EMC入门：干扰耦合原理详解

1.综素

1.1 介绍

扰可以通过不同的方式耦合到电气设备和散播开来。本节讲述了不同的耦合方式，或者说耦合机理。本节还讲述了哪些参数会决定耦合干扰信号的大小。在本文末尾，还给出了一个列表，用来说明对每一种耦合所应采取的措施。

清楚地了解各种耦合机理，影响耦合的参数，以及合适的基本解决方案，对于在工业设备中明确并正确选择 EMC 措施来说，是非常必要的。

1.2 本文内容

干扰耦合机理；

电流耦合；

感性耦合；

容性耦合；

辐射耦合；

电磁波感应；

对各种耦合都应该采取哪些措施；

2.干扰耦合机理 2.1 综述

为了在规划和服务过程中使用正确的EMC措施，您需要了解耦合干扰的类型，效果以及传输方式。唯其如此，才能有效地处理相关问题。

一般来说，关于在电磁场中进行能量传输的物理定律都适用于耦合过程。

2.2 传输方式

干扰信号可以通过一根导线(定向的) 或者通过空间(非定向的/辐射的) 来进行传输。干扰信号通常以线路定向干扰和辐射干扰的形式同时出现，并且耦合到输入，输出，电源以及数据线。

2.3 波长“尺寸”

如果干扰变量的波长大于源和接收器的特征尺寸，电磁场传输机制被分别进行监控。

与公共阻抗在重要的电路(源和接收器)的电流耦合；

与源以及接收器的公共磁场的感性耦合(低通场耦合)；

与源与接收器之间的电场的容性耦合(低通场耦合)；

2.4 “短”波长

如果干扰信号的波长等于或者小于源和接收器的特征尺寸，则必须监控电磁场上的耦合。下面的机制在其中发挥作用：

和线路中的电磁波活动相伴的电磁波感应；

通过空间进行的辐射耦合；

2.5 耦合机理

通过以下机理发生干扰耦合：

3.电流耦合 3.1 机理

电流耦合属于线路定向耦合。在线路段被不同的电路所共享的时候，会发生这种现象。每当其中一个电路的电流发生改变时，就会在公共线上产生电压变化，这样就 使得各个电路相互影响。

电流耦合通常发生在以下电路中：

不同电路到同一电源的耦合；

在工作电路和接地电路之间的耦合(大地电路耦合)；

通过一个公共参考导体系统来使不同的电路进行耦合；

3.2 举例

下面给出了具有一个公共参考导体的两个电路的图示。

字符定义：

当一个电路按如上图所示的方式进行接线时，开启电路 1 中的接触器会导致公共线 阻抗 ZL 上的压降。这个压降会以干扰信号的形式覆盖电路 2 中的正常信号。

3.3 干扰的大小

干扰的强度取决于公共导体的阻抗和电流改变的程度。

注意：过高的瞬态干扰电流会产生极大的压降。

在一个公共导体上因电流改变而产生的压降：

字符定义：

 

（1）实际电阻 RL

直流欧姆电阻 RL 对频率在千赫兹范围内的电流有效。使用一个横截面足够宽的线路会解决这个问题。

（2）趋肤效应电阻 RSK

因为趋肤效应而增加的电阻，其变化值遵循以下公式：

字符定义：

（3）线路感应系数 LL

自感应系数 LL 取决于线路的几何尺寸以及到地的距离，在使用了表面积更大的导体以后可以减少到原来的十分之一。在使用了标准的信号线路和配线的情况下，它的值约为：

（4）线路几何尺寸的影响

在下面的图示中，给出了线路几何尺寸对取决于频率的有效电阻 R 的影响。左面的图表示具有圆形横截面的导体的情况，右面的图则对应具有矩形横截面的导体的情况。

注意：可以通过采用表面积更大的导体来降低有效电阻，从而降低高频干扰电流的影响。

4.感性耦合 4.1 机理

感性耦合-抑或有时被称为变压器耦合-是一种经由电磁场进行的耦合。这种耦合在彼此并行的线路之间发生。一条线路中的电流变化会引起电磁场的波动。电磁场会影响并行线路，并在其中引起感应电压。这样一来就会有电流流过，产生干扰信号，从而覆盖掉原来的有用信号。

电感性耦合产生于电缆，线束和电缆管道中的并行线路。

众所周知的干扰源包括：

具有较高的和波动的工作和干扰电流 (短路电流) 的导体和电气设备；

雷击放电电流；

电容开关；

焊接电流发生器；

下面的电路图给出了电感性耦合的产生方式。由启动较大的负载或者短路而造成的 电路 1 中的电流变化，引发了磁场的波动。

4.2 干扰的大小

由电感性耦合引起的干扰电压，取决于两个导体间的感应耦合系数MK，以及在电源线中的电流变化率di/dt：

4.3 感应耦合系数 MK

感应耦合系数MK取决于电路的布局。如果整个电路通过一个标准变压器紧凑地排列在一起，在这种情况下耦合系数最大。

4.4 距离-电缆间距的影响

下面关于两个电路之间发生的电感性耦合的计算，表明了电缆间距对感应干扰电压量的影响：把两根电缆之间的距离从 4 mm(紧凑结构)增加到10cm，在被干扰电路中的感应电压下降了98%!

并行电缆的长度l=100m；

电源线的开关电流I=100A；

电流浪涌的持续时间t=10μs；

在被干扰电路中的感应电压取决于：

  5. 电容性耦合 5.1 机理

电容性耦合是通过电场进行的耦合。它发生于相邻电路之间-比如在较大的电源线电流和信号线电流之间。在这两个电路之间，如果电位差发生波动，那么就会有电流流过位于它们之间的绝缘介质，比如说空气。彼此相临近的两条线路可以看作是一个电容器的两极，用耦合电容CK表示。

对于这种耦合来说，众所周知的干扰源包括：

关断电源线；

感应开关；

雷击放电；

静电放电；

下面的电路给出了电容性耦合的形成过程。电路1代表一个具有较高电流的电源线，电路2是一个模拟测量线路。当高电流的电源线关断时，在两条相邻的线路之间的电位差发生了变化。干扰电流iK从耦合电容上流过。

字符定义：

5.2 干扰大小

由电容性耦合所引起的干扰电流 ISt，其大小取决于位于两个导体之间的耦合电容CK，以及电源线上电压变化 du/dt 所持续的时间。

在敏感设备 ( 电路 2) 中产生的干扰电压取决于：

注意：在敏感设备中产生的干扰电压和该设备中的阻抗值成正比。与此同时，这个阻抗又随着干扰信号频率的增加而增加。这样就使得双方之间存在着彼此影响的关系。

带有高值阻抗的传输线路，和低阻抗线路相比，对干扰更为敏感一些。

如果“连接夹”处干扰电容上的电压频率增加，那么干扰电流会随之而增加。

在高频干扰中，比较大的耦合电容会引起彼此间互相感应的电路之间的短路。

5.3 耦合电容CK

耦合电容 CK 随着线路之间并行长度的增加而线性增加，与此同时，根据相应的计 算方法，耦合电容随着线路之间距离的增加而减小。

注意：当线路间距离为 20 cm 时，CK发生变化的程度很小。

6. 辐射耦合 6.1 机理

当一些系统部件被与该部件尺寸相匹配波长的电磁波所激发时，就会辐射能量，并通过电磁场向接收器传播。由环路，偶极子或者单地线构成的天线就属于此类敏感部件。

在这种情况下，众所周知的干扰源包括：

屏蔽不够充分的高频设备；

无线电广播和电视广播设备；

荧光灯；

无线电话机，蜂窝电话(移动电话)；

6.2 干扰的大小

激发和辐射的强度，取决于部件尺寸和波长的比例。接收的电压量可以通过如下公式来进行估算：

字符定义：

注意：

在干扰信号的频率达到30兆赫兹或者更高时，辐射耦合会比较显著。

如果“天线”的长度是波长的整数倍，那么干扰效果会最强。

7. 电磁波感应 7.1 机理

如果信号波长小于部件的尺寸，也就是说信号为高频的情况下，电磁波感应是并行线路的容性耦合与感性耦合的结合形式。

在这种情况下，运动的电磁波会产生一个电场和一个磁场，从而成为干扰源。在线路中的电流和电压分布，取决于下面给出的其他各种因素：

线路的波阻；

线路的终接电阻；

如果在连接点的波阻发生了变化，或者波阻和终接电阻不一样大的话，在线路中或者末端就会发生信号反射。这种反射会把原来进入的电磁波覆盖掉。

在漫游场范围内的线路属于敏感设备。在个体线路之间的耦合，通过线路各自的局部波阻力来实现。

7.2 干扰大小

耦合干扰的大小，取决于被干扰线路的阻抗。在相关的导体理论中，已经有关于比率计算可以用来参考。

8. 对各种耦合都应该采取哪些措施

根据干扰传播(耦合)的类型，可以相应地采取各种措施来弱化或者消除干扰。关于各种措施的详细说明，会在下一篇给出：

审核编辑：黄飞