电磁兼容导论(原书第2版电磁兼容领域经典教材)

第1章 电磁兼容介绍 在无线电通信和电报通信的早期，人们就已经知道电火花能产生谱分量(频谱分量)很丰富的电磁波。这种电磁波能在各种不同的电子和电气设备中产生干扰或噪声，如无线电接收机和电话等。很多其他电磁发射源，如闪电、继电器、直流电动机和荧光灯，也能产生频谱分量丰富的电磁波并在电子电气设备中产生干扰。除此之外，也存在窄带电磁发射源。高压电力传输线产生工频(美国为60Hz；欧洲为50Hz)电磁发射，无线电发射机发射载波频率上的编码信息(声音、音乐等)。无线电接收机接收这些电磁波，放大后提取包含在电磁波中的信息。雷达发射机也发射单一频率的载波脉冲，当载频脉冲开启和关闭时，这些脉冲就由天线向外辐射，遇到目标后再返回雷达天线。整个电磁波的传输时间直接与目标距雷达天线之间的距离有关。与无线电传输相比，这种雷达脉冲的谱分量分布在载波周围一个更宽的频带内。另外一个重要且日益显著的电磁发射源与专门的数字计算机和一般的数字电子设备有关。这些数字设备利用脉冲来表示二进制码——0(关)或1(开)。数字和其他符号则用这些二进制码的序列来表示。脉冲从开到关或相反的过渡时间是决定脉冲谱分量的*重要因素。过渡时间快(短)的脉冲的频谱比过渡时间慢(长)的脉冲的频谱要宽。数字设备的谱分量常常占据很宽的频率范围，也可能在电子和电气设备中产生干扰。 本书讨论的是这些类型的电磁发射在电子和电气设备中造成干扰的能力。相信大多数读者有过由附近的闪电放电引起调幅(AM)收音机中噪声的经历。闪电放电的谱分量很丰富，有一些会通过收音机的输入滤波器，将噪声叠加到有用信号上。另外，即使收音机没有调谐到特定的发射机频率上，也有可能接收到发射信号，导致无用信号的接收。这些都是在有意接收机中产生干扰的例子。同样重要的是在无意接收机中产生的干扰。例如，来自调频(FM)广播电台或电视(TV)台的强发射有可能被计算机接收到，使计算机认为这是数据或控制信号从而导致计算机出错。相反地，数字计算机有可能产生耦合到电视中的发射而导致电视信号被干扰。 此外，本书也讨论电子系统的设计，以使得电子系统所受到的干扰或对外发射的干扰变得*小，重点针对数字电子系统。一个电子系统如果能与其他电子系统相兼容地工作，既不产生干扰也不对外界的干扰敏感，就称为该电子系统与其环境电磁兼容。本书的目的是学习怎样设计具有电磁兼容性(EMC)的电子系统。一个系统如果满足以下三个准则，就认为与其环境电磁兼容： (1)不对其他系统产生干扰； (2)对其他系统的发射不敏感； (3)不对自身产生干扰。 EMC设计不仅对设备的性能来说是重要的，事实上，设备在全世界各国出售以前也必须满足各国法定的要求。如果一个电子产品不能投放市场，那么即使它的功能再新、再强也都是徒劳。 EMC设计技术和方法已经作为一个整体成为设计的一部分，如数字产品的设计。相应地，本书的内容也将是一个电气工程师**的基本知识。毫无疑问，随着数字系统时钟速度和数据传输速率的持续提高，本书的重要性也将越来越明显。 本书是为大学电气工程专业本科生或研究生的EMC课程编写的。市面上也有关于EMC的书，但它们主要是为工程专业技术人员编写的。因此，在每章的*后，本书列出了一系列的参考资料。本书中资料参考处用方括号表示(如[XX])。许多商业杂志、EMC会议论文集和电气电子工程师学会(IEEE)的EMC杂志中都包含了我们所讨论的EMC各方面的、有用的指导性论文，这些同样在适当的地方做类似的参考。成功进行EMC设计的一个*重要的方面是对电气工程(电路分析、电子学、信号学、电磁学、线性系统理论、数字系统设计等)的基本原理有很好的理解。因此，我们对这些基本原理进行复习以便读者能理解这些基本理论，并有效而正确地利用它们来解决EMC问题。有代表性的这些基本理论图书为参考文献[1～3]，有代表性的但并不是全部覆盖EMC基本理论的参考资料为参考文献[4～13]，Ott[4]的著作是本书的主要参考资料，其他EMC各方面的著作和论文在适当的章节中参考，有代表性的有关高速数字系统设计的图书为参考文献[14～16]，有关EMC课程发展的讨论见参考文献[17，18]。 1.1 EMC涉及的方面 如上所述，EMC涉及电磁能量的产生、传输和接收。EMC问题的这三个方面构成了EMC设计的基本框架，如图1.1所示。源(也称为发射器)产生发射，传输或耦合途径将发射的能量传递到接收器(接收机)，发射的能量在接收器被接收，产生所期望的或不期望的动作。如果接收到的能量导致接收器以非期望的方式动作，这就发生了干扰。电磁能量常常通过无意的耦合模式传输。但是，只有当在接收器输入端接收到的能量有足够的幅度和/或频谱分量而引起接收器以非期望的方式动作时，电磁能量的这种无意传输才会造成干扰。电磁能量的无意发射或接收并不一定就是有害的；接收器的非期望动作才构成干扰。因此接收器对接收到的能量的处理是干扰是否会发生的一个重要方面。通常很难确定入射到接收器的信号是否会对该接收器造成干扰。例如，在雷达范围内的杂乱回波会使得雷达操作新手不能正确地解释所得到的数据，而对于经验丰富的雷达操作者来说，这种杂乱回波就不会带来问题。在一种情况下造成了干扰而在另一种情况下却又没有造成干扰，尽管有人会据此争辩说接收器是雷达操作者而不是雷达接收机。图1.1所示为常常难以**识别EMC问题的三个方面。 图1.1 EMC耦合问题的基本分解框图 理解源或接收器分为有意或无意两类也是很重要的。事实上，源或接收器可能同时具备有意和无意两种属性。源或接收器是有意的还是无意的取决于耦合路径和源或接收器的类型。例如，如果AM无线电台发射机的发射被一台调谐到载波频率上的无线电接收机接收到，那么这台AM无线电台发射机就构成了有意发射器。但如果同一台AM无线电台发射机的发射被另一台未调谐到该发射机载波频率上的无线电接收机所接收，那么这种发射就是无意的。实际上发射仍然是有意的，只是耦合路径是无意的。也有一些发射源，它们的发射没有任何目的，其中一个例子就是来自荧光灯的(看不见的)电磁发射。 这表明防止干扰有以下三种途径： (1)抑制源的发射； (2)尽可能使耦合路径无效； (3)使接收器对发射不敏感。 当排查EMC问题时，这三点应牢记于心。“**道防线”是要尽可能抑制源的发射。例如，因为数字脉冲信号的快速(短)上升沿/下降沿时间对这些信号的高频谱分量起主要作用。一般地，通过耦合路径传递的信号频率越高，耦合路径越有效。所以，应当减缓(增加)数字信号的上升沿/下降沿时间。但是，数字信号的上升沿/下降沿时间仅能增加到使数字电路开始误动作的那一点。当系统使用1ns上升沿/下降沿时间的脉冲能正常工作时，使用具有100ps上升沿/下降沿时间的数字信号也并不具备充分的理由。记住，抑制发射的高频谱分量会从本质上降低耦合路径的有效性，并因此而减小接收器的接收信号电平。我们将讨论一些减小耦合路径有效性的“蛮方法”。例如，将接收器放入金属盒里(屏蔽盒)有助于减小耦合路径的有效性。但是屏蔽盒比起减小发射脉冲的上升沿/下降沿时间费用要高，并且，在使用中它们的实际性能常常远差于理想性能。要实现降低接收器对噪声的敏感性而同时仍保证产品的有用功能常常相当困难。降低接收器对噪声敏感性的一个例子就是在数字接收器中使用纠错编码。虽然非期望的电磁能量入射至接收器，但是纠错编码能让接收器在有潜在的干扰信号存在的情况下依然正常工作。如果读者能够根据图1.1所示考虑从左到右地降低耦合，通常将会更容易地达到降低干扰耦合的目的，并且系统设计需要的额外费用也较少。在EMC设计中，使系统达到电磁兼容性而附加成本*小，将依然是一个重要的考虑因素。一个人可以将所有的电子产品放在金属盒里并使用内部电池供电，但是产品的外观、实用性和价格对用户来说都是不可接受的。 我们可以把电磁能量的传输耦合(与防止干扰有关)划分为四类：辐射发射、辐射敏感度、传导发射和传导敏感度，如图1.2所示。一个典型的电子系统通常由一个或多个相互间通过电缆(导线束)传输信号的子系统构成。为这些子系统供电的通常是系统使用场所中的交流(电流变化)市电系统。在一个特定的电子系统中，将120V、60Hz的电压(在欧洲为240V、50Hz)变换为给系统内部电子元器件供电所需要的各种直流电压电平。例如，数字逻辑器件需要5V直流电供电，模拟电子器件需要+12V和-12V直流电供电。其他的直流电压为如电动机之类的器件供电。有时需要用60Hz(50Hz)的交流电为其他元器件供电，如小的冷却风扇。60Hz、120V的交流电源可以通过一根电线从市电电网中获得。还需要其他一些电缆来连接子系统，以使有用信号能在它们之间传输。所有这些电缆都有潜在的发射和/或接收电磁能量的能力，并且通常在此方面相当有效。一般来说，电缆越长，它发射或接收电磁能量就越有效。在这些电缆上直接传导的干扰信号也可以在子系统间直接传输。如果子系统被金属外壳所包围，那么内部信号或外部信号可在外壳上感应电流，然后这些感应电流向外部环境或者系统内部进行辐射。使用塑料等非金属外壳，尤其是在低成本系统中变得越来越普遍。包含在这些非金属外壳里的电子电路，大部分完全暴露在电磁辐射中，这样就可能直接产生向外的二次辐射或者发生电磁辐射敏感度问题。如图1.2所示的EMC涉及的四个方面(辐射发射、辐射敏感度、传导发射和传导敏感度)反映了这些需要考虑的事项。 电磁辐射可以发生于交流电源线、装载子系统的金属机壳、连接子系统的信号电缆，或者是非金属封装的电子元器件上。如图1.2(a)所指的“电流辐射”是很重要的，这是产生辐射发射的(有意或无意的)基本方式。时变电流能有效加速充电，因此产生辐射发射的基本过程就是加速充电。贯穿本书，我们将努力纠正妨碍我们理解此类问题的一些误解。一个例子就是交流电源线上仅载有60Hz信号的概念。虽然交流电源线的主要用途就是将60Hz的市电传输到系统中，但是能意识到在交流电源线中可能并且常常存在众多其他高频信号却是非常重要的。这些信号通过众多耦合途径从内部子系统耦合到交流电源线上，这些耦合途径我们将在后面讨论。一旦这些高频电流出现在长电缆(1m或更长)上，电流将非常有效地向外辐射。这根长电缆的作用也可能像一根有效“天线”，可以接收附近其他电子系统的辐射发射，如图1.2(b)所示。这些外部信号一旦被这根电缆及任何连接子系统的电缆所感应，那么外部信号就会进入子系统内部的元器件中，并在这些电路中引起干扰。总之，交流电源线、连接电缆、金属机壳或者子系统的内部电路都可能辐射或接收非期望的信号，即使这些结构或电缆并非有意运载这些信号。 图1.2 四个基本EMC问题 电磁能量的发射和对电磁能量的敏感现象不仅可以通过空间电磁波的传播而发生，也可以通过金属导体的直接传导而发生，如图1.2(c)和图1.2(d)所示。通常这种耦合路径在本质上比空间耦合路径更有效。电子系统设计者意识到了这一点，所以有意地在该耦合路径上设置障碍，如加装滤波器，以阻断能量不希望的传播。能意识到干扰问题常常会扩展到如图1.2所示的内容之外尤为重要。例如，在交流电源线上传导的电流进入使用现场的配电网，那么电力配电网就可能成为一种直接的扩展导线阵列，能够非常有效地将这些信号辐射出去。在这种情况下，传导发射又导致了辐射发射。因此，限制交流电源线上的传导发射将有助于降低配电系统的辐射发射。 这里主要关注的是电子系统的设计，以使电子产品能够符合政府机构制定的法定要求。 但是，我们也将讨论其他很多重要的EMC关注点，其中部分内容如图1.3所示。图1.3(a)举例说明当前小规模集成电路日益常见的敏感性问题——静电放电(ESD)。穿着橡胶底的鞋走过尼龙地毯会在人体上积聚静电，这时如果接触电子设备，如键盘，那么静电电荷就可能转移到设备上，在指尖和