EMI如何產(chǎn)生、傳播及優(yōu)化解決？

現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)通常在開關(guān)模式下工作，產(chǎn)生了較大的電磁干擾(EMI)，EMI問題一直是電力電子工程師頭疼的問題，解決EMI問題是一項(xiàng)既困難又耗時(shí)的工作，本文將介紹EMI是如何產(chǎn)生、傳播以及如何優(yōu)化解決。

常見縮略語：

● EMC(Electromagnetic Compatibility)：電磁兼容性

● EMI(Electromagnetic Interference)：電磁干擾

● EMS(Electromagnetic Susceptibility)：電磁抗擾度

● IEC(International Electrotechnical Commission)：國際電工委員會(huì)

● FCC(Federal Communication Commission)：美國聯(lián)邦通信委員會(huì)

● CISPR：國際無線電干擾特別委員會(huì)

● CE：字母“CE”是法文句子的縮寫，意指歐盟

● CCC(China Compulsory Certificate)：中國強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證制度，又稱3C認(rèn)證。

電磁兼容性(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾能力，電磁兼容(EMC)包含電磁干擾(EMI)和電磁抗擾度(EMS)。其包含的測試項(xiàng)目如圖1所示。

電磁干擾限制可分為兩個(gè)基本應(yīng)用范疇：

● A類：適用于商業(yè)或工業(yè)裝置環(huán)境，相應(yīng)限制較為輕松。

● B類：適用于家用或住宅裝置，相應(yīng)限制較為嚴(yán)格。

B類限制約比A類限制低10dB，即發(fā)射振幅之比約為1:3(20×log(3)≈10dB)。市場銷售的產(chǎn)品還需要滿足一些重要的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。在許多國家，電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一用一個(gè)區(qū)域認(rèn)證標(biāo)志來表示，如CE標(biāo)志即歐洲認(rèn)證標(biāo)志，CCC標(biāo)志即中國強(qiáng)制認(rèn)證標(biāo)志。該標(biāo)志表示產(chǎn)品符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

歷史上普遍接受的國際電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)是CISPR-22，美國的電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)是FCC，CISPR-22與FCC有所不同，但一般來說如果電源符合CISPR-22標(biāo)準(zhǔn)，那么它也符合FCC標(biāo)準(zhǔn)?？傊瓹ISPR-22標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為全世界都遵守的基本標(biāo)準(zhǔn)。汽車上的電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)是CISPR-25，相對CISPR22來說CISPR-25標(biāo)準(zhǔn)限制值更低并且額外對FM頻段做了很嚴(yán)的限制要求。具體傳導(dǎo)測試限制要求如圖2所示。

所示電磁干擾的輻射測試普遍采用天線接收法測試，相比于CISPR22來說CISPR25額外增加了150KHz ~ 30MHz的輻射測試，這部分測試頻段覆蓋了DCDC的工作頻率范圍，是輻射測試的難點(diǎn)。另外CISPR-25輻射測試采用1M法天線距離更近，測試接收的信號更強(qiáng)。

對于設(shè)備來說DCDC開關(guān)電源是最常見的噪聲源，而通常又不易受干擾，所以DCDC的EMC問題主要就是EMI問題。以Buck電源為例，DCDC芯片開關(guān)過程中產(chǎn)生電壓和電流的變化，包含了較快的di/dt和dv/dt噪聲分量，其開關(guān)噪聲不僅包含開關(guān)次和倍頻頻率段的噪聲，另外其開關(guān)速度越低，高頻噪聲分量衰減越大。噪聲分為差模噪聲和共模噪聲，差模噪聲是LN線之間的電位差，共模噪聲是待測零部件的LN線和參考地之間的電位差。DCDC電源EMI主要來源于電流和電壓跳變，通過共模和差模的形式耦合到接收器上。

所示是Buck開關(guān)電源的噪聲產(chǎn)生和耦合路徑，從傳導(dǎo)路徑來說開關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的差模干擾通過輸入電容濾波后會(huì)直接傳到輸入端，共模干擾通過開關(guān)節(jié)點(diǎn)對地的耦合再通過LISN端檢測到。從輻射的路徑來看主要是差模的功率電流回路產(chǎn)生的，當(dāng)然共模干擾也會(huì)產(chǎn)生部分輻射干擾。因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)減小功率開關(guān)電流回路對傳導(dǎo)輻射干擾有很大的幫助。

在講述電磁干擾原理之前，我們現(xiàn)了解下EMI的產(chǎn)生原因：

1、EMI的產(chǎn)生原因

各種形式的電磁干擾是影響電子設(shè)備兼容性的主要原因。因此，了解電磁干擾的產(chǎn)生原因是抑制電磁干擾，提高電子產(chǎn)品電磁兼容性的重要前提。電磁干擾的產(chǎn)生可以分為：

內(nèi)部干擾內(nèi)部電子元件之間的相互干擾

1)工作電源通過線路的分布電源和絕緣電阻產(chǎn)生漏電造成的干擾。

2)信號通過地線、電源和傳輸導(dǎo)線的阻抗互相耦合，或?qū)Ь€之間的互感造成的影響。

3)設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部某些元件發(fā)熱，影響元件本身及其他元件的穩(wěn)定性造成的干擾。

4)大功率和高點(diǎn)壓部件產(chǎn)生的磁場、電場通過耦合影響其他部件造成的干擾。

外部干擾——電子設(shè)備或系統(tǒng)以外的因素對線路、設(shè)備或系統(tǒng)的影響。

1)外部高電壓、電源通過絕緣漏電而干擾電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)。

2)外部大功率的設(shè)備在空間產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，通過互感耦合干擾電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)。

3)空間電磁對電子線路或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

4)工作環(huán)境溫度不穩(wěn)定，引起電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部元器件參數(shù)改變造成的干擾。

2、電磁干擾的傳播途徑

當(dāng)干擾源頻率較高，且干擾信號波長比***擾對象結(jié)構(gòu)尺寸小，則干擾信號可認(rèn)為是輻射場，以平面電磁波形式向外輻射電磁場能量，并進(jìn)入***擾對象的通路，干擾信號以漏電和耦合的形式，通過絕緣電介質(zhì)，經(jīng)公共阻抗的耦合進(jìn)入***擾系統(tǒng)。干擾信號可通過直接傳導(dǎo)方式進(jìn)入系統(tǒng)。

3、改善電磁兼容性的措施

要改善電子產(chǎn)品的電磁兼容性，接地、屏蔽和濾波是抑制EMI的基本方法。

1)接地

接地就是一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)電氣與電子元件至地參考點(diǎn)之間的電傳導(dǎo)路徑。接地除了提供設(shè)備的安全保護(hù)地以外，還提供設(shè)備運(yùn)行所必需的信號參考地。理想的接地平面是一個(gè)零電位、零阻抗的物理體，它可作為電路中所有信號點(diǎn)評的參考點(diǎn)，并且任何干擾信號通過它，都不會(huì)產(chǎn)生電壓降。但是，理想的接地平面是不存在的，這就需要我們考慮和分析地電位分布，進(jìn)行接地設(shè)計(jì)與研究，找出合適的接地電位。接地的方式可分為：浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地。對于電路系統(tǒng)來說可選擇：電路接地、電源接地和信號接地等方法。

2)屏蔽

屏蔽就是用導(dǎo)電或電磁體的封閉面將其內(nèi)外兩側(cè)空間進(jìn)行電磁性隔離。主要抑制過空間的輻射干擾。分為電磁屏蔽、電場屏蔽和磁場屏蔽。

屏蔽的設(shè)計(jì)既可以針對干擾源，也可以針對***擾體。對于干擾源，設(shè)計(jì)屏蔽部分可以使其減小對周邊其他設(shè)備的影響;對于***擾體，則可減小外界干擾電磁波對本設(shè)備的影響。

主動(dòng)屏蔽：把干擾源置于屏蔽體之內(nèi)，防止電磁能量和干擾信號泄漏到外部空間。

被動(dòng)屏蔽：把敏感設(shè)備置于屏蔽體內(nèi)，使其不受外部干擾的影響。

3)濾波

濾波的含義是指從混有噪聲或干擾的原信號中，提取到有用信號的一門技術(shù)，濾波器是實(shí)現(xiàn)濾波的元器件。

事實(shí)上，器件在工作時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生各種各樣的噪聲。開關(guān)電源就是一種很強(qiáng)的干擾源，它產(chǎn)生的EMI信號即占有很寬的頻率范圍，又具有較大的振幅。這些噪聲隨著信號的傳播，對下一級的元器件產(chǎn)生了干擾，這樣的干擾一級級的累積，最終可能導(dǎo)致整個(gè)電路的不正常工作。假設(shè)在產(chǎn)生噪聲大，對下級器件干擾明顯的器件輸出信號之后做一次濾波，將噪聲信號濾掉，它對下級產(chǎn)生的干擾便會(huì)降低，系統(tǒng)便能穩(wěn)定的工作。