电磁兼容三要素及产品电路中的天线

time : 2022-06-23 10:05       编辑:凡亿pcb

1.电磁兼容三要素

产生电磁兼容或者说电磁干扰问题,必须同时具备三个条件:

1)干扰源:产生干扰的电路或者是设备

2)敏感源:产品中受这种干扰影响的关键电路或者是设备

3)耦合路径:能够将干扰源产生的干扰能量传递到敏感源的回路路径。

以上三个条件是电磁兼容问题的三要素,只要将这三个要素中的一个消除掉,那么电磁干扰问题就不会存在了。电磁兼容设计就是通过研究每个要素的关键特点,找出消除每个要素的技术方法,再在工程实践中进行具体的实践实施。

产生电磁干扰的条件:

1)变化的电压或者电流即电路中存在du/dt,di/dt。

2)电路中的传导导体,辐射天线

当电压或电流发生快速变化时,就会产生电磁辐射现象,导致电磁干扰。因此,电磁干扰的问题主要原因之一就是脉冲电路的应用问题,比如数字电路,变频器电路,开关电源电路等等。只要在这种电压或电流突然变化的环境中,都要考虑电磁干扰问题。

数字脉冲电路:随着产品的物联及智能化发展,这种电路将无所不在。

工作在开关状态的开关电源,比如AC/DC变换器、DC/DC变换器、电机及马达控制系统。

感性负载的接通和关断等等。

2.电路中的天线

电子产品及电气设备工作时会产生相关联的电磁辐射,这种辐射并不是设备为了完成预定的功能而必须发射出来的,而伴随着的辐射问题是一种干扰源,所有的电子设备都必须尽量消除这种辐射问题,而不能对无线电通信产生干扰。为了消除这种辐射干扰,这时就需要了解电磁波辐射的条件。

电磁波辐射有两个必要条件:驱动源和等效天线,也就是天线和流过天线的交变电流。在实际的产品及电子设备中存在着许多寄生天线,这就是电子产品及电气设备在工作中产生伴随着的电磁辐射的原因。避免产生寄生天线,也是进行电磁兼容设计的目的。分析和解决电磁兼容问题的一个主要方面是发现和消除一些寄生的天线结构。如果不能消除这种寄生的天线结构,就要避免交变的电流进入天线,降低他们的辐射效率。在实际应用中主要是有下面的天线结构:

典型的天线结构示意图

注意:单极子天线是只有一根金属导体,另一根金属导体是由大地或附近的其它金属物体充当,它是偶极子天线的一种变形。单极子天线的辐射效率要低一些,其辐射特性与偶极子天线的原理都是相同的。

电流环天线即环路天线在电路中随处可见,因为任何一个电路回路都可以构成一个环路辐射天线。控制电流回路面积是减小电流环路辐射的有效方法。这在进行电路板设计和连接线电缆设计时应该重点关注。

注意:之所以存在天线,实际上是两个导体之间存在电压。单极子天线是导体和大地之间存在电压。只要消除或减小两个导体之间的电压,或者是减小导体与大地之间的电压,就能够减小辐射。比如屏蔽结构设计和金属体的搭接设计就是基于这个理论。

电流环路通常是由电路的工作回路形成的,很容易识别。单偶极子天线对于大家大多电子设计工程师来说就不那么容易被发现了,这也是电磁兼容设计中的最难的地方。因为驱动这种天线的电压并不是电路中的工作电压,他需要研究电路中的共模干扰/共模电流的路径。也因此电磁兼容问题也并不是什么玄知识题,而实际上电磁兼容问题是以研究寄生参数为重点的共模电流/共模干扰的学科;因此他所包含的内容比较广泛。他全面覆盖电磁兼容元器件、硬件原理图和PCB设计、产品的电气结构/金属结构和连接线电缆等等。也就是说单偶极子天线驱动这种天线是一些无意产生的电压。

注意:结构缝隙天线也属于单偶极子天线。电子产品及设备中常见的单偶极子天线有:电路板上的地线、电路板上的外部连接线电缆,比如机箱上的外拖电缆、I/O连接线电缆和电源线等等、数字地与模拟地分开的PCB电路板、线路板与机壳连接的导线、金属机箱上的孔缝、电路板上悬空的尺寸较长的导体、没有接地的散热片等等。这些天线需要重点关注。

在进行电磁兼容设计时,要尽量消除这些结构或者是控制他们的辐射。外界电磁场会在金属部件上感应出电流,当系统的地线设计不合理时,电路的地线因为外界电磁场会在金属部件上感应出电流,当系统的地线设计不合理时,电路的地线电流也会流过金属结构体,电流流过阻抗较大的部位,比如金属结构部件之间的孔缝或搭接点位置时会产生电压。因此金属结构部件也很容易成为单偶极子天线。

以上这些,就说明了产品及电路中的天线,这对研究产品电磁兼容问题及产品的可靠性设计是非常有帮助的。

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