EMI设计简介课件.ppt

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1、EMI设计简介,一.EMI.EMC.EMS的定义及相互关系1.EMI定义:EMI是Electro-Magnetic Intererence的缩写,译为电磁干扰,是指某一装置 或系统在执行其应具有的功能的过程中,如出现有不利于对其他电子设备或系统运作功能的讯号,而此讯号是不需要的,且是没意义的,则称此讯号为”EMI”,此讯号可能来自外界,亦可能来自设备或系统本身.参见图1.2.EMS定义:EMS是Electro-Magnetic Susceptibility的缩写,译为电磁免疫,是指某一装置或系统在执行应具有功用的过程中不受周围电,磁环境影响的能力.参见图1,EMI知识简介,EMI知识简介,图1

2、 EMI和EMS示示意图,EMI,EMS,3.EMC定义:EMC是Electro-Magnetic Compatibility 的缩写,译为电磁兼容,是指某一装置或系统和其它装置和系统同时运作时,互相间不会国为EMI问题而使功能受到影响,即可称”兼容”.三者关系:异常电源对电力电子设备会发生干扰,同时电力电子设备亦会产生干扰波影响其它用电设备,故对所有的干扰源必须具备如图2所示的兼容观念.,EMI知识简介,EMI知识简介,EMI,应注意,应能够,EMS,图2.EMC的观念,二.EMI/EMS之分类:,EMI知识简介,EMC,EMS,EMI,RS,CS,RE,CE,传导性干扰 Conducted

3、 emission,对传导的免疫Conductedsusceptibility,对辐射的免疫Radiatedsusceptibility,辐射性干扰Radiatedemission,无论是传导性EMI(Conducted EMI)还是辐射性EMI(Radiated EMI)均有差 模(differential mode noise)和共模(common mode noise)之分.三.EMI之产生,解决方案及国际标准.1.EMI产生(1)自然界所产生的电磁干扰:a.电?磁场(low-frequency electric and magnetic field)b.雷击(lightning)c.高

4、频电磁波（high-frequency electromagnetic field）,EMI知识简介,(2)人为设备所产生干扰.射频发射机(radio transmitter)b.数字讯号处理与传输(digital signal processing and transmission)c.电热应用(electro-heat application)d.电力设备及输电(power conditioning and transmission).低频导电性(low frequency conducted)干扰(谐波?电压变动?电压瞬降?不平衡?载波讯号?其它低频).高频辐射性(high freque

5、ncy radiated)干扰.高频导电性(high frequency conducted)干扰(低电压系统的尖波?高电压变电所的突波电压.高频辐射性(high frequency radiated)干扰e.开关时的瞬时(switching transient)f.静电放电(electrostatic discharge,ESD)g.核爆电磁脉波(nuclear electromagnetic pulse,NEMP),EMI知识简介,2.EMI的表现形态:(1)由电源电路进入的噪声干扰(2)由讯号线的噪声干扰(3)由静电感应引起的噪声干扰(4)电磁感应引起的噪声干扰(5)由电磁波引起的噪声干

6、扰(6)由电路间共同阻抗引起的噪声干扰(7)由反射引起的噪声干扰(8)由接地或屏蔽不当引起的噪声干扰(9)由配线不良引起的噪声干扰(10)由接地不良引起的噪声干扰,EMI知识简介,3.噪声干扰的对策:(1)接地(Grounding)(2)屏蔽(Shielding)(3)滤波(Filtering)(4)平衡(Balancing)(5)隔离(Isolation)(6)分离与取向(Separation and Orientation)(7)电路阻抗控制(Circuit impedance level control)(8)配线设计(Cable design)(9)速度与频宽控制(Speed and

7、band width control),EMI知识简介,4.有关EMI的国际标准(1)FCC:U.S.Federal Communication Commission美国联邦通信委员会 Docket 20780(2)VDE(3)MIL(4)IEC,EMI知识简介,Conduction Emission Limits,Table 1 FCC Class A Radiated Emission Limits,EMI知识简介,Frequency Measuring Field(MHz)Distance Strength(m)(uV/m),30-88 30 3088-216 30 50216-1000

8、 30 70,Frequency Measuring Field(MHz)Distance Strength(m)(uV/m),30-88 3 10088-216 3 150216-1000 3 200,Table 2 FCC Class B Radiated Emission Limits,四.传导性EMI和辐射性EMI如前所述,电磁干扰(EMI)有两种传播途径:传导(Conduction)和辐射(Radiation),即电磁干扰分为传导性电磁干扰(Conducted EMI)和辐射性电磁干扰(Radiated EMI)两种.电磁干扰在电子仪器设备中产生噪音,相应地,噪音亦分为传导性噪音效(

9、Conducted noise)和辐射性噪音(Radiated noise)a.当电磁干扰波的频率小于30MHz时,电磁干扰主要是以传导方式在电子设备中产生传导性噪音,可通过测试电源线感应的电压来衡量干扰程度.b.当电磁干扰波的频率高于30MHz时,电磁干扰主要以辐射方式在电子设备中产生辐射噪,以直接测量传播到空间的干扰波来评价干扰程度.无论传导噪音还是辐射噪音,都分为共模(或共态)噪音(common mode noise)和差模(或常模?常态)(differention mode noise或normal mode noise)两种.通常共模噪音比差模噪音更难控制.,EMI知识简介,四.传导

10、性EMI和辐射性EMI如前所述,电磁干扰(EMI)有两种传播途径:传导(Conduction)和辐射(Radiation),即电磁干扰分为传导性电磁干扰(Conducted EMI)和辐射性电磁干扰(Radiated EMI)两种.电磁干扰在电子仪器设备中产生噪音,相应地,噪音亦分为传导性噪音效(Conducted noise)和辐射性噪音(Radiated noise)a.当电磁干扰波的频率小于30MHz时,电磁干扰主要是以传导方式在电子设备中产生传导性噪音,可通过测试电源线感应的电压来衡量干扰程度.b.当电磁干扰波的频率高于30MHz时,电磁干扰主要以辐射方式在电子设备中产生辐射噪,以直接

11、测量传播到空间的干扰波来评价干扰程度.无论传导噪音还是辐射噪音,都分为共模(或共态)噪音(common mode noise)和差模(或常模?常态)(differention mode noise或normal mode noise)两种.通常共模噪音比差模噪音更难控制.,EMI知识简介,EMI知识简介,一).辐射噪音之抑制方法.辐射性EMI产生如右图:抑制辐射噪音的主要方法有屏蔽,差模噪音是讯号线与其回路之间的噪声,其传导方式如图(b),EMI知识简介,二)传导性EMI(或噪音)如前所述,传导性噪音亦分为共模和差模两种.共模噪音是讯号或其回路与大地间之噪声,其传导方式如图(a).,抑制传导性

12、噪音的方法是滤波(filter)1.滤波定义:滤波作用是利用不同频率的讯号,对于电容或电感组件会产生不同阻抗(即较高频率的讯号,其感抗较大而容抗较小,而较低频率的讯号,其感抗较小,容抗较大)而造成不同频率讯号,对于电容或电感之衰减量不同,故使所需讯号与噪声之S/N比值提高,而达到噪声干扰(噪音)防制的效果.2.滤波器之分类.,EMI知识简介,(1)两种滤波类型,通讯或波的滤波设计,电源滤波设计,用在系统内部噪音的抑制,用于系统间噪音的抑制,(2)四种滤波方式,EMI知识简介,低通滤波(low pass filtering),高通滤波(high pass filtering),带通滤波(band

13、 pass filtering),带止滤波(band rejection filtering),DC滤波,AC滤波,(3)两种滤波场合,由于一般之电源噪声对于电源工作频(如AC60Hz)而言,均原于高频噪声,故我们将主要讨论低通电源波器.,EMI知识简介,3.低通电源滤波器之设计低通电源滤波器是排除系统间导线之噪声干扰的有效办法,其设计考虑重点为:(1)噪声(噪音)类型(2)滤波频带(3)衰减量(4)线路匹配(5)滤波组件(6)额定电压与额定电流(7)接触阻抗,(1)噪声类型噪声来源:内部噪声,外部噪声,内外噪声兼有,EMI知识简介,噪声类型,共模噪声(common mode noise),差

14、模噪声(differential mode noise),滤波器设计是以频域(frequercy domain)作考虑,傅立叶,因此,要:时域(time domain),转换,频域(frequency domain),EMI知识简介,(2)滤波的频宽一个滤波器的滤波频宽要能涵盖共所要滤除的频带,理论上,一个低通滤波器在其截止频率fc以上之频率,均可视为有效的滤波频宽.实际上,一个滤波器的频宽设计,常因滤波组件L.C受到f的影响而缩短其有效频宽,如下图所示:,EMI知识简介,(a),(b),(c),图(a)为L.C在低频(约1MHz以下)时之等效电路,与理想电路同;图(b)为中频(约110MHz

15、左右)时之等效电路,其滤波件的线感量与杂散电容已不可忽略,而使滤波的特性如同带止滤波;图(c)为高频(约10MHz以上)时之等效电路,其滤波组件之主要特性将由线感量与杂散电容所决定,使低通滤波器的特性,如同高通滤波.通常一个滤波组件其截止频率fc之选定,为其所要滤除的频带之最低频率的1/5以下,且其频带宽不得超过100fc,其次还要考虑衰减量(Atlenuation),组件特性及成本.(3)衰减量的考虑.一个滤波器之减量,应为使通过滤波器滤波后之噪声强度,不致于使滤波器所有保护的线路发生误动作或有超额定汇围的现象.,EMI知识简介,衰减量定义:线路中加入滤波器后其两端电压或电流的比值.,EMI

16、知识简介,插(加)入损失量(insertion loss):线路加入滤波器后,与未加入前之电压或电流比值.,常用插入损失量来评估滤波器的特性对于一个低通滤波器言,若一讯号频率高过滤波之截止频率fc时,则对每一个滤波组件,将成20log的衰减.下图为各种常见滤波器之电路图与插入损失.,EMI知识简介,单元件低通滤波器,EMI知识简介,基本L-C低通滤波器,(4)线路匹配的考虑一个滤波器的设计,若不对线路匹配作考虑,则不仅滤波效果会受影响,亦可能带来萁他干扰.对一个低通滤波器而言,其线路的考虑与滤波作用的衰减量,如下图所示.下图为定K型低通滤波器不同情形及衰减量计算.,EMI知识简介,EMI知识简

17、介,由上图可知:若滤波器所连之线路为高阻抗,则滤波器与线路连接之第一个组件,应使用并电容;若滤波器所连之线路为低阻抗,则滤波器与线路连接之第一个组件,应使用串接电感;有关低通滤波器线路匹配的设计,如下图所示,其L.C与Rs.RL之关系式为.,EMI知识简介,L=,通常低通电源滤波器,均使用在AC电源输入与系统电源供应器间,而两者阻抗分别为:AC电源输入阻抗可视为50,而一般switching power surpply之线路阻抗约为15030%以内.另外,针对不同类型的噪声有不同的滤波设计,EMI知识简介,5)滤波组件的考虑滤波设计之主要滤波组件有电感与电容两种.电感:电感组件使用作滤波组件,

18、一般可分为差模噪声使用组件与共模噪声使用组件.差模噪声使用组件,因负载电流的直接流入,故使用低Ur值,高饱和度的磁性材料,如Iron power,Ni-Zn等,以防止组件饱和,其滤波作用为奥姆效应.如下图示:,EMI知识简介,共模噪声使用组件,则为ur值较高,饱和度较低之磁性材料,其滤波作用为楞次效应,下图所示:,EMI知识简介,VG=jwL1Il+jwMI2+I1L1(1)VG=jwL2I2+jwMI1+R2I2(2),(3),L1=L2=M=L,元,故只要尽可能降低Ri之值,EMI知识简介,则共模噪声可降低于最低.,高频时,电感组件将如下图所示,杂散电容C开始时组件之频率特性者影响:,R-

19、损失阻抗 C1-杂散电容,L,使L,Ri,W,电容:电容组件如同电感组件一样,对共模噪声和差模噪声,分别使用X-type(Cx)与Y-type(Cy)两种电容.不过此种型态的电容在滤波特性上并无分别,而仅是安全耐压上的差异:Cx为聚酯膜电容,耐压不超过275VAC,耐Cy为陶瓷电容,耐压可到400VAC电容在高频时等效电路图为:,EMI知识简介,R1-电容接脚之线电阻 L1-电容接脚之线感量C-电容量 Rr-消散电阻(绝缘电阻),当f升高时,Wl1不可忽略,与C引起串联共振,此时线感量计算式为:,(对铜而言),l-接脚导线长度,mm D=接脚导线直径,mm,由上式可知:每1cm长度之小电容接脚

20、(D=1mm左右)其线感量约在510uH左右.若考虑线感量,则插入损失为:,EMI知识简介,EMI知识简介,6).额定电压与额定电流的考虑.滤波器之额定电压,额定电流是影响滤波效果的重要因素,其考虑重点主要是:避免因过电压造成滤波电容的绝缘破坏,以及因过电流造成滤波电之磁饱和,而影响滤波效果.原则:过电压不超过额定电压之20%,过电流不超过额定电流10%(7)接触阻抗的考虑通常一个滤波器对于射频(RF)噪声要有良好的滤波效果,其各组件间之接触阻抗应保持在DC阻抗0.25m2.5m间,其中:,L-导线长度 A-导体之载面积,8)其它考虑:(1)滤波器之漏电流大小(2)配线方式:A.输入线与输出线分开(方向相对立),避免电感性或电容性耦合B.滤波器之电源线与其回路应尽可能采用绞线,以减小其有效回路面积,而降低电感性耦合.C.若输入线 电容性耦合D.滤波电容之组件接脚,应尽可能短,以降低其线感量.E.滤波电感之绕线,应尽可能平衡,以减少其线间电容,EMI知识简介,三).EMI滤波器之选择低通电源滤波器之选择应考虑以下几点:(1)根据噪声的类型选择滤波器类型(2)噪声之衰减量或插入损失量(3)额定电压和额定电流(4)环境要求,如温度,冲击,振动和湿度(5)尺寸及端子形状(6)成本考虑(7)安全认可(8)购买是否方便,EMI知识简介,报告完毕谢谢!,