EMC电磁兼容性相关名词解释、基础知识

2021-07-28 14:11:31

一、名词解释

1、EMC

EMC(Electro Magnetic Compatibility)直译是“电磁兼容性”。意指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰,也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。

2、EMI——攻击力

EMI(Electro Magnetic Interference)直译为"电磁干扰",是指电子设备(干扰源)通过电磁波对其他电子设备产生干扰的现象。

示例:

当我们看电视的时候,旁边有人使用电吹风或电剃须刀之类的家用电器,电视屏幕上会出现的雪花噪点;电饭锅煮不熟米饭;关闭了的空调会自行启动……这些都是常见的电磁干扰现象。更为严重的是,如果电磁干扰信号妨碍了正在监视病情的医疗电子设备或正在飞行的飞机,则会造成不堪设想的后果。从这些例子来看,就好像是电子设备具有无形的“攻击力”,对其他电子设备的正常运行造成了扰乱和破坏。

3、EMS——防御力

EMS(Electro Magnetic Susceptibility)直译为“电磁敏感度”,是指由于电子设备受到外界的电磁能量,造成自身性能下降的容易程度。

示例:

例如同样受到电吹风或电剃须刀的干扰,有些电视机的屏幕上出现了雪花噪点,有些电视机却安然无恙。这表明在受到电磁干扰“攻击”的情况下,前者的电磁敏感度较高,更易受伤,也就是“防御力”较低;而后者的电磁敏感度较低,不易受伤,即“防御力”较高。

4、传导干扰和辐射干扰

从“攻击”方式上看,电磁干扰(EMI)主要有两种类型:传导干扰和辐射干扰。

传导干扰是指干扰源通过导电介质(例如电线)把自身电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。最常见的例子是我们电脑中的电源会对家里的用电网络产生影响,在电脑开机的同时家里的电灯可能会变暗,这在使用杂牌劣质电源的电脑上表现得更为明显。而在当今电源的内部结构中,一二级EMI滤波电路是必不可少的,这里的“EMI”针对的就是电磁传导干扰,以防止电源工作时对外界产生太大的影响。

辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。

如下图,通过电源线相互产生的干扰是传导干扰,通过电磁波产生的干扰是辐射干扰

二、EMC测试项及标准

1、EMI测试项:

辐射骚扰电磁场(RE)

骚扰功率(DP)

传导骚扰(CE)

谐波电路(Harmonic)

电压波动及闪烁(Flicker)

瞬态骚扰电源(TDV)

2、EMS测试

辐射敏感度试验(RS)

工频磁场抗扰度(PMS)

静电放电抗扰度(ESD)

射频场感应的传导骚扰抗扰度测试(CS)

电压暂降,短时中断和电压变化抗扰度测试(DIP)

浪涌(冲击)抗扰度测试(SURGE)

电快速瞬变脉冲群抗扰度测试(EFT/B)

电力线感应/接触(Power induction/contact)

3、国际标准化组织

国际电工委员为IEC

国际标准华组织ISO

电气电子工程师学会IEEE

欧盟电信标准委员会ETSI

国际无线电通信咨询委员CCIR

国际通讯联盟ITU

国际电工委员会IEC有以下分会进行EMC标准研究:

CISPR:国际无线电干扰特别委员会

TC77:电气设备(包括电网)内电磁兼容技术委员会

TC65:工业过程测量和控制

FCC联邦通

VDE德国电气工程师协会

VCCI日本民间干扰

4、国际标准化

BS英国标准

ABSI美国国家标准

GOSTR俄罗斯政府标准

GB、GB/T中国国家标准

5、EMC测试结果的评价

A级:实验中技术性能指标正常

B级:试验中性能暂时降低,功能不丧失,实验后能自行恢复

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)或软件损坏数据丢失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低

三、EMC基础理论

1、分贝(dB)的概念

分贝(Decibel,dB)是电磁兼容中常用的基本单位。是一个纯计数单位,本意是表示两个量的比值大小,没有单位。

dB就是把一个很大(后面跟一长串0的)或者很小(前面有一长串0的)的数比较简短地表示出来。如(此处以功率为例):

X = 100000 = 10^5

X(dB) = 10*lg(X) dB= 10*lg(10^5) dB= 50 dB

X = 0.000000000000001 = 10^ -15

X(dB) = 10*log(X) dB= 10*log(10^ -15) dB= -150 dB

在电子工程领域,放大器增益使用的就是dB(分贝)。放大器输出与输入的比值为放大倍数,单位是“倍”,如10倍放大器,100倍放大器。当改用“分贝”做单位时,放大倍数就称之为增益,这是一个概念的两种称呼。

电学中分贝与放大倍数的转换关系为:

A(V)(dB)=20lg(Vo/Vi);电压增益

A(I)(dB)=20lg(Io/Ii);电流增益

Ap(dB)=10lg(Po/Pi);功率增益

分贝定义时电压(电流)增益和功率增益的公式不同,但我们都知道功率与电压、电流的关系是P=V^2/R =I^2*R。采用这套公式后,两者的增益数值就一样了:

10lg[Po/Pi]=10lg[(Vo^2/R) /(Vi^2/R)]=20lg(Vo/Vi)。

使用分贝做单位主要有三大好处。

(1)数值变小,读写方便。电子系统的总放大倍数常常是几千、几万甚至几十万,一架收音机从天线收到的信号至送入喇叭放音输出,一共要放大2万倍左右。用分贝表示先取个对数,数值就小得多。

(2)运算方便。放大器级联时,总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单位时,总增益就是相加。若某功放前级是100倍(20dB),后级是20倍(13dB),那么总功率放大倍数是100×20=2000倍,总增益为20dB+13dB=33dB。

(3)符合听感,估算方便。人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。例如,当电功率从0.1瓦增长到1.1瓦时,听到的声音就响了很多;而从1瓦增强到2瓦时,响度就差不太多;再从10瓦增强到11瓦时,没有人能听出响度的差别来。如果用功率的绝对值表示都是1瓦,而用增益表示分别为10.4dB,3dB和0.4dB,这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差别了。您若注意一下就会发现,Hi-Fi功放上的音量旋钮刻度都是标的分贝,使您改变音量时直观些。

分贝数值中,-3dB和0dB两个点是必须了解的。-3dB也叫半功率点或截止频率点。这时功率是正常时的一半,电压或电流是正常时的0.707。在电声系统中,±3dB的差别被认为不会影响总特性。所以各种设备指标,如频率范围,输出电平等,不加说明的话都可能有±3dB的出入。0dB表示输出与输入或两个比较信号一样大。分贝是一个相对大小的量,没有绝对的量值。可您在电平表或马路上的噪声计上也能看到多少dB的测出值,这是因为人们给0dB先定了一个基准。例如声级计的0dB是2×10-4μb(微巴),这样马路上的噪声是50dB、60dB就有了绝对的轻响概念。常用的0dB基准有下面几种:

dBFS——以满刻度的量值为0dB,常用于各种特性曲线上;

dBm——在600Ω负载上产生1mW功率(或0.775V电压)为0dBm,常用于交流电平测量仪表上;

dBV——以1伏为0dB;

dBW——以1瓦为0dB。

一般读出多少dB后,就不用再化为电压、声压等物理量值了,专业人士都能明白。只有在极少数场合才要折合。这时只需代入公式:10A/20(或A/10)×D0计算即可。A为读出的分贝数值,D0为0dB时的基准值,电压、电流或声压用A/20,电功率、声功率或声强则用A/10。

附录:

概念辨析:dBm, dBi, dBd, dB, dBc, dBuV

1、 dBm

dBm是一个考征功率绝对值的值,计算公式为:10lgP(功率值/1mw)。

[例1] 如果发射功率P为1mw,折算为dBm后为0dBm。

[例2] 对于40W的功率,按dBm单位进行折算后的值应为:

10lg(40W/1mw)=10lg(40000)=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。

dBm是功率单位;

dBm 定义的是 miliwatt。 0 dBm = 10log1 mw;

dBw 定义 watt。 0 dBw = 10log1 W = 10log1000 mw = 30dBm。

2、dBi 和dBd

dBi和dBd是考征增益的值(功率增益),两者都是一个相对值,但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线,dBd的参考基准为偶极子,所以两者略有不同。一般认为,表示同一个增益,用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。

[例3]对于一面增益为16dBd的天线,其增益折算成单位为dBi时,则为18.15dBi(一般忽略小数位,为18dBi)。

[例4] 0dBd=2.15dBi。

[例5]GSM900天线增益可以为13dBd(15dBi),GSM1800天线增益可以为15dBd(17dBi)。

3、dB

dB是一个表征相对值的值,当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时,按下面计算公式:10lg(甲功率/乙功率)

[例6]甲功率比乙功率大一倍,那么10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB。也就是说,甲的功率比乙的功率大3dB。

[例7] 7/8 英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为3.9dB。

[例8] 如果甲的功率为46dBm,乙的功率为40dBm,则可以说,甲比乙大6dB。

[例9] 如果甲天线为12dBd,乙天线为14dBd,可以说甲比乙小2dB。

4、dBc

有时也会看到dBc,它也是一个表示功率相对值的单位,与dB的计算方法完全一样。一般来说,dBc是相对于载波(Carrier)功率而言,在许多情况下,用来度量与载波功率的相对值,如用来度量干扰(同频干扰、互调干扰、交调干扰、带外干扰等)以及耦合、杂散等的相对量值。在采用dBc的地方,原则上也可以使用dB替代。

5、dBuV

根据功率与电平之间的基本公式V^2=PR,可知dBuV=90+dBm+10log®,R为电阻值。

载PHS系统中正确应该是dBm=dBuv-107,因为其天馈阻抗为50欧。

6、dBuVemf 和dBuV

emf:electromotive force(电动势)

对于一个信号源来讲,dBuVemf是指开路时的端口电压,dBuV是接匹配负载时的端口电压

定义为两个功率的比

2、传导干扰耦合形式:

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耦合的分布电容而产生,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。

3、辐射干扰耦合形式:

差模辐射:电流在信号环路中流动产生,PCB主要产生差模辐射(磁场、电感产生磁场)

共模辐射:由于导体的电位高于参考电位产生,线缆主要产生共模辐射(电场、电容产生电场)

4、电场和磁场

磁场

导体上的电流产生磁场,磁场强度单位:A/m;电流产生磁场,变化的磁场产生电流。

电场

导体之间的电压产生电场,电场强度单位:V/m

5、波阻抗

电磁场包括电场和磁场,电场有电场强度,磁场有磁场强度。电磁场中的电场强度和磁场强度的比例并不是固定的,有些电磁场中的电场强些,有些电磁场中的磁场强些。

我们用电场强度与磁场强度的比值来表征一个电磁场,这个比值叫做波阻抗,用ZW表示。

波阻抗与辐射源有关系,很好记,辐射源是低阻抗,产生的电磁波也是低阻抗,反之亦然。

波阻抗还与观测点到辐射源的距离有关,当距离大于波长的1/6时,无论辐射源阻抗是多少,波阻抗都是377欧;我们称与辐射源之间的距离小于1/6波长的范围为近场区,大于1/6波长的更远处为远场区。