ESD、、EMI、、EMC设计设计陶显芳
201.4.91
内内容容概概要要ESD认识初步认识初步什么是什么是ESD电磁感应与电磁感应与EMI静电的产生静电的产生
带电物体的电容带电物体的电容磁场感应与干扰磁场感应与干扰电子线路中的电磁干扰电子线路中的电磁干扰传导干扰详解电磁辐射原理电磁辐射原理
对对EMI辐射进行测试辐射进行测试什么是什么是EMCESD和和EMI的防护的防护2
迪拜塔遭雷击图片迪拜塔遭雷击图片13
ESD认识初步——雷
电
迪拜塔遭雷击图片迪拜塔遭雷击图片24
ESD认识初步——雷
电
什么是ESD？ESD（ElectroStaicDischarge）称为静电放电，雷电就是ESD。地球每一秒钟就有10多次闪电，每次闪电产生的能量可供一个10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3次大的雷击，每次雷击都会使电子设备遭受不同程度的损坏。192年6月2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。5
电磁感应与EMI电磁干扰EMI（Electro-magneticInterfernce）分电场干扰EI（ElectroInterfernce）和磁场干扰MI（magneticInterfernce）两种。电场和磁场分别是两种性质不同，可携带能量的介质，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。6
雷电的产生—静电
?地球与电离层之间存在电场，电场强度大约为：E=10V/米?地球与电离层之间相当于一个大电容，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：7×10-4法拉。7
?在地球的周围充满着电场和磁场，这也是造成很多大自然灾害的一个根源。电离层（带正电）地球（带负电）
静电的产生—极化带电-
+E-U1+U1
8
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
荷将重新进行分布。物体在电场中被极化，电荷要重新进行分布，一端带正电，另一端带负电，中间不带电，其电位梯度等于电场强度。
形象地说，极化带电物体就好比空中的一朵云。
-+E-U1
+U1
-
+E
-U2
+U2
静电的产生—电离带电
9
在外力或强电场力的作用下。极化带电物体会产生电离，带电物体被一分为二，
一个带正电，另一个带负电。
形象地说，被电离带电的两个物体就好比空中被风吹散的两朵云。
被电离带电的物体在电场中同样还要被极化，一端的电位要比另一端高，其电位梯度不变。
-+E-U2
+U2
-
+E
-U1静电的产生—极化带电体的组合
+U1-U1
+U1
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电场中的两个物体碰在一起的时候。其电荷也要重新分布。碰在一起的两个物体,形象地说，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，在数值上都比
原来高，但其电位梯度还是不变。
静电的产生—电离带电体的组合
1
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，相当于两个电容串联充电。
碰在一起的两个带电的物体,形象地说，就好比空中两朵带电的云被风吹到一起。
两个带负电（或正电）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
静电的产生—带电体分离E+E
+U1+U4+
+U2+U3
12
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，分得电荷多的电位升高。
经过分分合合，最后部分带电物体的电位非常高，这就是雷电的成因。
带电物体被一分为二，形象地说，就好比空中一朵带电的云被风吹散。
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-U3
静电的释放—ESD
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+-++--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，并对人类造成危害。
人们对ESD的防护越来越重视。
打雷时，带电体之间的电位差高达数亿伏，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。
静电的产生—摩擦带电绝缘体A
绝缘体B接点电位差?摩擦带电的工作原理与带电物体分分合合之后，电位会升高的工作原理很相似，不过摩擦带电的现象主要发生在两种不同性质的绝缘体之间。由于绝缘体一般对电荷都存在吸附效应（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。?如果分别在绝缘体A和B的外侧个贴一个金属片，金属片就会感应带电，这就是静电感应发电机的原理。14
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。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。
电场感应与干扰
电场强度dVdUE=?=12
U1U2d
A带电体B感应带电体感应电压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
-+
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?当某物体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。
电场干扰原理
位移电流的方向
A带电体B感应带电体位移电流的方向
?当带电体的极性或电场方向改变时，感应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半个波长的整数倍时，就会产生谐振，同时会产生很强的电磁辐射。位移电流I等于电场强度E乘以迁移率m，即：I=E×m
?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是不一样的。16
带电物体的电容
C1C2U1U2V无限远无限远带负电带正电?带电体本质上就是一个带电的电容
带电体储存电荷的多少，与电强度的大小有关，以及与带电体电容的大小有关。在电场中的任何导体都可以把它看成是一个电容，导体的表面积越大，电容的容量就越大。U2
U1V
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研究带电物体的电荷分布，是解决电磁干扰的基本方法。
任何一个带电体都可以看成是一个电容，一个孤立球导体的电容等于表面积除以半径，即：地球的电容量为：7×10
-4(F)——对于无限远处；对于电离层，地球的电容大约为1法拉。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：rπε4UQC0==1UQ1C=
2UQ2C?=QVQU2QU1C21C11C1=?+=+=VQC=即，两个孤立导体之间的电容为：
对于无限远处
18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。
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19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，或降低工作频率。
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，交变磁场会使周围电路产生感应电动势，即，干扰。?当载流体的长度可与干扰信号的波长可比拟时，载流体中的电流就不再是处处都相等，方向也不再是都一致，这种电流称为位移电流。
载流体磁力线
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电感线圈产生的电磁感应e=dΦ/dt=SNdB/dt=Ldi/t,e1=M1di/t,e2=M2di/t,Φ为磁通量，S为磁通面积，N为线圈匝数，B为磁感应密度，L0、L1、L为各线圈的电感量、M1、M2为互感。
M1M2ee
21
L0L1L2
21
电子线路中的电磁干扰?电磁干扰EMI（ElectromagneticInterfence），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。
2
传导干扰测量
V1ACRV2RRRCV3DI
CICI
零线
火线低通滤波器
CI
电子设备
12341
CI为共模干扰DI为差模干扰V1=CI-DI2=I+IV3=DI
对传导干扰信号进行测量
传导干扰分差模干扰DI和共模干扰CI两种
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R1、R2、R3、4为接地电阻，C1为分布电容。在样机送检测部门测试之前，自己一定要先进行摸底测试，以降低测试成本。
C1C2Q1C3C4
T1C5
R1R2R3
C6U0Uii1i2i3i4D1RB1
i5i6i7i8
传导干扰详解
回路电流产生传导干扰?我们可以把每个回路都看成是一个感应线圈，或变压器线圈的初、次级，当某个回路中有电流流过时，另外一个回路中就会产生感应电动势，从而产生干扰。减少干扰的最有效方法就是尽量减少每个回路的有效面积。
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C1C2Q1C3C4
M0
C5
R1R2R3
C6U0Uie1e2e3e4D1RB1M1M2M3M4M5M6e5e6e7e8M8M7
?e1、e2、e3、e4为磁场对回路感应产生的差模干扰信号。e5、e6、e7、e8为磁场对地回路感应产生的共模干扰信号。?共模信号的一端是线路板，另一端是大地。线路板中的公共端不能算为接地，不要把公共端与外壳相接，除非机壳接大地，否则，公共端与外壳相接，会增大天线的有效面积，共模辐射干扰更严重。
?降低辐射干扰的方法，一个是屏蔽，另一个是减小各个电流回路的面积。25
C1C2Q1C3C4
M0
C5
R1R2R3
C6U0Uie1e2e3e4D1RB1M1M2M3M4M5M6e5e6e7e8M8M7变压器漏磁对回路产生电磁感应
?在所有电磁感应干扰之中，变压器漏感产生的干扰是最严重的。如果把变压器的漏感看成是变压器感应线圈的初级，则其它回路都可以看成是变压器的次级，因此，在变压器周围的回路中，都会被感应产生干扰信号。减少干扰的方法，一方面是对变压器进行磁屏蔽，另一方面是尽量减少每个电流回路的有效面积。
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减小变压器漏感产生的EMI
对变压器屏蔽，主要是减小变压器漏感磁通对周围电路产生电磁感应干扰，以及对外产生电磁辐射干扰。从原理上来说，非导磁材料对漏磁通是起不到直接屏蔽作用的，但铜箔是良导体，交变漏磁通穿过铜箔的时候会产生涡流，而涡流产生的磁场方向正好与漏磁通的方向相反，部分漏磁通就可以被抵消，因此，铜箔对磁通也可以起到很好的屏蔽作用。
变压器铁心初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈MMMM变压器铁心MMM铜箔用铜箔对变压器进行屏蔽
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减小线路中的EMI
?两根相邻的导线，如果电流大小相等，电流方向相反，则它们产生的磁力线可以互相抵消。?对于干扰比较严重或比较容易被干扰的电路，尽量采用双线传输信号，不要利用公共地来传输信号，公共地电流越小干扰越小。
USR
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电磁辐射干扰原理EEE
EHH
USHH
US
?共模天线的一极是线路板，另一极是连接电缆中的地线。要减小辐射干扰最有效的方法是对整个线路板进行屏蔽，并且外壳接地。?尽量减小线路板中电流回
路的长度和面积，及防止干扰信号在电路中产生谐振。?差模信号的两条传输线也会产生共模辐射。?当频率达到MHz级时，nH的分布电感和pF级的分布电容，
都将对共模辐射产生重要影响。29
各种干扰脉冲波形的频谱
τr为脉冲上升时间（幅度从10%升到90%的时间），τr越短频谱越宽。30?任何一个非正弦波都可以看成是非常多个上升和下降速率不同的信号（或不同频率的正弦波）相互迭加而成，电磁辐射强度与电压或电流的变化速率成正比。
共模电流辐射产生的结果比差模电流辐射更严重从扁平馈线中抽取两根相邻的导线做实验，线长1米，分别给两导线加以共模和差模电流，在离导线对3米处按GB9254规定测量骚扰场强。
实验表明如果该处场强要达到B类设备的限值（30～230MHz时为40dBμV/m）,则差模电流要求为20mA，而共模电流只要8μA，两者相差250倍。间接证明：两根相邻的导线对差模信号产生辐射有很强的抑制作用，因为两个导线中电流产生的磁力线互相可以抵消，如果采用双绞线抗干扰效果更佳，如在双绞线外面再加一层
屏蔽线，抗干扰效果最好。31
对EMI辐射进行测试
标准试验室中的测试天线自制EMI辐射测试天线（用双面PCB板制造）
两者可以进行对比试验，待自己对试验结果认
为满意后再送正式进行测试
32V
什么是EMC为了防止一些电子产品产生的电磁干扰（EMI）的影响或破坏其它电子设备的正常工作，各国政府或一些国际组织都相继提出或制定了一些对电子产品产生电磁干扰有关规章或标准，符合这些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性，简称：EMC（Electromagnetic
Compatibility）。对EMC进行简单概括就是：一方面，要对EMI进行抑制，把EMI抑制到可以接受的水平；另一方面，要提高设备抵抗EMI的能力，把设备抵抗EMI的能力提高到一个双方都可以接受的水平。因此，EMC就是产生干扰一方与被干扰一方，经过讨价还价后得出的协商结果。
电磁兼容性EMC标准不是恒定不变的，而是天天都在改变，因为新技术不断在发展，新产品不断在诞生；并且新标准还是各国政府或经济组织，保护自己利益经常采取的手段。电磁兼容性标准属于强制性标准，因此，它需要通过第三方认证。我国政府是1981年开始加入EMC标准国际组织的。3
什么是热地、冷地、浮地、接地C1
C2Q1C3C4C5R1
D1RB1滤波
C6接地接地热地冷地
发电机火线中线
地线地线大地接地符号：热地冷地
浮地的定义是：其电位与大地完全相同，但在线路上没有与大地连接。浮地现在还没有标准符号，建议用表示。热地与冷地与接地毫无关系。不要把干扰信号引到热地和冷地上，那样干扰将更严重；热地带电，不要触摸。34
-+-UU
EMC滤波电路
?EMC滤波电路的作用主要是降低电子设备（主要是开关电源）产生的干扰信号污染供电线路，和防止线路中其它电器产生的干扰信号对本设备产生干扰。?C1、C2为Y2或Y1类电容（可承受50V或80V以上的浪涌脉冲电压冲击），主要作用是抑制共模干扰，两个电容之和不能超过470pF；C3、C4为X2类电容（可承受50V以上的浪涌脉冲电压冲击），主要作用是抑制差模干扰；L1为共模干扰抑制电感，L2为差模抑制电感，但现在大部分人都选用共模干扰
抑制电感代替L2，因为差模抑制电感体积大成本高。35
ACDICICI零线火线
CI
开关电路V1V2V3C1C2C3C4
R2R3C5
L1L2EMC滤波器R1电子设备
ESD及浪涌电压对电路的损害
?单相供电线路，无论是雷击或大功率电器设备的电源通、断，都会在供电线路中产生数千伏的共模高压脉冲和差模浪涌电压。图中Ua表示共模高压脉冲被加到电子设备的电源输入端，由于电感线圈存在分布电容，经过EMC滤波电路之后，加到变压器初级的电压Ub仍然很高，一般还有10伏以上。?另外，电源开关管关断时产生的反电动势Uc，也会产生好几百伏的共模电压；经过变压器初、次级线圈的分布电容C3、C4耦合，在变压器次级电路中就会产生上千伏的共模脉冲信
号，经整流滤波电路输出为Ue，此电压一个幅度为数百伏的尖峰脉冲，如果电源负载为MOS电路，Ue将通过分布电容C5对MOS电路M1、M2充电，这很容易把M1、M2击穿。
C1C2Q1
C3
C4
UaEMC滤波整流滤波MOS电路
C5UcUa
Ub
Ub
UdUdM1M2UeUeN1N2T
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防雷击、防浪涌、防辐射
?在电源线的输入端的PCB板上排一个雷电（ESD）放电装置（一般爬电距离为6m），可以对1万伏以上的共模脉冲电压放电，再经L0和C1、C2进一步印制，可使共模脉冲电压降低到10伏以下。L0不但可以抑制雷电，同时与3、L1、C4、L2组合还可以抑制浪涌电压。C1、C2为Y1类电容，要作用是抑制共模干扰，两个电容之和不能超过470pF
?开关电路公共端（冷地）不能当地与外壳连接，否则高压将对电路中的整流器件和开关管击穿，并且EMC滤波作用将降低。37
DICICI
CI
C1C2C3C4
C5
L1L2EMC滤波器L0干扰信号开关电路外壳屏蔽防雷电电源输入
接大地
电子设备
对变压器初次级加静电屏蔽是ESD防护的最好方法
?ESD虽然不是EMC标准中强制执行的内容，但很多用户都要求有ESD防护，因为静电高压脉冲会对电路造成损坏。对ESD抑制最好的方法是在变压器初、次级线圈之间加静电屏蔽，屏蔽金属膜最好接大地，或接次级公共地。?在前后级设备的连接线路中加磁环，也是对ESD防护的好方法，磁环相当于一个电感，它可以降低ESD的放电速度，通过分压可以大大降低M1、M2电容（IC器件的输入端电容）的电压幅度，使MOS电路得以保护。38C1
C2Q1C3
C4
UaEMC滤波整流滤波MOS电路
C5UcUa
Ub
Ub
UdUdM1M2UeUeN1N2T磁环静电屏蔽
LSESRIRCZ
FFc理想电容阻抗
实际电容阻抗
对滤波电容参数的选择
聚酯膜电容的等效电路及阻抗55106107108105Hzf105
5
5?mz
210
310
410
0.47uF0.1uF3nF10nF3.nF
1.0nF0.47nF
?由于聚酯膜电容器存在截止频率Fc，以及电感存在分布电容，因此，EMC滤波器最好选择多个不同数值的电感和容量不同的电容器组成π滤波。39
谢谢各位谢谢各位陶显芳：陶显芳：陶显芳：陶显芳：陶显芳：陶显芳：陶显芳：陶显芳：taoxianfg@mail.com
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