作者老张聊电磁兼容前言作为一个在电磁兼容领域摸爬滚打十多年的工程师我计划从今天开始在这里开一个专栏陆陆续续分享一些这些年的经验以及我个人对电磁兼容的认知。需要提前说明的是错误之处在所难免——或者说必定会存在错误望见谅。另外我的某些观点你未必认同在我看来这再正常不过了咱们求同存异。我分享这些内容的初衷是抛砖引玉更期待能借此找到一些志同道合的同行一起交流探讨。这些年的工作经历让我深切体会到做EMC这一行少不了与同行的深度切磋交流切忌闭门造车。当然如果我的分享能让你有所收获那就再好不过了。以下是正文引言上一篇文章介绍了麦克斯韦方程组及其重要推论。不过我认为这些内容过于偏重理论未能与实际的电磁现象联系起来。正因如此很多电磁兼容工程师在实践中更倾向于依赖经验而忽略了理论知识的学习。为弥补这一不足本文专门讨论如何运用麦克斯韦方程组解释具体的电磁现象从应用的角度理解这组方程。电磁兼容学科的研究范畴围绕电磁能量的非预期产生、传输、耦合与抑制展开。所有电磁干扰现象本质都是时变电磁场的时空演化行为。麦克斯韦方程组为这些电磁现象的分析提供了理论框架。将工程现象与基本方程深度关联有助于穿透经验表象理解物理本质为EMC的分析与设计提供理论支撑。一、耦合路径的物理本质电磁干扰的形成需满足三个基本要素干扰源、耦合路径与敏感设备。耦合路径是干扰能量从源传输至敏感设备的通道其物理本质是电磁场的相互作用与能量传输。所有耦合路径的特性均可通过麦克斯韦方程组进行阐释。1.1 直接传导路径直接传导耦合的发生以干扰源与敏感设备之间存在直接的导电通路为前提。电磁能量以传导电流引导的电磁场形式沿导电通路完成传输。理论溯源传导电流的形成源于介质本构关系J⃗σE⃗\vec{J}\sigma \vec{E}JσE这是安培-麦克斯韦电流定律在导电介质中的表现形式。导电通路中的电场驱动自由电荷定向运动形成传导电流。传导电流作为磁场的激励源会在通路周围激发磁场。电场与磁场的相互约束使得电磁能量沿通路传输这一过程符合坡印廷定理的描述。回路阻抗的物理本质 电阻源于焦耳损耗对应坡印廷定理中的σE2\sigma E^2σE2项是能量的耗散部分。 电感源于磁场的储能对应12μH2\frac{1}{2}\mu H^221μH2项。电感大小与回路所围面积内的磁通量直接相关符合法拉第电磁感应定律。 电容源于电场的储能对应12εE2\frac{1}{2}\varepsilon E^221εE2项。电容大小与电位移通量直接相关符合高斯电场定律。对EMC的启示电流连续性方程表明所有传导电流必须形成闭合回路。当回流路径阻抗较高时会在回路上产生压降形成非预期的电位差可能成为新的干扰源。1.2 电场耦合电场耦合容性耦合的物理本质是干扰源产生的时变电场通过空间分布的寄生电容在敏感导体上感应出随时间变化的电荷形成干扰电流或电压。理论溯源 根据高斯电场定律干扰源导体上的自由电荷会在周围空间激发电场。当电荷随时间变化时电场同步变化形成时变电场。 根据安培-麦克斯韦电流定律中的位移电流项∂D⃗/∂t\partial \vec{D}/\partial t∂D/∂t时变电场会在敏感导体中感应出共模电流。位移电流是电场耦合的桥梁。对EMC的启示 耦合强度与干扰源的电压变化率dv/dtdv/dtdv/dt直接相关。电压是电场沿路径的线积分U∫E⃗⋅dl⃗U\int{\vec{E}}\cdot d\vec{l}U∫E⋅dl。dv/dtdv/dtdv/dt越高位移电流密度越大耦合越强。 耦合强度还与寄生电容相关其大小取决于面积、间距和介电常数。 从坡印廷定理来看电场耦合发生在近场区域。该区域内电场与磁场存在90度相位差坡印廷矢量平均值为零能量来回交换无净辐射。图11.3 磁场耦合磁场耦合感性耦合的物理本质是干扰源产生的时变磁场穿过敏感回路所围面积时在回路中激发涡旋电场形成感应电动势与干扰电流。理论溯源 根据安培-麦克斯韦电流定律干扰源回路中的时变电流会在周围空间激发时变磁场。 根据法拉第电磁感应定律时变磁通量会在敏感回路中产生感应电动势ε∮lE⃗⋅dl⃗−dΦdt\varepsilon \oint_l{\vec{E}}\cdot d\vec{l}-\frac{d\Phi}{dt}ε∮lE⋅dl−dtdΦ该电动势驱动电流流动形成干扰。对EMC的启示 耦合强度与干扰源的电流变化率di/dtdi/dtdi/dt直接相关。电流变化率越高磁场变化率越大感应电动势越强。 耦合强度还与两个回路之间的互感相关MΦ21/I1M\Phi _{21}/I_1MΦ21/I1。互感的物理本质是磁场耦合能力源于安培-麦克斯韦电流定律与高斯磁场定律磁场无散磁力线闭合。 磁场耦合同样发生在近场能量来回交换无净辐射。图21.4 空间辐射发射路径空间辐射发射的物理本质是干扰源产生的时变电磁场脱离源的束缚以电磁波的形式在空间中传播并在敏感设备中激发干扰电压与电流。理论溯源 麦克斯韦方程组的两个旋度方程即法拉第电磁感应定律与安培-麦克斯韦电流定律的微分形式揭示了时变电场与磁场的相互激励的特性。位移电流的存在是电磁波能够在空间中传播的重要前提。 根据电磁场波动方程时谐电磁波在无耗自由空间中以球面波传播。在远场区域电磁波可近似为平面波。此时电场与磁场相互垂直均垂直于传播方向属于横电磁波TEM波。电场与磁场同相波阻抗约为377Ω。对EMC的启示 辐射场的形成要求干扰源的结构尺寸与波长可比拟大于λ/10。导线上不同位置的电流存在相位差产生的电磁场不会相互抵消而是叠加形成有效辐射。 电磁波耦合至敏感设备时电场分量在导线两端激发电位差磁场分量穿过回路激发感应电动势。二者的底层机理均为法拉第电磁感应定律与安培定律所描述的场与电荷、电流的相互作用。图3二、整改策略的物理本质EMC整改策略的核心是通过调控电磁场的分布与传输特性阻断干扰能量的非预期耦合路径。各类措施的作用机理均可从麦克斯韦方程组出发进行阐释。2.1 静电场屏蔽理论溯源高斯电场定律与导体静电平衡特性决定了静电场屏蔽的机理。物理机理处于静电场中的导体在达到静电平衡时内部电场为零自由电荷仅分布在导体外表面。采用闭合接地导体壳包围干扰源时干扰源的电荷在壳内表面感应出等量异号电荷。接地使壳外表面电荷泄放至大地壳外部电场为零。反之将敏感设备置于接地导体壳内外部电场无法进入。低频适用对于低频时变电场位移电流影响较小静电场屏蔽机理同样适用。接地通路的完整性是实现有效屏蔽的关键。图42.2 低频磁场屏蔽理论溯源高斯磁场定律与安培-麦克斯韦电流定律的静磁场近似决定了低频磁场屏蔽的机理。物理机理磁场无散磁感应线始终闭合。采用高磁导率的铁磁材料构建屏蔽壳为磁场提供低磁阻通路磁阻RmlμS\mathcal{R} _m\frac{l}{\mu S}RmμSl。磁力线优先沿屏蔽壳壁传播减少穿过内部区域的磁通量。对EMC的启示 屏蔽效果与材料的磁导率、屏蔽壳厚度及磁路结构直接相关。磁导率越高屏蔽效果越好。 需注意磁饱和当磁场强度过高时磁导率大幅下降屏蔽效果降低。 与静电场屏蔽不同低频磁场屏蔽无需接地。图52.3 高频电磁场屏蔽理论溯源波动方程、良导体本构关系及电磁场边界条件决定了高频电磁场屏蔽的机理。物理机理高频电磁波入射到良导体表面时由于导体与空气的波阻抗存在显著差异大部分电磁波在表面被反射仅有少部分透射进入导体内部。透射进入导体内部的电磁波会与导体中的自由电子相互作用根据法拉第电磁感应定律时变磁场在导体内部激发涡旋电流根据安培-麦克斯韦电流定律该涡旋电流又会产生与入射磁场方向相反的次级磁场。这种反向磁场与入射场相互叠加使电磁场在导体内部迅速衰减。关键参数趋肤深度δ2ωμσ\delta \sqrt{\frac{2}{\omega \mu \sigma}}δωμσ2定义为电磁波振幅衰减至表面值的1/e1/e1/e时的传播深度。频率越高δ\deltaδ越小屏蔽效果越好。图6对EMC的启示屏蔽总效能由三部分构成 反射损耗导体与空气的波阻抗差异导致大部分电磁波被反射。 吸收损耗导体内部的焦耳热效应σE2\sigma E^2σE2耗散能量。 多次反射损耗当屏蔽体厚度远大于趋肤深度时可忽略。2.4 滤波理论溯源高斯电场定律、安培-麦克斯韦电流定律、法拉第电磁感应定律共同决定了电容与电感的电磁特性。电容的物理本质根据安培-麦克斯韦电流定律中的位移电流项电容的电流与电压变化率成正比iC⋅duC/dtiC\cdot du_C/dtiC⋅duC/dt。 电容的电流与电压变化率成正比iC⋅duCdtiC\cdot \frac{du_C}{dt}iC⋅dtduC。 高频下电压变化率大电容呈现低阻抗可旁路干扰。电感的物理本质根据法拉第电磁感应定律电感的感应电动势与电流变化率成正比εL⋅diL/dt\varepsilon L\cdot di_L/dtεL⋅diL/dt。 电感的感应电动势与电流变化率成正比εL⋅diLdt\varepsilon L\cdot \frac{di_L}{dt}εL⋅dtdiL。 高频下电流变化率大电感呈现高阻抗可阻挡干扰。对EMC的启示滤波网络本质上是阻抗控制。通过电容与电感的组合引导干扰电流流向低阻抗路径实现隔离与耗散。图72.5 接地理论溯源电流连续性方程、高斯电场定律及电磁场边界条件。物理机理 电流连续性方程所有电流必须形成闭合回路。接地为信号电流与干扰电流提供稳定、低阻抗的回流路径。 高频回流路径根据法拉第电磁感应定律与安培-麦克斯韦电流定律高频电流会集中在信号走线正下方的接地平面上。该路径回路面积最小、电感最低。接地平面的连续性决定了回流路径的完整性。 静电泄放根据高斯电场定律接地为导体表面的感应电荷提供泄放路径是实现静电场屏蔽的重要前提。频率差异 低频阻抗以电阻分量为主宜单点接地。 高频阻抗以电感分量为主宜多点接地。2.6 磁路设计理论溯源高斯磁场定律与安培-麦克斯韦电流定律的静磁场近似。物理机理 根据高斯磁场定律磁力线闭合可推导出磁路基尔霍夫第一定律∑Φ0\sum{\Phi}0∑Φ0。 根据安培环路定理∮H⃗⋅dl⃗NI\oint{\vec{H}}\cdot d\vec{l}NI∮H⋅dlNI可推导出磁路基尔霍夫第二定律∑(NI)∑(ΦRm)\sum{(NI)}\sum{(\Phi \mathcal{R} _m)}∑(NI)∑(ΦRm)。对EMC的启示 磁芯为磁通提供低磁阻路径大幅减少漏磁。 共模电感共模电流的磁动势同向叠加呈现高阻抗差模电流的磁动势反向抵消呈现低阻抗。 气隙防止磁饱和但会增加漏磁。需在抗饱和与漏磁控制之间进行权衡。图82.7 高dv/dtdv/dtdv/dt节点的物理本质理论溯源高斯电场定律与安培-麦克斯韦电流定律的关联推导。物理机理 电压是电场沿路径的线积分U∫E⃗⋅dl⃗U\int{\vec{E}}\cdot d\vec{l}U∫E⋅dl。因此dv/dtdv/dtdv/dt本质上是电场沿路径的时间变化率的积分。 结合材料的本构关系D⃗εE⃗\vec{D}\varepsilon \vec{E}DεE电场的时间变化率对应电位移矢量的时间变化率∂D⃗/∂t\partial \vec{D}/\partial t∂D/∂t即位移电流。 根据安培-麦克斯韦电流定律位移电流作为激励源在空间中激发时变磁场时变磁场又通过法拉第电磁感应定律激发涡旋电场形成相互激励。对EMC的启示高dv/dtdv/dtdv/dt节点如开关管漏极、桥臂中点是EMC干扰的重要来源。dv/dtdv/dtdv/dt越大位移电流密度越大磁场激励强度、电场耦合能力与辐射发射效率均随之提升。图92.8 PCB高频回流路径设计理论溯源电流连续性方程、法拉第电磁感应定律、安培-麦克斯韦电流定律共同决定了高频回流路径的分布特性。物理机理 低频电流优先选择电阻最小的路径。 高频电流优先选择回路电感最小的路径。根据法拉第电磁感应定律时变磁通量在回路中激发感应电动势感抗ZLjωLZ_Lj\omega LZLjωL成为回路阻抗的主要成分。高频下电流自动选择磁通量最小的路径即信号走线正下方的接地平面区域以降低感抗。对EMC的启示 高频信号的能量通过走线与接地平面之间的介质层传输。坡印廷矢量方向与信号传输方向一致。 接地平面必须连续。任何开槽、孔洞会迫使回流绕行增大回路面积提升辐射效率。 趋肤效应δ\deltaδ与频率平方根成反比进一步强化了回流电流集中于接地平面朝向信号线的一侧表面。2.9 地环路干扰理论溯源法拉第电磁感应定律、安培-麦克斯韦电流定律、电流连续性方程共同解释了地环路干扰的形成。物理机理 定义两个或多个具有独立接地参考的电路单元通过公共接地结构形成的闭合导电回路。 激励源一根据法拉第电磁感应定律外部时变磁场穿过地环路产生感应电动势。环路面积越大、磁场频率越高干扰越强。 激励源二根据安培-麦克斯韦电流定律与电流连续性方程不同接地点之间的地电位差。接地结构自身存在阻抗电流流经时产生压降。该压降作为共模激励源驱动干扰电流流动。对EMC的启示地环路中的干扰电流会作为磁场激励源通过磁场耦合将干扰传递至相邻回路。同时当环路尺寸与波长可比拟时会形成辐射发射。图102.10 静电放电ESD抗扰度理论溯源高斯电场定律、安培-麦克斯韦电流定律、法拉第电磁感应定律、波动方程共同解释了静电放电的物理过程。物理机理电荷积累阶段根据高斯电场定律物体获得净自由电荷后周围激发静电场。当电场强度超过介质击穿场强时发生雪崩电离形成导电通道。快速泄放阶段电荷通过等离子体通道快速转移形成上升沿极陡、峰值极高的瞬态脉冲电流。根据安培-麦克斯韦电流定律瞬态电流在周围激发强时变磁场根据法拉第电磁感应定律快速变化的磁场激发涡旋电场形成相互激励产生瞬态强电磁脉冲。对EMC的启示 ESD脉冲包含从直流到数GHz的频谱。当放电回路尺寸与波长可比拟时形成辐射发射。 辐射场通过场耦合电场分量激发电位差磁场分量激发感应电动势干扰系统。 在传导路径上ESD电流在接地结构、PCB走线等阻抗上产生压降形成瞬态电位差可能导致电路误动作。图112.11 浪涌Surge抗扰度理论溯源法拉第电磁感应定律、安培-麦克斯韦电流定律、高斯电场定律、电流连续性方程共同解释了浪涌现象的产生。物理机理 雷电感应浪涌静电感应根据高斯电场定律雷云中电荷在地面导电体感应出束缚电荷。主放电时雷云电荷快速消失束缚电荷失去约束在线缆中快速流动形成浪涌电流。电磁感应根据安培-麦克斯韦电流定律与法拉第电磁感应定律雷电主放电的瞬态大电流峰值数十kA在周围激发强时变磁场。磁场穿过线缆-大地闭合回路产生感应电动势驱动浪涌电流。 操作浪涌感性负载变压器、电动机等断电时电流在极短时间内从额定值下降至零。根据法拉第电磁感应定律ε−L⋅dI/dt\varepsilon -L\cdot dI/dtε−L⋅dI/dt产生极高感应电动势形成浪涌电压。对EMC的启示浪涌的大电流与高电压通过两种方式影响系统 传导传输浪涌电流沿导电通路传输在阻抗不连续处发生反射与透射。 场耦合传输浪涌的大电流激发时变磁场通过磁场耦合传递干扰浪涌的高电压激发时变电场通过电场耦合传递干扰。图12结语EMC问题的分析可以从麦克斯韦方程组出发找到其物理根源。耦合路径的形成与整改策略的制定均可通过这组方程得到理论上的解释。理解这些基本规律有助于更系统地分析和解决EMC问题减少经验性的试错。
