完整版华为传输EMC基础知识.docx
《完整版华为传输EMC基础知识.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版华为传输EMC基础知识.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整版华为传输EMC基础知识
资料编码
产品名称
使用对象
产品版本
编写部门
资料版本
EMC基础知识
拟制：
日期：
审核：
日期：
审核：
日期：
批准：
日期：
华为技术有限公司
版权所有XX
修订记录
日期
修订版本
作者
描述
课程说明
课程介绍
本课程分三个章节，分别从概念，基本理论和系统方面简单介绍了EMC的基本概念、标准、测试内容，产品认证和电磁兼容的基本理论，最后介绍了系统安装和维护中的EMC问题。
本教材主要针对系统使用维护类工程师，对EMC设计方面的内面较少，仅需了解即可。
培训目标
学完本课程后，学员能够：
掌握EMC的基本概念；
了解电磁兼容基本理论和方法；
掌握安装、维护工作中需注意的EMC问题点。
参考资料
屏蔽电缆EMC设计规范
课程LA000201
EMC基础知识
ISSUE1.0
1序论
1.1电磁兼容概述
电磁兼容是一门新兴的综合性学科。
电磁兼容学科主要研究的是如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子设备和元器件都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。
我公司的电磁兼容研究主要针对电气电子设备，同时也涉及到如生产中的静电放电、电磁辐射对人体的影响等方面。
1.2电磁兼容性的基本概念
1.2.1电磁骚扰与电磁干扰
电磁骚扰是指任何可能引起设备性能降低或对有生命物质产生损害作用的电磁现象。
由机电或其他人为装置产生的电磁骚扰，称为人为骚扰；来源于自然现象的电磁骚扰，称为自然骚扰。
电磁干扰则是指由电磁骚扰引起的设备或传输通道性能的下降。
所以骚扰和干扰的含义是不同的。
从概念上讲，骚扰是一种电磁能量，干扰是骚扰产生的结果或后果。
电磁干扰产生于骚扰源；大量骚扰源的存在造成电磁环境污染，导致电磁兼容性问题尖锐化。
主要表现在：
同时工作的电子设备的总数在增长，电子设备的数量每4~5年增加一倍；
发射机的功率在增加，如某些雷达的发射脉冲功率达几十甚至几百兆瓦;
许多无线电频段严重超载，以致对不同类型的电子设备不得不多次反复使用同一频段；
电子设备在运行时产生的电磁骚扰电平不断提高。
如某些医疗设备运行时产生的干扰电平可达每米几百伏。
1.2.2电磁兼容性（EMC-ElectromagneticCompatibility）
电子设备受电磁骚扰的影响而出现故障或性能降级，就称为设备对电磁骚扰敏感。
如何在设备与电磁环境之间寻求一种协调的关系和共存的条件，这就是电磁兼容性技术。
1.2.3电磁兼容常用名词术语
为了描述电磁骚扰与电磁兼容性，需要引入许多名词术语，国家军用标准GJB72-85《电磁干扰和电磁兼容名词术语》一书有详细的内容，这里我们仅选其中的一部分介绍给大家。
电磁兼容性EMC（ElectromagneticCompatibility）
设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致不允许的降级；也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致不允许的降级。
电磁干扰EMI（ElectromagneticInterference）
电磁骚扰导致电子设备相互影响，并引起不良后果的一种电磁现象。
辐射发射RE（RadiatedEmission）
通过空间传播的、有用的或不希望有的电磁能量。
传导发射CE（ConductedEmission）
沿电源或信号线传输的电磁发射。
电磁敏感性EMS（ElectromagneticSusceptibility）
设备暴露在电磁环境下所呈现的不希望有的响应程度。
即设备对周围电磁环境敏感程度的度量。
电磁敏感意味着电磁环境已经造成设备性能的降低。
辐射敏感度RS（RadiatedSusceptibility）
对造成设备性能降级的辐射骚扰场的度量。
传导敏感度CS（ConductedSusceptibility）
当引起设备性能降级时，对从传导方式引入的骚扰信号电流或电压的度量。
1.3电磁干扰
1.3.1电磁干扰三要素
电磁骚扰源，指产生电磁骚扰的元件、器件、设备或自然现象；
耦合途径或称耦合通道，指把能量从骚扰源耦合到敏感设备上，并使该设备产生响应的媒介；
敏感设备，指对电磁骚扰产生响应的设备。
所有的电磁干扰都是由上述三个因素的组合而产生的。
把它们称为电磁干扰三要素。
如下图所示。
图1-1电磁骚扰三要素
由电磁骚扰源发出的电磁能量，经过某种耦合通道传输到敏感设备，导致敏感设备出现某种形式的响应并产生效果。
这一作用过程及其效果，称为电磁干扰效应。
1.3.2电磁兼容研究的主要内容
电磁兼容学科研究的主要内容是围绕构成电磁干扰的三要素进行的，即对电磁骚扰源、耦合通道和敏感设备的研究。
骚扰源的研究包括其发生的机理、时域和频域的定量描述，以便从源端来抑制干扰的发射，通常采用滤波技术来限制骚扰源的频谱宽度和幅值。
骚扰的耦合通道有二条：
1，通过空间辐射；2，通过导线传导。
辐射发射主要研究在远场条件下骚扰以电磁波的形式发射的规律以及在近场条件下的电磁耦合。
通常采用屏蔽技术来阻断骚扰的辐射。
传导发射讨论骚扰延导线传输的影响。
通常传导发射通过公共地线、公共电源线和互连线而实现。
电磁兼容的研究内容还包括电磁兼容控制技术、测量技术、分析预测等。
1.4基本的电磁兼容控制技术
最常用也是最基本的电磁兼容控制技术是屏蔽、滤波、接地。
此外平衡技术、低电平技术等也是电磁兼容的重要控制技术。
随着新工艺、新材料、新产品的出现，电磁兼容控制技术也得到不断的发展。
1.屏蔽
主要用于切断通过空间的静电耦合、感应耦合形成的电磁噪声传播途径，这三种耦合又对应于静电屏蔽、磁场屏蔽与电磁屏蔽，衡量屏蔽的质量采用屏蔽效能这一指标。
2.滤波
在频域上处理电磁噪声的一种技术，其特点是将不需要的一部分频谱滤掉。
3.接地
提供有用信号或无用信号，电磁噪声的公共通路。
接地的好坏则直接影响到设备内部和外部的电磁兼容性。
1.5电磁兼容标准
为了确保设备及其各单元必须满足的电磁兼容工作特性，国际有关机构、各国政府和军事部门以及其他相关组织制定了一系列的电磁兼容性标准。
标准对设备电磁骚扰发射和电磁抗扰度作出了规定和限制。
电磁兼容性标准是进行电磁兼容性设计的指导性文件，也是电磁兼容性试验的依据，因为试验项目、测试方法和极限值等到都是标准给定的。
1.5.1电磁兼容标准的制订
电磁兼容标准主要通过标准化组织来制订，国际上制定电磁兼容的主要标准化组织如下表所示。
表1-1
国际上主要标准化组织和标准
国家或组织
制订单位
标准名称
IEC
CISPR
CISPRPub.XX
TC77
IECXXXXX
欧共体
CENELEC
ENXXXXX
美国
FCC
FCCPartXX
MIL
MIL-STD.XXX
德国
VDE
VDEXXX
日本
VCCI
VCCI
IEC（国际电工委员会）有两个平等的组织制订EMC标准，即CISPR（国际无线电干扰特别委员会）和TC77（第77技术委员会）。
CENELEC（欧洲电工标准化委员会）由欧共体委员会授权制订欧洲标准EN（EuropeanNorm）。
FCC（美国联邦通信委员会）主要制订民用标准，关于电磁兼容的标准主要包括在FCCPart15和FCCPart18中。
MIL-STD是美国军用标准。
德国的VDE（电气工程师协会）是世界上最早建立电磁兼容标准的组织之一。
日本的VCCI（干扰自愿控制委员会）是民间机构，其标准与CISPR和IEC标准一致。
我国的EMC标准化工作是在国家技术监督局的领导下进行的。
国内标准以GB、GB/T开头。
我国自从1983年发布第一个EMC标准（GB3907－1983）以来，至今已发布了47个有关的国家标准，其中32个强制，15个推荐。
我国的EMC标准绝大多数引进国际标准。
其来源包括：
国际无线电干扰特别委员会出版物。
例如GB/T6113，GB14023
国际电工委员会。
例如GB4365，GB/T13926
部分引自美国军用标准。
例如GB15540
部分引自国际电信联盟有关文件。
例如GB/T15658
引自国外先进标准。
例如GB6833
根据我国自己的科研成果制定的标准,例如GB/T15708为了世界贸易的需要，我国的很多EMC标准都采用了CISPR和IEC标准。
实际上，世界上大多数国家采用CISPR和IEC的标准。
1.5.2EMC标准拟订的理论基础
EMC标准的主要内容之一就是规定电磁骚扰和电磁抗扰度的极限值，极限值的制订在理论上应该满足下图所示的原则：
图1-2EMC标准拟订的理论基础
EMI和EMS是相互对立的两个方面，上图说明，设备的EMI极限值与EMS极限值之间应该留有足够的余量（IM），即设备EMI发射要小于其抗扰度（EMS），这样设备才有足够的抗干扰能力。
另一方面，设备的EMI、EMS实测值应该与极限值之间有足够的余量。
比如在EN300386标准中，辐射发射的极限值（EMILimit）为40dBuV/m，而辐射抗扰度极限值为130dBuV。
由此可见，EMI、EMS极限值之间余量的重要性。
1.5.3电磁兼容标准的分类
电磁兼容标准可以分为：
基础标准、通用标准、产品类标准和专用标准。
基础标准是制订其他EMC标准的基础，它描述了EMC现象，规定了电磁骚扰发射和抗扰度的测试方法、测试设备和布置，同时定义了试验等级和性能判据，但并不涉及到具体的产品。
例如：
IEC61000－X－X系列标准。
产品类标准和专用标准是针对某种产品系列和专用产品的EMC测试而制订的。
它往往引用了基础标准的内容，同时根据产品的特殊性对测试作出更加详细的规定。
对于骚扰发射测试，它规定了产品的骚扰发射限值。
对于抗扰度试验，它规定了产品应该达到的试验等级和性能判据。
如：
CISPR11EN55011:
ISM工科医设备的发射要求
CISPR22EN55022:
ITE信息技术设备的发射要求
CISPR24EN55024:
ITE信息技术设备的抗扰性要求
GB6833电子测量仪器电磁兼容试验规范
通常专用的产品EMC标准包含在某种特定产品的一般用途标准中，而不形成单独的EMC标准。
例如：
计算机：
GB9813－88：
微型数字电子计算机通用技术条件其中包括电磁兼容检测项目，要求按GB6833.2～GB6833.6、GB9254进行。
通用标准是按照产品使用的环境来分类的，例如欧洲标准中分类是按下表进行的。
通用标准规定了设备应该在哪些端口作发射和抗扰度试验，包括设备的交、直流电源端口、信号和数据线端口、机壳、接地点等，同时也规定了可以依据的基础标准。
如：
EN50082-1：
居民区、商业区和轻工业区环境抗扰度通用标准
EN50082-2：
工业区环境抗扰度通用标准
EN50081-1：
居民区、商业区和轻工业区环境发射通用标准
EN50081-2：
工业环境的发射通用标准
表1-1欧洲通用标准的分类
使用环境
通用发射标准
通用抗扰度标准
民用、商用、轻工业区
EN50081-1
EN50082-1
工业区
EN50081-2
EN50082-2
1.5.4产品的电磁兼容标准遵循原则
产品依照标准的原则依照如此的顺序：
专用产品类标准→产品类标准→通用标准
即一个产品如果有专用产品类标准，则他的EMC性能应该满足专用产品类标准的要求；如果没有，则应该采用产品类标准进行EMC试验，如果没有产品类标准，则用通用标准进行EMC试验，以此类推。
1.6电磁兼容测试技术简介
1.6.1概述
电磁兼容测试是根据有关电磁兼容标准规定的方法对设备进行测试，评估其是否达到标准要求。
产品在定型和进入市场之前EMC性能必须达到标准要求。
1.6.2EMC测试项目
EMC测量主要分两大类：
电磁干扰EMI（ElectromagneticIntreference）测试和电磁抗扰性EMS（ElectromagneticSusceptibility）测试。
1.6.3电磁发射
4.辐射发射RE（RadiatedEmission）
测试通过空间传播的电磁能量。
5.传导发射CE（ConductedEmission）
测试沿电源线、控制线或信号线传播的电磁能量。
1.6.4抗扰性EMS
6.辐射敏感度试验RS（RadiatedSusceptibility）：
测试被试设备对空间电磁骚扰的抗扰性。
7.工频磁场辐射敏感度试验PMS（Powerfrequencymagneticsusceptibility）
检验电子电气产品对工频磁场的抗扰性。
8.射频场感应的传导敏感度CS（Conductedsusceptibility）
测试被试设备对沿电源线、控制线或信号线传输的电磁能量的敏感度。
9.电快速瞬态脉冲群抗扰度EFT/B（Electricalfasttransientburst）
模拟对电感性负载的切换（如继电器、接触器）；对高压开关的切换（如真空开关、六氟化硫）设备的干扰。
放电波形为5ns/50ns（上升沿5ns，半波时间50ns）的脉冲串，脉冲串持续时间15ms，脉冲周期为300ms。
特点是上升时间快、持续时间短、能量低，但有较高的重复频率。
10.浪涌抗扰度SURGE
模拟电网中的故障；雷击（直接或间接）对设备的干扰,，电网中的开关操作。
放电波形为开路电压1.2us/50us、短路电流8us/20us的脉冲。
特点是上升时间慢（相对EFT/B）、持续时间较长、能量大。
11.电压跌落与中断抗扰度DIP/interruption
模拟由低压、中压或高压网络中的故障所造成（短路或接地故障）的电压瞬时跌落和中断；以及由连接到电网的负荷连续变化引起的电压变化。
12.电力线感应/接触（Powerinduction/contact）
模拟室外信号线与电力线距离过近或接触故障。
13.静电放电抗扰度ESD（Electrostaticdischarge）
模拟操作人员或物体在接触设备时的放电以及人或物体对邻近物体的放电。
1.7EMC测试结果的评价
对EMI测试结果以是否达到某个限制要求为准则；对于EMS试验，其性能判据可分为四个等级：
A级：
试验中性能指标正常；
B级：
试验中性能暂时降低，功能不丧失，试验后能自行恢复；
C级：
功能允许丧失，但能自恢复，或操作者干预后能恢复；
R级：
除保护元件外，不允许出现因设备（元件）或软件损坏或数据丢失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低。
1.8产品EMC设计的重要性
产品的EMC设计是保证产品的EMC性能，而产品的EMC性能的好坏直接涉及到电子产品的市场准入；随着电子设备的大量运用，各国都感觉到产品EMC性能的重要性，纷纷从法规上提出对进入本国市场的电子产品的EMC要求，如：
欧共体--89/336/EECDIRECTIVE------明确要求产品必须符合欧共体有关EMC标准要求，否则不得在欧共体市场销售。
违者将可能受到罚金及市场禁入的惩罚。
美国则要求进入本国的通信产品必须符合FCCPART15与68的要求；
韩国则要求通信产品必须符合EMC要求，否则不发给入网证。
中国家电产品已强制执行EMC标准；通信电源产品2001年10月已开始执行EMC标准，而公司部分产品开发受此影响，进度推迟。
另外产品的EMC性能好坏，还关系到产品的稳定性，影响客户满意度；主要表现在：
产品EMC设计考虑不周易引起内部串扰，影响产品稳定性；
抗外部干扰能力差，工作难稳定；
产生干扰会引起客户投诉。
最后产品的EMC性能好坏还与产品的竞争力密切相关。
相同的产品有还是没有通过CE认证在市场竞争中常常可以起到决定性的作用。
所以我们为了参与国际竞争，成为国际化的大公司就必须进行产品的EMC设计，解决产品的EMC问题。
1.9产品的认证
产品通过特定的测试流程，表明产品符合相应政策、法令、法规的过程，称产品认证。
以CE认证为例，简述产品认证的基本流程如下：
产品EMC、安规性能达到标准要求；
提出认证要求，联系认证公司（CompetentBody）进行认证测试（自我宣称方式不需要该步骤）；
认证公司给出认证证书（COC）、报告；
签署符合性声明（DeclarationofConformity，由专业实验室负责）；
在产品上贴上CE标志；
任何产品都要经过测试，发表DOC声明，加贴CE标记才能最后进入欧洲市场。
其他国家的产品认证过程也与此相似。
CE标记如下图所示，可按比例缩放。
图1-3CE标记图
小结：
本节内容中，电磁兼容概念、电磁干扰是本节的重点掌握内容。
思考题：
电磁干扰的三要素？
2EMC基础理论
2.1电磁骚扰的耦合机理
2.1.1引言
电磁骚扰传播或耦合，通常分为两大类：
即传导骚扰传播和辐射骚扰传播。
通过导体传播的电磁骚扰，叫传导骚扰；通过空间传播的电磁骚扰，叫辐射骚扰。
2.1.2电磁骚扰的常用单位
骚扰的单位通用分贝来表示，分贝的原始定义为两个功率的比：
通常用dBm表示功率的单位，dBm即是功率相对于1mW的值：
通过以下的推导可知电压由分贝表示为（注意有一个前提条件为R1=R2）：
通常用dBuV表示电压的大小，dBuV即是电压相对于1uV的值。
对于辐射骚扰通常用电磁场的大小来度量，其单位是V/m。
通常用的单位是dBuV/m。
2.1.3传导干扰
共阻抗耦合
由两个回路经公共阻抗耦合而产生，干扰量是电流i，或变化的电流di/dt。
容性耦合
在干扰源与干扰对称之间存在着分布电容而产生，干扰量是变化的电场，即变化的电压du/dt。
感性耦合
在干扰源与干扰对称之间存在着互感而产生，干扰量是变化的磁场，即变化的电流di/dt。
14.共阻抗耦合干扰抑制方法
1）让两个电流回路或系统彼此无关。
信号相互独立，避免电路的连接，以避免形成电路性耦合。
2）限制耦合阻抗，使耦合阻抗愈低愈好，当耦合阻抗趋于零时，称为电路去耦。
为使耦合阻抗小，必须使导线电阻和导线电感都尽可能小。
3）电路去耦：
即各个不同的电流回路之间仅在唯一的一点作电的连接，在这一点就不可能流过电路性干扰电流，于是达到电流回路间电路去耦的目的。
4）隔离：
电平相差悬殊的相关系统（比如信号传输设备和大功率电气设备之间），常采用隔离技术。
15.容性耦合干扰抑制方法
为了抑制电容性干扰可以采取以下措施：
1）干扰源系统的电气参数应使电压变化幅度和变化率尽可能地小；
2）被干扰系统应尽可能设计成低阻；
3）两个系统的耦合部分的布置应使耦合电容尽量小。
例如电线、电缆系统，则应使其间距尽量大，导线短，避免平行走线；
4）可对干扰源的干扰对象进行电气屏蔽，屏蔽的目的在于切断干扰源的导体表面和干扰对象的导体表面之间的电力线通路，使耦合电容变得最小；
16.感性耦合干扰抑制方法
·干扰源系统的电气参数应使电流变化的幅度和速率尽量小；
·被干扰系统应该具有高阻抗；
·减少两个系统的互感，为此让导线尽量短，间距尽量大，避免平行走线，采用双线结构时应缩小电流回路所围成的面积；
·对于干扰源或干扰对象设置磁屏蔽，以抑制干扰磁场。
·采用平衡措施，使干扰磁场以及耦合的干扰信号大部分相互抵消。
如使被干扰的导线环在干扰场中的放置方式处于切割磁力线最小（环方向与磁力线平行），则耦合的干扰信号最小；另外如将干扰源导线平衡绞合，可将干扰电流产生的磁场相互抵消。
2.1.4辐射干扰
17.近场和远场
干扰通过空间传输实质上是干扰源的电磁能量以场的形式向四周空间传播。
场可分为近场和远场。
近场又称感应场，远场又称辐射场。
判定近场远场的准则是以离场源的距离r也定的。
r>λ/2π则为远场
r<λ/2π则为近场
我们常用波阻抗来描述电场和磁场的关系，波阻抗定义为
Zo=E/H
在远场区电场和磁场方向垂直并且都和传播方向垂直称为平面波，电场和磁场的比值为固定值，为Zo=120∏=377欧。
下图为波阻抗与距离的关系。
图1-4远场与近场
18.减少辐射干扰的措施
减小辐射干扰的措施主要有：
辐射屏蔽：
在干扰源和干扰对象之间插入一金属屏蔽物，以阻挡干扰的传播。
极化隔离：
干扰源与干扰对象在布局上采取极化隔离措施。
即一个为垂直极化时，另一个为水平极化，以减小其间的耦合。
距离隔离：
拉开干扰源与被干扰对象之间的距离，这是由于志在近场区，场量强度与距离平方或立方成比例，当距离增大时，场衰减很快。
吸收涂层法：
被干扰对象有时可涂复一层吸收电磁波的材料，以减小干扰。
2.2电磁干扰的模式
2.2.1共模干扰与差模干扰
共模干扰（Common-mode）：
两导线上的干扰电流振幅相等，而方向相同者称为共模干扰。
图1-5共模干扰
差模干扰（Differential-mode）：
两导线上的干扰电流，振幅相等，方向相反称为差模干扰。
图1-6差模干扰
2.2.2PCB的辐射与线缆的辐射
19.PCB的辐射
图1-7PCB的辐射
PCB上有许多信号环路，由中有差模电流环也有共模电流环，计算其辐射强度时，可等效为环天线，辐射强度由下式计算：
E=263*10-16f2AI/r
其中
E:
电场强度（V/m）
f:
电流的频率（MHz）
A:
电流的环路面积（cm2）
I:
电流的强度（mA）
r:
测试点到电流环路的距离（m）
20.线缆的辐射
图1-8线缆的辐射
计算线缆的辐射强度时，将其等效为单极天线，其辐射强度由下式计算：
E=12.6*10-7fIL/r
其中
E:
电场强度（V/m）
f:
电流的频率（MHz）
L:
电缆的长度（m）
I:
电流的强度（mA）
r:
测试点到电流环路的距离（m）
以上两式可以看出线缆的辐射效率远大于PCB的辐射效率。
2.3电磁屏蔽理论
2.3.1屏蔽效能的感念
屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或减小电磁能传输的一种技术，是抑制电磁干扰的重要手段之一。
屏蔽有两个目的，一是限值内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。
电磁场通过金属材料隔离时，电磁场的强度将明显降低，这种现象就是金属材料的屏蔽作用。
我们可以用同一位置无屏蔽体时电磁场的强度与加屏蔽体之后电磁场的强度之比来表征金属材料的屏蔽作用，定义屏蔽效能（ShieldingEffectiveness，简称SE）：
，电场的屏蔽效能
，磁场的屏蔽效能
式中：
为无屏蔽体时的电场强度和磁场强度，
为有屏蔽体时的电场强度和磁场强度。
2.3.2屏蔽体上孔缝的影响
实际上，屏蔽体上面不可避免地存在各种缝隙、开孔以及进出电缆等各种缺陷，这些缺陷将对屏蔽体的屏蔽效能有急剧的劣化作用。
上节中分析的理想屏蔽体在30MHz以上的屏蔽效能已经足够高，远远超过工程实际的需要。
真正决定实际屏蔽体的屏蔽效能的因素是各种电气不连续缺陷，包括：
缝隙、开孔、电缆穿透等。
屏蔽体上面的缝隙十分常见，特别是目前机柜、插箱均是采用拼装方式，其缝隙十分多，如果处理不妥，缝隙将急剧劣化屏蔽体的屏蔽效能。
2.4电缆的屏蔽设计
升级会员 