陶老师ESD、EMI、EMC讲座（2）-EMC、EMI解析

下面讲电磁感应。电磁感应和EMI，EMI就是电磁干扰。电磁干扰分电场干扰和磁场干扰，电场和磁场是两种不同性质的物质，现在我们很多人没有了解它，大家都说是一种暗物质，就是不知道它是什么样的东西，叫做暗物质。很多人把它分成一派的概念进行解释。现在我们只知道它是能够携带能量的介质，它充满整个宇宙空间，电场和磁场，只要你了解两者之间可以互相转换，当某种电场或磁场的位能产生变化，什么是位能？比如某个带电体带的电压是100V，一下就变成200V的，这就是位能改变了。或者是原来磁场强度，如果电流是1安培，一下变成2安培了，磁场也是在改变。位能的改变会影响整个空间电磁场的分布，这种分布是光的速度进行传播，就是30万公里/秒。电磁场干扰无处不在，你想抵挡都挡不住。产生电磁层感染就是带电物体的电荷出现分布，对分布电容不断地充放电，任何一个带电体都可以把它看成一个电容，也就是说叫做分布电容。产生磁场干扰的基本原因是流过导体的电流的大小和方向发生改变，即分布电感产生的磁通大小和方向在不断变化。这两句话很重要，电流改变了，只有改变才会对整个空间重新分布，而且分布的速度按照30万公里/秒进行传播。

现在我们具体解释一下电磁感应和干扰的原理。刚才已经讲了电场和雷电产生的原理一样，这边是带电体，你也可以把它看成一个地球，带电体的旁边如果有一个物体，这个物体不管是金属的还是绝缘体都会产生极化带电，不管是否导电都会导致极化带电，比如说这是一根金属棒或者是一根木棒都会产生感应。产生感应带电，这边带的是负电，这边带的是正电。但是整个物体的电中性还是保持着。那么，这两端产生的电位差就是电位梯度，就是电场强度。知道了电场强度以后就可以算出这两端的感应电压，感应电压等于电场强度×距离。

电磁干扰的原理是带电体电磨和位能不断的改变，会对感应体产生位移电流，当这边是正的时候，电流的方向往这边流，当是负的时候电流往另外一边流。位移电流和一般电工学里面的位移电流不一样，位移电流不需要回路，在任何一个导体里面都会产生位移电流，并且位移电流的大小在这个导体里面的每个地方都不一样，不管这个怎么变化，中间位移电流等于零，只在两端位移电流是最的大，中间那个地方等于零。如果你不好理解，你把这个当成一根天线就理解了，天线发射电磁波的时候也是没有回路的，就是靠不断的对它进行充放电，这个原理是一样的。还有一种情况，当两个变换的速度和来回移动的方向、距离正好是半个波长的时候它会产生谐振，这个在天线理论里面可以学到。因为位移电流是有速度的，不能说速度等于无穷大，我这边变你也变，如果移动有速度就会产生叠加和抵消的作用，就会产生谐振。

我们给大家介绍一个很重要的概念，就是电容。这个电容和我们现在电路里面用的电容是两个概念，大家不要混淆。任何带电体我们都可以把它看成一个电容，电容的大小跟它带的电压和电荷的多少有关，如果带的电荷越多，电压越高它的电流就越大。电容的概念其实与电荷的概念也是互相对应的，我们把这个电容器看成是两个电容进行串联，也就是说带电体带正电，带正电是对于无限远的地方来说的，为什么呢？因为这个带电以后电场分布是发散性的，中间这一点是最强，离的越远的时候电感强度就越来越低，当无限远的时候就等于零，你不能拿它来参考地球，参考地球的话相当于范围太小，本身地球也可以看成电容，所以分析电容的时候最好用无限远的地方作为参考点。也就是说我们计算电容的时候以无限远的地方考虑，计算电容也是以无限远的地方考虑。把这两个电容靠在一起的时候就变成了电容器，你就可以利用这两个电容的电位梯度和电容器来分析。任何一个带电体都可以看成一个电容，一个孤立球导体的电容等于表面积除以半径，再乘以电容系数。地球的容量算出来就是7×10-4（F），把两个孤立电容进行推导，算出来就是这样，电容器正好等于上面储存的电容量除以电位差。明白电容的概念以后，也要分析电路的电磁感应方面，要有量的概念。有了量的概念我们可以对电磁干扰进行分析，比如说这边是一个干扰电压，通过这条电路进行供电，旁边也有一个电路，这个电路就会受到干扰，干扰怎么计算？它的导向电路是什么？我们可以把两个导线看成一个电容器，就是有一个耦合电容。等效电路相当于这边，你要减少两个回路互相干扰的程度就必须要减少上面的Cm电容，把两条线隔得越远越好，而且越短越好，只要面积越小电容器越小，离得越远电容器也越小。

下面讲磁场感应与干扰。磁场只要有电容从导体里面流过就会产生磁场，磁场这个东西因为我们摸不到，所以现在我们都是用磁力线表示，我们可以判别它。这个磁场如果穿过周边的电路，或者是其他电感线圈就会产生电子感应，这就相当于一个有电流流过的电感线圈，会产生磁场，这个磁场对另外一个线圈也会产生感应电压。线圈对应里面任何一个线路也会产生感应电压。所以电磁感应就是因为磁力线穿过闭合回路而产生的，你要减少电压的大小，就要减少干扰的大小，一个就是减少它的磁通量，感应电压与磁通量有关，减少磁通量只能减少面积，减少圈圈的面积，或者减少磁场强度，磁场强度一般很难改变，你只能改变面积。另外，刚才说的干扰是位能改变才会干扰，如果只是一个通到位能不变，它不会干扰，永远是一个1安培，位能不变不会干扰。干扰是位能不断改变，一下子变成1安培，一下子变成2安培，一下子变成3安培，一下子又变成负的安培。


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陶老师ESD、EMI、EMC讲座（1）——静电的产生

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电磁干扰我们关心的有两种，一种是传导干扰，一种叫做辐射干扰。传导干扰是通过导线，就是电源线或者里面的信号线进行传导、传输的，这叫做传导干扰。另外一种是辐射干扰，辐射干扰是通过空间的，这两种相对来说后面这种辐射更加难。传导干扰还分共模干扰和差模干扰，辐射干扰一般是通过空间互相连接，只要两个设备靠在一起就会产生干扰。辐射干扰也分电场干扰和磁场干扰，就是电场辐射和磁场辐射，但是根据麦格思维方程，电场辐射和磁场辐射都是互相联系在一起，只要你在任何一个空间里面有交电电场，它在旁边也会产生对应的磁场，并且两个可以互相转换。

传导干扰测量原理。这里面传导干扰有两个干扰，一个是共模，一个是差模，这样一个回路是流进入又流出来的，这叫做差模。这两个同时进去从另外一边流出来叫共模，共模干扰很简单，就是以大地为一端，另外一端是以上面的线路、设备，不管什么线为一端测到的电压，这叫做共模干扰。因为测量的时候必须要与一根电路连接，先测三个电压，这是测这个与大地之间的电压，这是测两条线之间的电压，然后得出结算公式。V1=CI-DI，就是共模干扰减去差模干扰。V2=CI+DI，V3=DI，R1、R2、R3、R4为接地电阻，C1为分布电容，如果到检测所去测之前自己一定要先进行摸底测试，用一块垫板或金属板放在下面接地，等于说分布是固定的，利用标准一块板与机器造成分布电容，一般是一个平方米等等，是由他们定的，你可以做试验，测多大都没有关系，但它是固定的，测电视机是什么样，测手机是什么样，这是不一样的。传导干扰测量方法。分布电容在这一块金属板，与它之间产生分布电容，当然用这个板带分布电容，测出来的结果数字越大，这只是用来做对比，以此为基础。我们做摸底可以用大一点测，容易测得到，但你测得不算数。



传导干扰详解。我们讲一讲几个干扰原理，不管是传导干扰还是辐射干扰，在电路里面占的成分最大就是开关电容，大概占了辐射干扰的70%以上，如果可以把开关电容、辐射和传导干扰基本上压制住了，其他就很容易了。在电容一进去以后可以构成回路，这里也构成回路，这里也是构成回路，这几个回路在上面互相之间都会产生电流回路法，之间会互相干扰。这里是对地的分布电容，每个回路里面对地都有分布电容构成一个回路。上面几个会产生差模干扰，这几个属于共模干扰，共模干扰是与大地相关的，就是以地为一端，是测试端或者是电压的一个值。这些回路你都可以看成是一个变压器的线圈，相当于一个感应线圈，只要里面有磁力线穿过都会产生感应电动势，都会通过并合这些线往那边传。

这个更加具体，有电力穿过的时候会产生电力线，电力线会产生共模干扰，这几个都是共模干扰，那些都是差模干扰。这些干扰主要是如何产生的？本身线路里面只有电流流过，构成一个线圈或导线都会产生干扰，最大的是变压器漏感，这是其他回路的好几十倍。所以变压器漏感最好进行屏蔽？怎么屏蔽呢？在线圈的外边用一层金属，铝片也好，铜片也好，一般用铜片包起来，包起来应该让它短路，就是用焊丝焊起来，漏感在上面也会产生涡流，一产生涡流就会产生抵消干扰的磁场，就相当于把漏感抵消掉。





减少线路中的干扰，就是信号线或传输线，两根线靠得越近，一个电流往这边流，一个电流往那边流，两个电磁场会抵消掉。也就是说在回路里面产生的感应面积相对越小越好。

电磁辐射干扰原理。主要也是有两种，一种是电场辐射，电场辐射最典型的就是半波阵子，如果上面这根天线的波程是半个波程，电场是最大的，现在一般都很少有半波程，有一段接大地，有一端作为发射天线，像中波天线就是这样，电信天线就是半波阵子。还有一个是磁场天线，磁场天线相当于变压器的回路，不过这个天线有参数，或者半波阵子波程最好是半个波程，根据这个波程发射，不是随便的，长的短的效果是不一样的。电磁辐射产生这两个阵子还会充放电，一下子到正，一下子到负，相当于电容。充放电在这里会产生磁场，这个磁场又产生电阻，这就是麦格思维，不断、不断的传下去，在这里面的旋度等于面积的强度，这就是麦格思维方程。电磁波传播是这样的，辐射原理主要是这个原理。

各种干扰脉冲波形的频谱。辐射和干扰的频率有关，频率一般都是指正弦波，这样比较好理解，对于方波或正弦波的波形，一般我们都可以把它看成是无穷多个上升率不同的波形进行叠加，也就是用基数展开，这是数学表达方式，比较正确是用不同的上升率，不同的波形进行叠加，但上升率不好理解，一般都是用正旋波表示。这里面波种不同的波形，它产生的干扰不一样。这种的频谱是最宽的，这种是高新的，接近于正弦波。120dB的时候是1v，126dB就是2v，大家知道dB是什么吗？它一般用来表示放大倍数，就是输出电压与输入电压之比，取数值大于20。为什么用这个倍数来比？用倍数比相当于把视角范围缩小，让你好看，如果从线性来看，一个毫伏一直到两伏就冲到天上去了，不好看。用对数坐标表示，越往下越压缩，前面是压缩比较小，这边也是。这里变成10，变成了100，变成1000，这是在电工里面用量表示，用倍数表示，每6dB就差1倍，大家记住。这里是60÷20=3，是3个据波，这里是1000微伏，120是正极，1V+6dB=2v。到测试所去测试给一个曲线，很多人问我dB是什么意思？dB就是一个坐标，后面会加一个单位，一个毫伏0dB就是一个毫伏。功率不是20倍表示了，而是用10倍表示，每3dB差一倍功率，电压就是每6个dB差一倍。

另外对于辐射干扰，我们最注意的就是共模干扰，差模干扰相对来说比共模干扰小很多，我们做过一个试验，在同一个导线里面流过的电容，相差的共模干扰是2500倍。上面就是对辐射进行测试，刚才是共模干扰，其他都是传导测试，其实就是辐射干扰测试，一般就是用天线来测，天线的测试原理就是这样的，量天线和大地之间的电压，这个设备与大地之间有分布电容，前面已经说过了，放这个在上面，与板接地产生分布电容。天线也有分布电容，分布电容不是跟设备大小和距离有关，所以测试的时候都有一个标准，固定设备中间距离有多远，天线面积用多大，还有一套天线，很多天线，不只是一个，计最大的那个，就是测试电压最大的那个，天线对辐射会产生谐振。


这就是标准的测试，这里面装了一个宽带天线，专门吸收电磁波，这里面都是塑料和导电橡胶，变成电流波在里面来回辐射，然后吸收掉。测试费用很高，一般都要几万元，如果没有把握好测几次，费用就受不了，最好测试之前自己先测一下。最简单的，就是用一块双面硬纸板，这边做一个正极天线，那边做一个磁电线，一边是接收电场的，一边是接收磁场，一圈、一圈相当于变压器的线圈，两根连起来相当于正极，长长短短可以把频率范围加宽。最好做成半波，但是半波对干扰来说很难定义范围，不过半波实际上也接收得到，只是幅度变小，就做得宽一些，多装几组以后进行测试。你在进行重力测试之前自己先测试，或者他测以后你再测一次，对比哪个频率超标或不合格了，自己再摸底，能够在那边插两个dB，你自己测了之后能插六个dB，那还不合格吗？它只是一个相对数据，因为这种方式也不是绝对科学的东西，而且每个试验室内都有一套标准的东西，只能在我这里测，不能在别的地方测，不管合不合理只能到我这里测，在同等条件下对比，你测试了以后，与他就可以对比差别出来。你在这里比，频率比也有相差，把它压下来就可以了。这个你可以用示波器，这也是常用的，相对来说也不贵，就可以使用，如果没有就用电视机高频头装一个简单的来调也可以，调到后面用一个表进行指示，像调电视台一样，慢慢描出一个曲线出来都可以。

什么是EMC？其实对于用户来说，他最关心的是EMC，但对于产品生产者来说EMI又是最关键的。因为EMI是电磁干扰，电磁干扰你生产出来的设备会干扰别人的设备，比如说电视机干扰别人的收音机，或者会干扰人家的手机，这就不行了，因为就把频率变成有偿资源，政府要卖钱的，卖给使用者以后，使用者就有权利要求你卖给我的频率一定能用，所以大家定了一个法则，法则定得太高不行，定得太低也不行，双方要有一个协议，定出来就是电磁兼容。电磁兼容是使用方和设备生产方两方协商的，一般执行都是权力部门，不是生产方来定。我们国家在1996年以前不管这样的东西的，为了监管，1996年以后我们引入EMC，就是电子兼容的概念，现在我们出口的产品都要经过EMC的认定，你没有经过EMC认定就不行。EMC认定一般有6个方面，以前只有3个方面，现在有6个方面，除了电磁场干扰以外还有安全性，安全现在也放到EMC里头去了。安全在每个国家都不一样，美国的法规放得比较松，相对来说没有欧洲那么严，但消费者要认这个东西，不管法律。比如uL认证，美国法律就没有规定，没有说产品一定要经过UL认证，但消费者认这个东西，你经过了认证我就认你，不经过我就不认你，欧洲都是有法律制定的。
 
我们后面再讲很具体的电路问题。很多人对地的概念不是很清楚，也不了解，现在很多人都把电路里面的公共关说成地，具体是不是？我们先介绍几个概念。一般按照道理，最早地就是大地，后来地慢慢习惯用到设备里面，包括外壳、输入线，比如说示波器或者信号线，与大地连在一起，有的不连，现在就变成了一个很模糊的概念，我们就把热地、冷地、浮地、接地几个概念简单介绍一下。这个符号是比较标准的接地符号，就是接大地的，不管哪个设备接地都是这个符号。热地国家还没有标准，大部分都习惯用这个箭头作为热地。冷地国家也没有标准，大家都接受是这样的，这三个地基本上电工里面都有明确定义的，这个地就是接大地，热地就是里面整流出来电源的某一端是公共端，人去摸它会带电，会电死人，和前面的火线会产生回路电流，会电到人，所以这个叫做热地。还有一个通过电子耦合以后没有电的关联，只有磁场关联，你去量根本没有回路，叫做冷地，手是可以摸的。但是你不要以为它是冷地就不带电，实际上它还是带电，为什么带电？大家可能一下子不是很清楚，它带的是静电，相当于极化带电，就是线圈通过感应以后，一头带负的，一头带正的。电容机也是，有一头带电，有一头不带电，这一点还是带负电，不带电的没有跟电路连接，定位与大地一样，所以叫做浮地。对应的不是与大地相等，但没有与大地连接，拿电表来量这一点与大地没有电压。浮地的信号现在还没有，如果大家参考的话可以参加这个符号来用，这个地方电位等于零，当两边发生变化就用这个来表，对电路分析有好处，特别是严重干扰的时候一定要把浮地找到，因为电位越高的地方电容越容易干扰，电位等于零，也就是浮地和电位是越低的地方干扰就越小。

为了降低传导干扰，现在一般在输入电路里面都要加滤波器，这边是设备产生的干扰，通过这几个滤波以后就会把几个电压降低，这两个电容是共模的滤波电容，这几个有共模电感，也有差模电感，因为共模电感的体积比较大，成本比较高，所以大家都没有用，都在用共模电感代替。因为共模电感本身有漏感，漏感对差模来说也有抑制作用，所以相对来说用共模电感代替差模电感，成本可以大大降低。这两个电容很关键，在安全里面两个的和不能超过470b，为什么？安全测试的时候在安全设备上加2500v交流电来测与地的漏电，如果超过2.5毫安就算不合格。这样算的话50就是2500v电压，算出来的电压不能超过470b。按照共模预计，这两个做得更大一点，最大不能超过4700v。这是差模电容，差模电容没有要求，用的越大越好。但是用得越大也有一个问题，把电容线拔掉的时候上面带电不能超过，所以这里必须加一个放电电阻，这边大的以后也可以加一个放电电阻，充电拔掉以后，下面人不能摸，会电到人，所以用放电电阻把它放掉。

这是网友发给我的，他说测试很多次都不能过关，怎么处理？这是很简单的开关电容，我们拿这个来分析一下。这是变压器的几个腿，开关管接在这个地方，也就是说开关管的漏值或极电值接在这里，这是电源的输入，这是滤波电源，测出来的曲线在这里，以这条线为标准，以下就合格，超过不算合格，要求它降下来。传导干扰基本上是勉强通过的，如果接上负载以后脉宽不断地调整，相对来说测得比较低。不是说一直过不了，我们分析原因，它认为干扰变压器这一点干扰幅度是最高的，就是变压器输入这一段，如果能够降低干扰，不一定能够是电流回路越小越好，导线越短越好，面积越小越好，他知道这个干扰最厉害。但是又聪明过头，认为干扰越大越厉害，通过电容把电压接到地上，不是好了吗？这就是把干扰幅度很高的地方用电容接地，让它降低干扰不是很好吗？这个想法好像很聪明，实际上这是不对的，因为这里没有地，导电模上都没有接大地，把这个连起来以后，通过电容连起来，整个这边这一片都变成辐射天线了，面积增大了，电场感应的感应强度和面积有关，就是分布电容大小，分布电容大小就是导体的表面积。连起来就变成无线天线，这是不科学的，把电容去掉就好了。


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