电磁兼容原理及应用 教学课件 ppt 作者 熊蕊 第5章 电子电路系统中的EMC设计

1、熊 蕊,第五章 电子电路系统中的EMC设计,本章内容,电磁兼容预测中的有关理论和主要研究方法 电力电子电路与系统的EMC研究方法,模拟电路中的EMC问题 数字电路中的EMC问题,PCB上的噪声及由来 PCB上噪声的抑制 串扰及其抑制,嵌入式系统 嵌入式系统提高电磁兼容的措施,电磁兼容预测中的有关理论和主要研究方法 电力电子电路与系统的EMC研究方法,(1)电磁兼容预测中的有关理论和主要研究方法,产品的电磁兼容性质，在其开发设计阶段就已经基本定型。EMC设计的基础是EMC分析和预测。因此，电磁兼容设计必须贯穿整个产品（或系统）的研发和生产过程。在这个过程中实现产品要求的电磁兼容性，需要可靠的、操作性强的电磁兼容分析、预测方法和手段。分析和预测是否可靠和具有可操作性，关键是建立数学模型（包括根据实际电路和布局下的干扰源、传播路径和干扰接收器模型），并对系统内外的电磁干扰进行较为准确的计算，采取可行的措施消除影响电磁兼容的主要因素。 分析程序应能计算所有可能的干扰源通过各种传播途径对每个干扰接收器的影响，并判断这些综合影响是否危及到相应的标准与设计要求。这些分析方法的优劣，不仅取决于所能处理

2、的干扰源和干扰接收器的数目和布局，还取决于预测方法的精确性和可实现性。目前已经有很多分析预测软件面世，但是很多场合下，其复杂程度、高成本或建模的困难仍然限制了它们的推广应用。 目前随着计算机技术和算法的发展，电磁兼容预测主要采用计算预测类方法。由于电磁兼容预测对象的多样性，决定了其计算方法的多样性。 计算电磁学的所有方法，从低频到高频，从解析到数值法，都可以在电磁兼容预测中得到应用.由于实际问题的复杂性，往往还必须结合电路算法才能获得最终的预测结果。 许多学者在此方面做了大量的探索，也得出了一些有意义的结论，但总的来说，涉及的理论、计算量都是比较大的。,EMC设计的要点, 控制电磁干扰源的设计 控制干扰耦合的设计 对敏感设备的设计 设计流程,电磁兼容的三要素及其相互关系,EMC设计的主要参数, 敏感度门限和干扰允许值 电磁干扰安全系数 敏感度阈值 失效干扰电平, 场的方法,场的方法是以分布的观点来观察求解的问题域，其出发点是Maxwell方程组，内容是求解边值问题。按求解结果与实际解的逼近程度分为解析法和近似法。解析法利用数学变换得出精确解，其优点是结果准确并可藉此掌握问题域中各变量之

3、间的内在联系，尤其是各参数对所关心结果的影响，缺点则是只能求解极少数形状极其简单的场域。所以目前实际电磁兼容预测中主要采用近似法求解，其中以数值法和高频近似解法的应用最为广泛。, 场的方法,低频算法：常用的数值算法包括有限差分法，有限元法，边界元法及矩阵法等，一般针对波长不是很大的情况；当求解域远大于波长时，由于计算量随计算域的增大而呈级数急剧增长，使计算时间、计算资源达到难以接受的程度，故被称为低频算法。 高频近似算法：以物理光学法、几何光学法、集合绕射理论等算法为代表，专门针对波长相对于计算域很小的“高频问题”。 电力电子装置的电磁骚扰发射影响较大、造成干扰的频谱范围基本上属低频范围（数兆赫以内），所以其电磁兼容预测中应用到的主要是低频数值算法。, 场的方法,有限差分法： 以差分代替微分，从微分方程出发，利用差分原理将微分方程转化为差分方程组，实现连续电磁场的离散化求解。它是建立在计算机技术高度发展的基础上的。它已在微波、电磁场散射、雷达等领域得到了广泛应用，其应用特点是技术成熟，程序模块性强；不足之处是处理几何形状复杂、变化剧烈的场域时有一定的工程难度。尤其对于电力电子装置这样复

4、杂的结构，计算由各种开关元件、导线、电感电容等组成的复杂混合场，提炼数学模型本身就非常困难，求解更为不易。, 场的方法,有限元法：通过与边值问题对应的泛函得出等价的变分问题（泛函极值问题），把连续的求解域离散成剖分单元之和，对泛函求极值，得出有限元矩阵方程，求解后得出整个问题域中的电磁场分布状况。根据对边值问题的积分转化方法的不同可分为变分有限元法和Galerkin有限元法。有限元法的优点是能处理不同形状的边界，使用方便，程序通用性强，而且便于处理非线性、多层媒质及各项异性场。 矩量法（广义Galerkin法）：将连续方程离散化，使之成为代数方程。它较多用于求解积分方程，目前在天线、微波等领域得到广泛应用。, 路的方法,路的方法是以集中的观点来观察、研究问题域。目前工程中用到的算法主要是指近代电路理论，其基础为Kichhoff定律、欧姆定律为代表的经典电路理论。从传输的内容来看，可分为实现电能量的产生、传输和转换的电力系统，和实现信息的产生、发送、接受、处理的通讯系统。电磁兼容涵盖这两方面的内容。 近代电路理论发展具有鲜明的特征：全面引入网络理论，紧密与系统理论相结合，深受计算机的影响

5、，注重对非线性电路与系统的研究，分析方法有节点类分析方法和网孔类方法等。在电磁兼容分析中最常用的是稳态分析和瞬态分析（包括线性与非线性电路）。Pspice 和SAB等仿真软件目前已成为基于电路分析的常用仿真分析软件。, 场路结合的方法,在电磁兼容预测中，单纯场的方法或路的方法往往难以解决工程问题，而场路结合则将大大改善解决问题的广度和深度。一般而言，可通过场的方法提取等效电路参数，形成等效子电路，进而用路的方法进行稳态或瞬态仿真。, 场路结合的方法,基于以上场或路的方法或算法已研制出了一些相关软件。从目前的电磁兼容预测软件看，一般可分为两类：一类是专用软件，即针对某一领域开发的软件；另一类是通用软件，即侧重电磁基本特性的分析软件。前者考虑了行业的特征，对业内问题处理方便，但对新问题的适应性差；后者对问题的通用性好，但对许多问题的处理手段不完善，使用较为繁杂。有的软件价格昂贵，使用复杂，为电磁兼容设计者难以接受。 电磁兼容本身的复杂性决定了电磁兼容预测专业性强，分支体系庞杂，很难形成针对所有问题的电磁兼容预测软件。而且实际预测工作必须借助于计算机的强大计算能力来完成。,补救式问题解决法(

6、纠错法) 规范设计法 系统法 实际电力电子装置电磁兼容预测中的问题和对策, 补救式问题解决法(纠错法),解决EMC问题的早期采用方法：其EMC设计仅体现在出现问题后的解决阶段，解决方法就是对出现的问题进行补救。这一方法的特点是：在电气电子系统功能性设计时不作统筹的电磁兼容考虑，设备完成后期出现电磁干扰问题时，再分析原因，寻找解决办法来纠正EMC设计中的错误，故称为纠错法。 对于较为复杂的系统，如果没有统一的考虑，出现干扰的可能性极大，甚至可能影响系统自身的工作，而且不易分析原因所在，无法解决干扰问题而导致系统重新设计或系统设计的失败。所以这样的方法已经不再适用于现代电气电子设备的产品研发和EMC设计。, 规范设计法,EMC分析设计发展进程中的第二个阶段。 它需要对系统、分系统、各部件、元器件制定一系列详细的电磁兼容设计规范，建立系统的精确EMI模型，严格按照规范进行设计和调试，将电磁干扰的可能性降为最低。但由于建立精确模型对于电力电子类复杂系统极其困难，甚至不可能建立，因此无法精确对干扰进行精确分析预测，制定的规范不可避免地带有盲目性，指标要求太低，可能导致电磁兼容设计失败；指标要求太

7、高，又会造成不必要的浪费。,规范设计法预测建模：,电磁兼容所针对的三要素及其相互关系可表示成下图。电磁兼容预测就是要在硬件生产之前分析可能存在的不合理设计。一般建立预测模型可以先建立三要素模型，三要素模型被认为是所有预测的基础。,电磁兼容的三要素及其相互关系,规范设计法预测建模,骚扰源模型根据不同的骚扰源可以建立不同的模型,例如发射机：发射设备的基本任务是产生电磁能，在设计所需频带范围内的辐射为基本辐射，属有用信号；而不在设计所需频带范围内的辐射为带外辐射，属无用信号。所有辐射能量均可从其空间分布、频谱特性方面加以描述。,对于电力电子设备，大量的研究已经表明，其产生的EMI来源于功率变换单元中开关元件通断时产生的dv/dt和di/dt。如果我们关心的是其传导性电磁骚扰，不同的电路拓扑产生的传导噪声源大小可能不一，同一电路拓扑中的共模噪声源和差模噪声源通常也各异。例如下页图所示的一个三相桥式逆变器感应电机传动系统中，共模传导发射归咎于在输入相和系统的地之间流动的电流。传动系统中，它们主要是由于快速开关工作的逆变器的输出电压变化dv/dt和在装置输出端对地变化的分布电容联合产生的。,规范设

8、计法预测建模,传动系统共模等值电路,三相桥式逆变器 感应电机传动系统,规范设计法预测建模,共模发射激励源Vcom是在dc环和等值电机起始点间的Thevenin 等值电压（如果共模电流路径为开路且能由dc环电压和三相PWM开关函数推出的话）：,其中 为1或决定于正或负边的开关是否导通。 在0和1之间的转换可定义成是连续的,以便模拟和开关工作联系在一起的有限dv/dt。,规范设计法预测建模, 耦合途径模型根据电磁骚扰传输和耦合途径的特征，一般可将工程中各类问题归纳为如下几种模型：,天线对天线骚扰模型 电磁场对导线的感应骚扰模型 导线对导线感应模型 公共阻抗传导骚扰模型 孔缝泄露场模型 机壳屏蔽效能模型,传导干扰中常研究的为电磁场对导线模型（包括导线与回路之间的电耦合、磁耦合、混合电磁耦合等）、导线对导线感应模型和公共阻抗传导骚扰等耦合路径模型。,规范设计法预测建模,三个主要模型的电流路径,规范设计法预测建模,高频共模等值电路,低频共模等值电路,差模等值电路,规范设计法预测建模,实际的PWM波形的有限的上升和下降时间不可能被表达出来，分析因此在高频范围内产生悲观的结果。,规范设计法预测建模,

9、 敏感设备模型 任何实际敏感设备均非理想的通带，都具有接受带外信号的能力。接受机的受扰程度除与信号类型、骚扰侵入方式有关外，还与信号的调制方式及频谱有关,电力电子装置EMI预测的特点,由于电力电子装置的电路拓扑、布线和机箱内结构布置变化较大，因此用某一种单纯的场或路的方法建立骚扰源和耦合路径模型非常困难。 干扰源模型是和路径联系在一起的，很难将二者分开。 由于杂散电容、电感及耦合系数等分布参数与实际布线、布局密切相关，在硬件生产之前难以确认、甚至骚扰源的大小也很难确认。,预测建模的难点,干扰源,耦合路径,敏感设备,三要素模型,系统法,系统法是目前电磁兼容技术的最高阶段在产品研发初期就对系统、分系统、各部件、元器件电磁特性进行分析预测，合理分配各项指标要求，并且在系统的整个设计过程中不断地进行修正和补充，使系统工作在最佳状态。这一阶段的工作充分吸收了前两个阶段的优点，克服了它们的局限性。由于在设计阶段就采取了电磁兼容措施，故可以采取电路与结构相结合的技术测试，因而通常在正式产品完成之前解决90的电磁兼容问题。,研究表明：有80%的潜在干扰问题可以在设计与开发过程中解决，而在整个系统完成后再去解决系统的干扰问题，将要花费双倍以上的力气和成本。在设备和系统设计的初始阶段，同时进行电磁兼容性设计，把电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前，可得到最高的效费比。如果等到生产阶段再解决，不仅在技术上有很大的难度，而且会造成人力、财力和时间上的极大浪费。,系统法工程分析, 分析系统所处的电磁环境，找出可能存在的人为干扰源和自然干扰源，为系统制定频谱与电磁场功率密度或场强的关系曲线，以说明在指定频率范围内可能产生的干扰。 选择频谱和频率（无线电管制方面要求，或环境中的频率要求） 制定电磁兼容要求与控制计划 电磁兼容要求：减小发射频谱与接收机带宽、控制谐波量、边带及脉冲上升时间以及对结构、电缆网、电气与电子电路设计 控制计划：测量计划等，包括测量仪表、实施设施、被测对象的状态、测试项目、试验步骤、试验报告等 设备及电路的电磁兼容性设计：控制发射、灵敏度和耦合，进行接线、布线

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