自动驾驶从小白到小强51～电磁兼容EMC（上）

1.电磁兼容EMC

2.电磁干扰EMI

3.电磁抗扰EMS

4.电磁兼容法规与测试要求

1.电磁兼容EMC

   电磁兼容EMC（Electromagnetic Compatibility）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中其他设备或系统产生无法忍受的电磁干扰的能力。它是电子设备或系统的主要性能之一，包含以下两个方面的要求：
电磁干扰EMI（Electromagnetic Interference）：指设备或系统在执行其应有功能的过程中，可能产生不利于其他系统的电磁噪声。这包括传导干扰和辐射干扰两种类型。

电磁抗扰EMS（Electromagnetic Susceptibility）：指设备或系统在执行其应有功能的过程中，不受周围电磁环境影响的能力。
        EMC包含了EMI和EMS两个方面，有了电磁干扰EMI也就有了电磁兼容EMC，满足电磁抗扰EMS要求才能实现电磁兼容EMC。

        为了实现电磁兼容，需要对其进行电磁兼容设计，这包括提高产品的电磁抗扰能力以及降低对外的电磁干扰，从而避免由于干扰导致的产品故障，提高产品的可靠性。电磁兼容设计的主要目的是：使电子设备或系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容，满足EMC标准的规定。

2.电磁干扰EMI

2.1 什么是电磁干扰

         EMI由“电磁”和“干扰”两个词组成：

        电磁：电荷如果静止，称为静电，当不同的静电电位互相接近时，便发生了静电放电，产生电流，电流周围产生磁场，同样磁场可以激发产生电场，电场和磁场往往相互激励、相互作用，所以使用“电磁”来作为物质所表现的电性和磁性的统称。

        干扰：指设备受到干扰源的干扰后性能降低以及对设备产生干扰的干扰源这二层意思。第一层意思如雷电使收音机产生杂音 （雷电干扰了收音机的正常工作，性能受到影响）；第二层含义就是指干扰源，如常用于风机、水泵、电梯等设备中的变频装置，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，这些谐波进入电网，对电网和其他电气设备来说，变频装置就是一个干扰源，EMI标准与EMI检测针对的也是第二层的含义。

       电磁干扰（Electromagnetic Interference）是一种通过电磁场产生的能量，可以影响电子设备的正常运行（会降低某个装置、设备或系统的性能，还有可能对生物或者物质产生不良影响）。

2.2 电磁干扰产生的原理及分类

        电磁干扰EMI产生的原理主要是电路中的电压和电流变化导致电磁场的变化，从而产生电磁辐射，这种辐射可以从电路中泄漏出去，并对其他电路产生干扰（辐射干扰），也可以通过导线、接地线等导体对外界产生干扰（传导干扰）。

        电磁干扰主要分为以下几种类型：
        人工源干扰：来自人造设备和系统，例如无线电发射台、移动通信基站、雷达系统等。
        自然源干扰：来自自然现象或地球自身的活动，如闪电、太阳风暴和地磁变化等。
       传导干扰：通过导体（如电力线、电缆、接地线）传递的电磁干扰。
       辐射干扰：指干扰源直接辐射的电磁能量，通过空气或其他介质传播。
       互调干扰：当多个信号同时存在时，它们之间的非线性相互作用会导致新的频率成分产生，可能干扰到其他设备。
       天线耦合干扰：天线之间或天线与其他金属结构之间的电磁能量传输可能导致干扰。

        汽车电子电器作为电磁干扰EMI时，主要分为传导干扰、辐射干扰、谐波电流干扰、电压波动与闪频等四种。

2.3 传导干扰CE

        传导干扰是指电磁干扰（EMI）通过导电介质传播的现象。这种干扰通常发生在电子设备内部或通过连接设备的不同导线（如电源线、信号线或接地线）传播。
       干扰能量通过电路传播，并通过导体作用到敏感设备上。它把一个电网络上的信号通过导电介质耦合（干扰）到另一个电网络，这种耦合途径称为传导耦合。传导耦合的形式包括电容性耦合、电感性耦合和电磁耦合。
        电容性耦合（电场耦合）是指通过电容来传递电流或信号的方式，也称为静电耦合。在电路中，当干扰线上有信号传输时，由于信号边沿电压的变化，会在干扰线和受害线之间形成分布电容，这个分布电容会感应出时变的电场，从而在受害线上产生感应电流。

        电感性耦合（磁场耦合）是指通过电感来传递电流或信号的方式。当信号在干扰线上传播时，由于信号电流的变化，会在干扰线和受害线之间形成分布电感，这个分布电感会产生时变的磁场，变化的磁场又会在受害线上感应出噪声电压，进而形成感性耦合电流。

        电磁性耦合是指一个电路元件（如晶体管）产生的电磁场（包括电场和磁场成分）与另一个电路元件相互作用，导致能量传递的现象。这种相互作用可以影响集成电路的运行。

       传导干扰可以分为两种类型：共模传导干扰和差模传导干扰。

       共模传导干扰：是指信号或干扰源以相同的方式影响多个电路，例如共享电源线上的噪声干扰。
       差模传导干扰：是指信号或干扰源的差异在电路间引起的干扰，例如在差分信号传输中的干扰。

       传导干扰对电子系统的影响是多方面的，可能导致以下问题：
       性能下降：包括信号失真、噪声增加和数据错误等，影响设备的工作稳定性和可靠性。
       数据丢失或错误：在数字通信系统中，干扰可能使数据位翻转或完全丢失。
       通信中断：使设备之间的通信受到干扰或中断。
       设备互相干扰：影响整个系统的正常工作，例如电源线路上的噪声可以通过共享电源线路传播到其他设备中。
       为了减少和解决传导干扰问题，可以采取以下措施：
        路径隔离与屏蔽：通过在干扰源和受影响电路之间添加物理隔离层或屏蔽层，减少传导路径上的耦合。
       滤波与抑制：使用滤波器降低传导干扰的频率分量，减少干扰信号的传播和影响。
       接地与回路设计：合理的接地设计能够减少传导干扰的传播路径。通过良好的接地布局和减小回路面积，可以减少共模传导干扰的影响。
       电磁兼容性设计：在电子系统设计中，考虑电磁兼容性（EMC）是解决传导干扰问题的重要手段。通过优化电路设计、合理布局和细致的地线规划，可以减少干扰源和受影响电路之间的耦合。

2.4 辐射干扰RE

       辐射干扰是指以电磁波形式传播的干扰，这类干扰的能量由干扰源辐射出来，并通过介质（包括真空）以电磁波的特性和规律传播。

        根据麦克斯韦电磁场理论，导体中变化的电流会在其周围空间中产生变化的磁场，而变化的磁场又会产生变化的电场，两者都遵循麦克斯韦方程式。变化电流的幅值和频率决定了产生的电磁场大小及其作用范围。在辐射研究中，天线是电辐射源，而在开关电源电路中，主电路中的元器件、连线等都可认为是天线。
        辐射干扰可分为近场干扰和远场干扰：
       近场干扰：测量点与场源距离小于λ/6（λ为干扰电磁波波长）。在近场区，电场与磁场的大小之比及相位关系与距离r的三次方成反比，即随距离的增加衰减很快。因此，发射体附近的场强很强，又称为感应场。
        远场干扰：测量点与场源距离大于λ/6。在远场区，电场与磁场的大小之比及相位关系基本不变，即不随距离r的增加而变化。因此，可以把发射体看作一个点源，又称为辐射场。
       常见的辐射干扰源包括发送设备、本地振荡器、非线性器件及核爆脉冲等，具体来说：
        各种天线是辐射电磁波最有效的设备。
        布线、结构件、元件、部件在满足一定条件下（如几何尺寸和电磁波的波长在同一量级），也会起着发射天线与接收天线的作用，即产生天线效应。
        在多数设备中，主要的发射源是印制电路板（PCB）上流动的电流，如时钟、视频和数据驱动器及其他振荡器。       设备功能非线性也会产生辐射干扰，如丙类放大器、检波器、混频器等都工作在器件的非线性状态，它们的输出端将产生不希望有的谐波分量和互调产物。这些谐波分量和互调产物在电路中传导后，当辐射条件具备时，将以电磁波的形式向空中辐射。
       辐射干扰会对周围的电子设备和电网造成不良影响，因此需要采取一定的防护措施，如：
       屏蔽：利用金属屏蔽材料对干扰源进行包裹或覆盖，阻隔电磁场的传播。

       滤波：在信号传输中利用滤波器滤除干扰信号。
       阻抗匹配：在信号传输线上进行阻抗匹配，减少反射和驻波，避免辐射干扰。

       优化电路设计：通过优化电路布局、减小布线面积和长度等方式，降低干扰信号的产生和传播。

2.5 谐波电流干扰

       谐波电流干扰是指在电力系统中，由于非线性负载等因素产生的谐波电流对电网和其他电子设备造成的干扰。

        线性负载是指其电流与电压之间遵循欧姆定律的负载，即电流与电压成正比，遵循I=V/R（I为电流，V为电压，R为电阻）。 电阻、线性电感、线性电容为线性负载。

        非线性负载是指其电流与电压之间不遵循欧姆定律的负载，即电流与电压之间存在复杂的非线性关系。二极管、晶体管、变压器、整流器、变频器等电力电子装置都是非线性负载。

       谐波电流的产生主要源于电力系统中的非线性负载，如二极管、晶体管、镇流器、变压器等。这些非线性负载在工作过程中会引起电流和电压的非线性失真，从而产生谐波电流。此外，不平衡负载和电力设备的设计及工作方式也会对谐波电流的产生和传输产生影响。

       谐波电流干扰主要通过传导干扰和辐射干扰影响电网和其他电子设备，其对电网和电子设备造成的危害主要包括：

        增加损耗：谐波电流在电网中流动时，会增加线路的电阻损耗和变压器的铁损、铜损等，降低电力系统的效率。
       影响设备正常运行：谐波电流会使电机产生附加的损耗和发热，降低电机的效率和使用寿命。同时，它还会影响电容器、电抗器等无功补偿设备的正常运行，甚至导致设备损坏。
       干扰通信系统：谐波电流产生的电磁干扰会影响通信系统的正常运行，降低通信质量。
       引起误动作和保护装置失效：谐波电流还会使继电保护和自动装置的测量误差增大，甚至导致误动作，影响电网的安全运行。
       为了抑制谐波电流干扰，可以采取以下措施：
        独立供电或安装隔离变压器：使变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器，切断谐波电流。
       串接电抗器或安装滤波器：在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，或安装谐波滤波器（滤波器组成必须是LC型），以吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的。
        使用屏蔽电缆和合理布线：电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设，避免辐射干扰。信号线采用屏蔽线，且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离（例如至少20cm以上），切断辐射干扰（许多主机厂的设计规范都有高压线束与低压线束间隔距离的要求）。

        专用接地线：变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开，使用短线，这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。

       选用合适的整流装置：对于大功率静止整流器，可以通过提高整流变压器二次侧的相数和增加整流器的整流脉冲数来抑制谐波。例如，将常用的6相整流装置改为12相或36相。
        优化电网设计和布局：通过合理的电网设计和布局，可以减少谐波的传播和放大。包括合理选择电缆类型和敷设方式，以及优化电网拓扑结构等。

        此外，还可以通过在补偿电容器回路中串联电抗器、使用专门的谐波抑制设备（如谐波抑制器、谐波抑制变压器等）、优化用电设备设计以及合理的电力系统管理等方式来抑制谐波电流干扰。

2.6 电压波动与闪变Flicker

       电压波动和闪变（voltage fluctuation and flicker）是指一系列电压随机变动或工频电压方均根值的周期性变化，以及由此引起的照明闪变现象。它是电能质量的一个重要技术指标。
       电压波动是一种物理现象，通常指电网内电压有规则的变动，或是变化幅度在0.9~1.1倍额定电压间的随机变化。电压波动可以通过电压方均根值曲线来描述，电压变动量d和电压变动频度r是衡量电压波动大小和快慢的指标。

       在某些时间段内，电压急剧变化而偏离额定值的现象，也被称为电压波动。通常，电压变化的速率大于1%每秒的，即视为电压急剧变化。
        闪变（Flicker）则是人眼对灯光亮度变化所引起刺激的不稳定感，是人对亮度变化的不适感，是一种主观感受。闪变主要由电压波动引起，但闪变与电压波动并不完全相同，闪变反映了电压频繁波动对照明视觉造成的烦扰影响。

        在电磁兼容领域，闪变Flicker特指电子设备的正常开关动作时，对电压网络的拉动有多少影响。闪变的主要决定因素包括：供电电压波动的幅值、频度和波形。

       电网上突然有较大的电压变动，一般说来，它对闪变测量的影响很小，但是对同一电网中其他设备，特别是电子设备的影响可能是很大的。

2.7 减少电磁干扰的措施

       为了减少EMI的影响，可以采取多种措施，如屏蔽、滤波、接地、物理隔离以及优化电路设计等。

       屏蔽是使用导电材料将可能受到电磁干扰的设备包裹起来，从而防止外部电磁场对其产生影响。

       滤波是在电路中加入特定的组件来抑制电磁噪声。

       接地则是将设备连接到地线或参考电位点，以减少电磁干扰。

       物理隔离则是通过将可能产生相互干扰的设备进行空间上的分离，以达到减少电磁干扰的目的。
       此外，在产品设计阶段就应充分考虑电磁兼容性（EMC），确保设备在复杂电磁环境中能够正常工作。这包括合理设置工作频段、避免频率冲突、采用具有优良电磁性能的元器件等措施。