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1、雷电及雷电及ESDESD防护与防护与 EMIEMI和和EMCEMC设计设计世纪电源网世纪电源网2010(深圳深圳)电源技术研讨会电源技术研讨会陶显芳2010.10.161内内 容容 概概 要要1.1.1.1.雷电与静电的产生雷电与静电的产生雷电与静电的产生雷电与静电的产生 2.2.2.2.带电物体的电容带电物体的电容带电物体的电容带电物体的电容 3.3.3.3.电子线路中的电磁干扰电子线路中的电磁干扰电子线路中的电磁干扰电子线路中的电磁干扰 4.4.4.4.传导干扰测量原理传导干扰测量原理传导干扰测量原理传导干扰测量原理 5.EMI5.EMI5.EMI5.EMI辐射测量原理辐射测量原理辐射测量
2、原理辐射测量原理 6.6.什么是什么是什么是什么是EMCEMCEMCEMC7. ESD7. ESD7. ESD7. ESD与雷电防护与雷电防护与雷电防护与雷电防护2迪拜塔遭雷击迪拜塔遭雷击迪拜塔遭雷击迪拜塔遭雷击1.雷电与静电的产生认识初步3山林遭雷击山林遭雷击41.雷电与静电的产生认识初步一辆客车遭雷击一辆客车遭雷击一辆客车遭雷击一辆客车遭雷击51.雷电与静电的产生认识初步一架哥伦比亚飞机遭雷击一架哥伦比亚飞机遭雷击一架哥伦比亚飞机遭雷击一架哥伦比亚飞机遭雷击1.雷电与静电的产生认识初步67被雷电击坏的电视机被雷电击坏的电视机1.雷电与静电的产生认识初步8被雷电击坏的电脑设备被雷电击坏的电脑
3、设备1.雷电与静电的产生认识初步被雷电击毁的LCD电视机开关电源 91.雷电与静电的产生认识初步ESD（Electro Static Discharge）称为静电放电，雷电也属于 静电放电，因此雷电也属于ESD。地球每一秒钟大约有100多次闪电，每次闪电产生的能量可供一 个100瓦的灯泡点亮3个月。在雨季，平均每6分钟就有一个人被雷电击中；每年有成千上万 的人因雷电击中而丧伤。上海电视台平均每年要遭受33次大的雷击,最近遭受雷击的时间 是2010年4月13日 ，每次雷击都会使电子设备遭受不同程度的 损坏。1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷 击被毁，损失二仟多万元。每年
4、全世界有数千万个电器设备因雷电原因被损坏，并造成数 千亿元的经济损失。101.雷电与静电的产生ESD与雷电? 地球与电离层之间存在很强的 电场，电场强度大约为：E = 100V/米米? 地球与电离层之间相当于一个 大电容器，电容量大约为1法拉。? 地球本身也是一个大电容，它到 无限远处的电容量大约为：710-4 法拉。 11? 在地球的周围充满着电场和磁 场，这是造成很多大自然灾害的 一个根源。? 地球表面的很多物体，都相当 于电容器中的电介质。? 概括地说，雷电和静电，都是由于电磁场的存在而产生的。概括地说，雷电和静电，都是由于电磁场的存在而产生的。1.雷电与静电的产生1.1 极化带电与静电
5、的产生-+ +E-U1+U112总体而言，世界上的所有物质都是属于电中性的，即其所带的正、负电荷代数和等于0 。但物体处于电场中时，电荷将要重新进行分布，一端带正电，另一端带负电，中间不带电，这叫极化带电。极化带电物体中的电位梯度等于电场强度。形象地说，这里极化带电的 物体就好比空中的一朵云。121.2 实验证明空间电场的存在-+ +E-U1+U1-E-U1? 把极化带电物体的一端接地，在物体中就会产生位移电流，位移电流的大小与物体的电容大小与电场强度有关，相当于对电容进行充放电。I? 把极化带电物体的一端接地，然后再把接地导线断开，物体就会带电。再把带电物体放进验电器的法拉第罩中，验电器就会
6、指示物体带电。13-+ +E-U1+U1-+ +E-U2+U21.3 静电的产生 分离带电14在外力或强电场力的作用下。极化带电物体会产生分离，带电物体被一分为二，一个带正电，另一个带负电。形象地说，被分离带电的两个物体就好比空中被风吹散的两朵云。被分离的带电物体在电场中同样也要被极化，使一端的电位要比另一端高，其电位梯度不变。-+ +E-U2+U2-+ +E-U11.4 静电的产生 极化带电体的组合+U1-U1+U115电场中的两个物体碰在一起的时候。其电荷也要重新分布。形象地说，碰在一起的两个物体,就好比空中被风吹到一起的两朵云。两个碰在一起的物体，电荷被重新分布之后，两端的电位，在数值上
7、都比原来高，但其电位梯度还是不变。+ +-1.5 静电的产生 带电体的组合16电场中两个带负电（或正电）的物体互相碰在一起的时候。其电荷也要进行重新分布。两个带电物体互相碰在一起，相当于两个电容进行串联充放电。形象地说，碰在一起 的两个带电的物体, 就好比空中两朵带电 的云被风吹到一起。两个带正电（或负电） 的物体碰在一起，电 荷被进行重新分布之 后，带电端的电位， 在数值上都比原来 高，但其电位梯度还 是不变。-E-U3E-U1-U2-+E+U3+U2+U1电容与电容器完全是 两个概念，电容只有 一个带电体，而电容 器中有两个带电体。1.6 静电的产生 带电体分离E+E+U1+U4+U2+U
8、3+17电场中带电物体被一分为二，两个物体分得的电荷大小不一样，分得电荷多的平均电位升高。带电物体经过分分、合合，最后，带电物体的电位将变得非常高，这就是雷电产生的成因。因此，产生雷电的条件是风起云涌。雷电的能量与带电 云层电容量的大小 有关，与电位高低 有关。带电物体被一分为 二，两个物体分得 的电荷大小不一样。 一个多，一个少。 但其电位梯度还是不变。-E-U1E-U4-U2-U31.71.7 静电的释放 ESD18+-+-两个带异性电荷的物体互相碰在一起，就会产生放电。带电物体靠近地面建筑物的时候，也会产生放电，这种现象就是雷电，它会对人类造成很大危害。打雷时，带电体之间的电位差高达数亿
9、伏，地表面的电位差也有3万伏/米。强大的ESD放电会在供电线路中产生高压脉冲，很容易对电子设备造成损坏。贵重电子设备一定要在电源输入电路中安装ESD防护电路。1.81.8 静电的产生 摩擦带电绝缘体A绝缘体B接点电位差?摩擦带电的现象主要发生在两种不同性质的绝缘体之间。由于绝缘体一般都存在吸附效应（驻电效应），并且不同性质的两个物体之间存在接点电位差，当两个物体互相接触的时候，在电场力的作用下就会感应带电，经过多次互相摩擦（位移）之后，积累的电荷就越来越多，即电位很高。19衣服互相摩擦时很容易产生高压静电；地毯与皮鞋产生摩擦时也会产生高压静电；电风扇吹出的气体与周边物体摩擦时，也会产生高压静电
10、。这些情况对于IC而言是一种极大的威胁，在操作过程中，不要随便用手或物体触及IC。两个不同性质的物体互相接触后再分离，物体就会带电。摩擦带电的原因，就是因为两个带电物体不断接触和不断分离。2. 2. 带电物体的电容带电物体相当于一个充了电的电容。两个带电物体互相接触，相当于两个电容互 相充放电。两个容量和极性完全相同的电容串联，不但 电容量增加，而且电位也升高。即：C = C1+C2 ; U = U1+U2两个容量和极性完全相同的电容并联，电容 量增加，但电位不升高，这是因为电场力没 有叠加的缘故。即：C = C1+C2 ; U = U1=U2电容与电容器完全是两个不同的概念，电容 只有一个带
11、电导体，而在电容器中有两个各 带异电荷的导体。利用电容充、放电的原理，来对雷电、ESD 防护进行分析非常有效。+E+U3+U2+U1 E+U2+U1+U1EEa) 电容串联b) 电容并联202.1 孤立导体的电容2.1 孤立导体的电容r4UQC0=?如果在一个导体周围没有其它带电体和导体，我们就把这个导体称为孤立导体。?在带电孤立导体的周围空间会散发出电场，电场是一种具有能量的物质。它在真空中以每秒30万公里的速度向整个宇宙空间传播。?设孤立导体带的电荷量为Q，电位为U，则电荷量Q与电位U的关系可以写为：Q=CU?式中比例系数C是一个与电荷量和电位无关的常数，它与导体的几何形状和大小有关，所以
12、人们把这个比例系数C称为孤立导体的电容。电容的物理意义是导体每升高单位电位所需要的电荷量。?一个孤立球导体的电容等于表面积除以半径，即：带电导体在本质上就是一个充了电的电容。把带电体当成一个电容看待，就可以对电路进行定性分析和定量计算。（对于无限远处）?地球的电容量为：710-4 (F)（对于无限远处），相对于电离层大约为1法拉。212.2 2.2 电容与电容器1UQ1C =2UQ2C=C1C2U1U2V无限远无限远带负电带正电?电容器可以看成是两个孤立导体的组合，其中一个带正电，另一个带负电。两个孤立导体之间的电容为：U2U1V把电容器看成是两个孤立导体的电容靠在一起进行分析，有时更便利。研
13、究带电物体的电荷分布，是解决电磁干扰的基本方法。QV QU2 QU1 C21 C11 C1=+=+=VQC =即，两个孤立导体之间的电容为：223.电子线路中的电磁干扰?电磁干扰 EMI （Electromagnetic Interference），有两种：传导干扰和辐射干扰。?传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号是通过导线或公共电源线进行传输，互相产生干扰。进一步细分，传导干扰又分共模干扰和差模干扰。?辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号是通过天线耦合的方式进行传送，把干扰信号传给另一个电路网络或电子设备。进一步细分，辐射干扰又分电场辐射和磁场辐射。?目前，传导干扰相对于辐射干扰来说，比较容易
14、解决，只要增加电源输入电路中EMC滤波器的节数，并适当调整每节滤波器的参数，基本上都能满足要求；但对于辐射干扰，就没有那么简单，有时需要对元器件的布局进行多次调整和修改，这要涉及到PCB改板问题，并且试验和测试都比较麻烦。主要原因是，开关电源的工作频率以及其它电路的工作频率都在不断提高，因此，辐射干扰也越来越严重。233.1 电磁感应与EMI电磁干扰 EMIEMI（Electro-magnetic Interference）分电场干扰EIEI（Electro Interference）和磁场干扰 MIMI（magnetic Interference）两种。电场和磁场分别是两种性质不同，可携带能
15、量的介质，它们的分 布，充满整个宇宙空间，并且两者之间的能量可以互相转换；当 某处电、磁场的位能产生变化时，整个宇宙空间中的电、磁场都 需要重新进行分布，并以每秒钟30万公里的速度进行传播，因 此，电、磁干扰无处不在。产生电场干扰的基本原因，是带电物体的电荷在重新进行分布， 即，分布电容在不断进行充放电；产生磁场干扰的基本原因，是 流过导体中的电流大小和方向在不断改变，即，分布电感产生的 磁通大小和方向在不断变化。243.2 电场感应与干扰电场强度dV dUUE=12感应电压dEV=U1、U2 分别为感应带电体的端电位，d为感应带电体的长度，所以，电场强度也成为电位梯度。-+-+25?当某物体
16、靠近另一带电物体时，就会被感应带电；一端带正电，而另一端则带负电，所以感应带电也叫极化带电 。3.3 电场干扰原理?当带电体的极性或 电场方向改变时， 被感应的导体中就 会产生位移电流。 所以位移电流也称 极化电流。?当导体的长度正好 等于四分之一波长 的整数倍时，就会 产生谐振，同时会 产生很强的电磁辐 射。位移电流位移电流I等于电场强度等于电场强度E乘以迁移率乘以迁移率m，即：，即： I = Em?由于感应导体中的电场强度每处都不一样，所以导体中位移电流大小每处都不一样。由于感应导体中的电场强度每处都不一样，所以导体中位移电流大小每处都不一样。 26电场耦合示意图电场耦合等效电路电场耦合与频率的关系27想减小两电路之间电场相互干扰，最好的方法是减小电路之间的耦合系数，即减小两电路之间的耦合电容，也就是尽量减小带电导体的面积，及远离其它电路，或降低工作频率。3.4 磁场感应与干扰3.4 磁场感应与干扰?当载流体中有电流流过时，在其周围就会产生磁场，交变磁场会
