻抗)的电路中。例如两个电路共享一条提供电源的导线或一条接地导线。如果其中一个电路需要一个突发的较大电流,而两个电路共享电源线,等效接入同一个电源内阻,电流的不平衡会导致另一个电路的电源电压下降。该耦合的影响可以通过减少共同的阻抗来削减。但电源内阻和接地导线是固定不变的。若接地不稳定,一个电路中流动的返回电流就会在另一个电路的接地回路中产生地电位的变动,地电位的变动将会严重降低模/数转换器运算放大器传感器等低电平模拟电路的性能。

  另外,电磁波的辐射存在于每个电路中,这就形成了电路间的耦合。当电流改变时,就会产生电磁波。这些电磁波能耦合到附近的导体中,并且干扰电路中的其他信号。

  所有的电子电路都可能受到电磁干扰。虽然一部分电磁干扰是以射频辐射的方式被直接接受的,但大多数电磁干扰是通过瞬时传导被接受的。在数字电路中,复位、中断和控制信号等临界信号最容易受到电磁干扰的影响。控制电路、模拟的低级放大器和电源调整电路也容易受到噪声的影响。

  发射和抗干扰都可以根据辐射和传导的耦合来分类。辐射耦合在高频中十分常见,而传导耦合在低频中更为常见。

  发射机接收机之间的辐射耦合是由电磁能量通过辐射途径传输而产生的。例如来自附近设备的电磁能量通过直接辐射产生的耦合,或者自然界的与类似的电磁环境耦合进入接收机。

  发射机与接收机之间的传导耦合经由连接两者之间的直接导电通路完成。例如当发射机与接收机共享同一电源线供电时,干扰会经电源线传送;其他传播途径还有信号线或控制线等。

  为了进行电磁兼容性设计,达到电磁兼容性标准,其目的是将辐射减到最小,即降低产品中泄露的射频能量,同时增强其对辐射的抗干扰能力。

  通过如图所示的电磁干扰模型,很容易找到抑制电磁干扰的方法,其方法如下:

  实际工程中遇到电磁干扰问题时,应该以逻辑性的分析来探讨这一问题。不言而喻,只要存在干扰,就必然有干扰源、耦合路径和受扰对象这3个要素。因此,在解决电磁兼容问题时,也要从这3个要素入手进行分析。一般而言,设计一个性能良好的PCB以降低射频能量是最经济有效的方法。而第2个和第3个要素倾向于采用屏蔽技术处理。这在后面会讲述到相关内容。

  理论和实践的研究表明,不管复杂系统还是简单装置,任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件:首先应该具有干扰源;其次有传播干扰能量的途径和通道;第三还必须有被干扰对象的响应。在电磁兼容性理论中把被干扰对象统称为敏感设备(或敏感器)。

  (1)利用屏蔽技术减少电磁干扰。为有效的抑制电磁波的辐射和传导及高次谐波引发的噪声电流, 在用变频器驱动的电梯电动机电缆必须采用屏蔽电缆,屏蔽层的电导至少为每相导线,且屏蔽层应可靠接地。控制电缆最好使用屏蔽电缆;模拟信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线;不同的模拟 信号线应该独立走线,有各自的屏蔽层。以减少线间的耦合,不要把不同的模拟信号置于同 一公共返回线内;低压数字信号线最好使用双屏蔽的双绞线,也可以使用单屏蔽的双绞线。模拟信号和数字信号的传输电缆,应该分别屏蔽和走线)利用接地技术消除电磁干扰。要确保电梯控制柜中的所有设备接地良好,而粗的接地线.连接到电源进线接地点(PE)或接地母排上。特别重要的是,连接到变频器的任何电子控制设备都要与其共地,共地时也应使用短和粗的导线。同时电机电缆的地线应直 接接地或连接到变频器的接地端子(PE)。上述接地电阻值应符合相关标准要求。

  (3)利用布线技术改善电磁干扰。电动机电缆应独立于其它电缆走线,同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线,以减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰; 控制电缆和电源电缆交叉时,应尽可能使它们按 90°角交叉,同时必须用合适的线夹将电机电缆和控制电缆的屏蔽层固定到安装板上。

  (4)利用滤波技术降低电磁干扰。利用进线电抗器用于降低由变频器产生的谐波,同时也可用于增加电源阻抗,并帮助吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的尖峰电压。进线电抗器串接在电源和变频器功率输入端之间。当对主电源电网的情况不了解时,最好加进线电抗器。在上述电路中还可以使用低通频滤波器(FIR 下同),FIR 滤波器应串接在 进线电抗器和变频器之间。对噪声敏感的环境中运行的电梯变频器, 采用 FIR 滤波器可以有效减小来自变频器传导中的辐射干扰。

  (5)照明线干扰、电机反馈的干扰过大、系统电源线受干扰的现场,通过以上各种接地无法消除通讯干扰,可以使用磁环对干扰进行抑制,按以下方法顺序进行增加磁环,通讯恢复正常为止: 1、如照明的两根电源线同时断开如通讯恢复正常,请在控制柜下照明的两线左右的磁环)。如断开照明线并无效果说明照明线并不干扰通讯,不作处理。 2、在通讯线C+、C-上从主板出线处增加一磁环,缠绕一圈。注意只能缠绕一圈,多缠后轿厢通讯显示会变好但轿厢传来的有效信号大部分滤掉,造成轿厢内选登记不上。3、在主板输出给轿厢、呼梯的24V电源和0V地线、在运行接触器与电机之间三相线各加一磁环缠绕一圈 。 经过以上方法增加磁环后能处理现场的电源、电机、照明干扰。

  (6) 磁环材料的选择: 根据干扰信号的频率特点可以选用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体,以选用镍锌铁氧体或锰锌铁氧体, 前者的高频特性优于后者。锰锌铁氧体的磁导率在几千---上万,而镍锌铁氧体为几百---上千。铁氧体的磁导率越高,其低频时的阻抗越大,高频时的阻抗越小。所以,在抑制高频干扰时,宜选用镍锌铁氧体;反之则用锰锌铁氧体。 或在同一束电缆上同时套上锰锌和镍锌铁氧体,这样可以抑制的干扰频段较宽。磁环的尺寸选择: 磁环的内外径差值越大,纵向高度越大,其阻抗也就越大,但磁环内径一定要紧包电缆,避免漏磁。 磁环的安装位置: 磁环的安装位置应该尽量靠近干扰源,即应紧靠电缆的进出口。

  开关电源、中的电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。通常传导干扰比较好分析,可以将电路理论和数学知识结合起来,对电磁干扰中各种元器件的特性进行研究;但对辐射干扰而言,由于电路中存在不同的干扰源的综合作用,又涉及到电磁场理论,分析起来比较困难。

  传导干扰可分为共模(CM)干扰和常模(DM)干扰。由于寄生参数的存在以及开关电源中开关器件的高频开通与关断,开关电源在其输入端(即交流电网侧)产生较大的共模干扰和常模干扰。

  变换器工作在高频情况时,由于dvldt很高,激发变压器绕组间以及开关管与散热片间的寄生电容,从而产生共模干扰。

  (3)应用缓冲电路,减缓dv/dt的变化率。变换器中的电流在高频情况下作开关变化,从而在输人、输出的滤波电容上产生很高的dv/dt,即在滤波电容的等效电感或阻抗上感应出干扰电压,这时就会产生常模干扰。故选用高质量的滤波电容(等效电感或阻抗很低)可以降低常模干扰。

  辐射干扰又可分为近场干扰[测量点与场源距离λ/6(λ为干扰电磁波波长)]和远场干扰(测量点与场源距离λ/6)。由麦克斯韦电磁场理论可知,导体中变化的电流会在其周围空间产生变化的磁场,而变化的磁场又产生变化的电场。两者都遵循麦克斯韦方程式。而这一变化电流的幅值和频率决定了产生电磁场的大小以及其作用范围。在辐射研究中天线是电磁辐射源,在开关电源电路中,主电路中的元器件、连线都可以认为是天线,可以应用电偶极子和磁偶极子理论来分析。分析时,二极管、开关管、电容等可看成电偶极子;电感线圈可以认为是磁偶极子,再以相关的电磁场理论进行综合分析就可以了。

  需要注意的是,不同支路的电流相位不一定相同,在磁场计算时这一点尤其重要。相位不同,一是因为干扰从干扰源传播到测量点存在时延作用(也称迟滞效应);二是因为元器件本身的特性导致相位不同。如电感中电流相位比其他元器件要滞后。迟滞效应引起的相位滞后是信号频率作用的结果,仅在频率很高时作用才较明显(如GHz级或更高);对于功率电子器件而言,频率相对较低,故迟滞效应作用不是很大。

  在开关电源产生的两类干扰中,传导干扰由于经电网传播,会对其他电子设备产生严重的干扰,往往引起更严重的问题。常用的抑制方法有缓冲器法,减少搞合路径法,减少寄生元件法等。近年来,随着对电子设备电磁干扰的限制越来越严格,又出现了一些新的抑制方法,主要集中在新的控制方法与新的无源缓冲电路的设计等几个方面。

  干扰是根据开关频率变化的,干扰的能量集中在这些离散的开关频率点上,所以很难满足抑制电磁干扰(EMI)的要求。通过将开关信号的能量调制分布在一个很宽的频带上,产生一系列的分立边频带,则干扰频谱可以展开,干扰能量被分成小份分布在这些分立频段上,从而更容易达到EMI标准。调制频率控制就是根据这种原理实现对开关电源电磁干扰的抑制。

  最初人们采用随机频率控制,其主要思想是在控制电路中加入一个随机扰动分量,使开关间隔进行不规则变化。则开关噪声频谱由原来离散的尖峰脉冲噪声变成连续分布噪声,其峰值大大下降。具体办法是,由脉冲发生器产生两种不同占空比的脉冲,再与电压放大器产生的误差信号进行采样选择产生最终的控制信号。

  但是,随机频率控制在开通时基本上采用PWM控制的方法,在关断时才采用随机频率,因而其调制干扰能量不便控制,抑制干扰的效果不是很理想。而最新出现的调制频率控制很好地解决了这些问题,其原理是,将主开关频率进行调制,在主频带周围产生一系列的边频带,从而将噪声能量分布在很宽的频带上,降低了干扰。这种控制方法的关键是对频率进行调制,使开关能量分布在边频带的范围,且幅值受调制系数β的影响(调制系数β=△f/fm,△f为相邻边频带间隔,fm为调制频率),一般β越大调制效果越好。

  开关变换器中的电磁干扰是在开关管开关时刻产生的。以整流二极管为例,在开通时,其导通电源不仅引起大量的开通损耗,还产生很大的dvl巾,导致电磁干扰;而在关断时,其两端的电压快速升高,有很大的dvl巾,从而产生电磁干扰。缓冲电路不仅可以抑制开通时的dvldt、限制关断时的dvl白,还具有电路简单、成本较低的特点,因而得到广泛应用。但是传统的缓冲电路中往往采用有源辅助开关,电路复杂不易控制,并有可能导致更高的电压或电流应力,降低了可靠性。因此许多新的无源缓冲器应运而生。

  1965年,Intel创始人戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律:半导体芯片上可集成的元器件数目每12个月便会增加一倍。然而,受线路产生的热量、响应速度及密集线路间电磁干扰的限制,实际芯片的性能却并不能按摩尔定律描述的那样快速地提升,科学界也一直在努力攻克制约芯片发展...

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