電子線路與電磁干擾/電磁兼容設(shè)計分析

一個好的電子產(chǎn)品，除了產(chǎn)品自身的功能以外，電路設(shè)計和電磁兼容性(EMC)設(shè)計的技術(shù)水平，對產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)性能指標(biāo)起到非常關(guān)鍵的作用。本文通過舉例對開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計，介紹了一般電子產(chǎn)品中電磁干擾的解決方法。

現(xiàn)代的電子產(chǎn)品，功能越來越強(qiáng)大，電子線路也越來越復(fù)雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問題變成了主要問題，電路設(shè)計對設(shè)計師的技術(shù)水平要求也越來越高。先進(jìn)的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)在電子線路設(shè)計方面很大程度地拓寬了電路設(shè)計師的工作能力，但對于電磁兼容設(shè)計的幫助卻很有限。

電磁兼容設(shè)計實(shí)際上就是針對電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使之能成為符合各國或地區(qū)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。EMC的定義是：在同一電磁環(huán)境中，設(shè)備能夠不因?yàn)槠渌O(shè)備的干擾影響正常工作，同時也不對其它設(shè)備產(chǎn)生影響工作的干擾。

電磁干擾一般都分為兩種，傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。因此對EMC問題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。

美國聯(lián)邦通訊委員會在1990年、歐盟在1992提出了對商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章，這些規(guī)章要求各個公司確保他們的產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性。

目前全球各地區(qū)基本都設(shè)置了EMC相應(yīng)的市場準(zhǔn)入認(rèn)證，用以保護(hù)本地區(qū)的電磁環(huán)境和本土產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。如：北美的FCC、NEBC認(rèn)證、歐盟的CE認(rèn)證、日本的VCCEI認(rèn)證、澳洲的C-tick人證、臺灣地區(qū)的BSMI認(rèn)證、中國的3C認(rèn)證等都是進(jìn)入這些市場的“通行證”。

電磁感應(yīng)與電磁干擾

很多人從事電子線路設(shè)計的時候，都是從認(rèn)識電子元器件開始，但從事電磁兼容設(shè)計實(shí)際上應(yīng)從電磁場理論開始，即從電磁感應(yīng)認(rèn)識開始。

一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導(dǎo)線組成，當(dāng)電路中有電壓存在的時候，在所有帶電的元器件周圍都會產(chǎn)生電場，當(dāng)電路中有電流流過的時候，在所有載流體的周圍都存在磁場。

電容器是電場最集中的元件，流過電容器的電流是位移電流，這個位移電流是由于電容器的兩個極板帶電，并在兩個極板之間產(chǎn)生電場，通過電場感應(yīng)，兩個極板會產(chǎn)生充放電，形成位移電流。實(shí)際上電容器回路中的電流并沒有真正流過電容器，而只是對電容器進(jìn)行充放電。當(dāng)電容器的兩個極板張開時，可以把兩個極板看成是一組電場輻射天線，此時在兩個極板之間的電路都會對極板之間的電場產(chǎn)生感應(yīng)。在兩極板之間的電路不管是閉合回路，或者是開路，在與電場方向一致的導(dǎo)體中都會產(chǎn)生位移電流（當(dāng)電場的方向不斷改變時），即電流一會兒向前跑，一會兒向后跑。

電場強(qiáng)度的定義是電位梯度，即兩點(diǎn)之間的電位差與距離之比。一根數(shù)米長的導(dǎo)線，當(dāng)其流過數(shù)安培的電流時，其兩端電壓最多也只有零點(diǎn)幾伏，即幾十毫伏/米的電場強(qiáng)度，就可以在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的電流，可見電場作用效力之大，其干擾能力之強(qiáng)。

電感器和變壓器是磁場最集中的元件，流過變壓器次級線圈的電流是感應(yīng)電流，這個感應(yīng)電流是因?yàn)樽儔浩鞒跫壘€圈中有電流流過時，產(chǎn)生磁感應(yīng)而產(chǎn)生的。在電感器和變壓器周邊的電路，都可看成是一個變壓器的感應(yīng)線圈，當(dāng)電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線穿過某個電路時，此電路作為變壓器的“次級線圈”就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個回路看成是變壓器的“初級線圈”，而另一個回路可以看成是變壓器的“次級線圈”，因此兩個相鄰回路同樣產(chǎn)生電磁感應(yīng)，即互相產(chǎn)生干擾。

在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會產(chǎn)生電磁干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其它系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。

開關(guān)電源EMC設(shè)計實(shí)例

目前大多數(shù)電子產(chǎn)品都選用開關(guān)電源供電，以節(jié)省能源和提高工作效率；同時越來越多的產(chǎn)品也都含有數(shù)字電路，以提供更多的應(yīng)用功能。開關(guān)電源電路和數(shù)字電路中的時鐘電路是目前電子產(chǎn)品中最主要的電磁干擾源，它們是電磁兼容設(shè)計的主要內(nèi)容。下面我們以一個開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計過程來進(jìn)行分析。

圖1是一個普遍應(yīng)用的反激式（或稱為回掃式）開關(guān)電源工作原理圖，50Hz或60Hz交流電網(wǎng)電壓首先經(jīng)整流堆整流，并向儲能濾波電容器C5充電，然后向變壓器T1與開關(guān)管V1組成的負(fù)載回路供電。圖2是進(jìn)行過電磁兼容設(shè)計后的電氣原理圖。

1、對電流諧波的抑制

一般電容器C5的容量很大，其兩端電壓紋波很小，大約只有輸入電壓的10%左右，而僅當(dāng)輸入電壓U_i大于電容器C5兩端電壓的時候，整流二極管才導(dǎo)通，因此在輸入電壓的一個周期內(nèi)，整流二極管的導(dǎo)通時間很短，即導(dǎo)通角很小。這樣整流電路中將出現(xiàn)脈沖尖峰電流，如圖3所示。

這種脈沖尖峰電流如用傅立葉級數(shù)展開，將被看成由非常多的高次諧波電流組成，這些諧波電流將會降低電源設(shè)備的使用效率，即功率因數(shù)很低，并會倒灌到電網(wǎng)，對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，嚴(yán)重時還會引起電網(wǎng)頻率的波動，即交流電源閃爍。脈沖電流諧波和交流電源閃爍測試標(biāo)準(zhǔn)為：IEC61000-3-2及IEC61000-3-3。一般測試脈沖電流諧波的上限是40次諧波頻率。

解決整流電路中出現(xiàn)脈沖尖峰電流過大的方法是在整流電路中串聯(lián)一個功率因數(shù)校正(PFC)電路，或差模濾波電感器。PFC電路一般為一個并聯(lián)式升壓開關(guān)電源，其輸出電壓一般為直流400V，沒有經(jīng)功率因數(shù)校正之前的電源設(shè)備，其功率因數(shù)一般只有0.4~0.6，經(jīng)校正后最高可達(dá)到0.98。PFC電路雖然可以解決整流電路中出現(xiàn)脈沖尖峰電流過大的問題，但又會帶來新的高頻干擾問題，這同樣也要進(jìn)行嚴(yán)格的EMC設(shè)計。用差模濾波電感器可以有效地抑制脈沖電流的峰值，從而降低電流諧波干擾，但不能提高功率因數(shù)。

圖2中的L1為差模濾波電感器，差模濾波電感器一般用矽鋼片材料制作，以提高電感量，為了防止大電流流過差模濾波電感器時產(chǎn)生磁飽和，一般差模濾波電感器的兩個組線圈都各自留有一個漏感磁回路。

L1差模濾波電感可根據(jù)試驗(yàn)求得，也可以根據(jù)下式進(jìn)行計算：

E=L*di/dt (1)

式中E為輸入電壓U_i與電容器C5兩端電壓的差值，即L1兩端的電壓降，L為電感量，di/dt為電流上升率。顯然，要求電流上升率越小，則要求電感量就越大。

2、對振鈴電壓的抑制

由于變壓器的初級有漏感，當(dāng)電源開關(guān)管V1由飽和導(dǎo)通到截止關(guān)斷時會產(chǎn)生反電動勢，反電動勢又會對變壓器初級線圈的分布電容進(jìn)行充放電，從而產(chǎn)生阻尼振蕩，即產(chǎn)生振鈴，如圖4所示。變壓器初級漏感產(chǎn)生反電動勢的電壓幅度一般都很高，其能量也很大，如不采取保護(hù)措施，反電動勢一般都會把電源開關(guān)管擊穿，同時反電動勢產(chǎn)生的阻尼振蕩還會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射，不但對機(jī)器本身造成嚴(yán)重干擾，對機(jī)器周邊環(huán)境也會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。

圖2中的D1、R2、C6是抑制反電動勢和振鈴電壓幅度的有效電路，當(dāng)變壓器初級漏感產(chǎn)生反電動勢時，反電動勢通過二極管D1對電容器C6進(jìn)行充電，相當(dāng)于電容器把反電動勢的能量吸收掉，從而降低了反電動勢和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿電后，又會通過R2放電，正確選擇RC放電的時間常數(shù)，使電容器在下次充電時的剩余電壓剛好等于方波電壓的幅度，此時電源的工作效率最高。

3、對傳導(dǎo)干擾信號的抑制

圖1中，當(dāng)電源開關(guān)管V1導(dǎo)通或者關(guān)斷時，在電容器C5、變壓器T1的初級和電源開關(guān)管V1組成的電路中會產(chǎn)生脈動直流i1，如果把此電流回路看成是一個變壓器的“初級線圈”，由于電流i1的變化速率很高，它在“初級線圈”中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)，也會對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)，我們可以把周圍電路都看成是同一變壓器的多個“次級線圈”，同時變壓器T1的漏感也同樣對各個“次級線圈”產(chǎn)生感應(yīng)作用，因此電流i1通過電磁感應(yīng)，在每個“次級線圈”中都會產(chǎn)生的感應(yīng)電流，我們分別把它們記為i2、i3、i4 ···。

其中i2和i3是差模干擾信號，它們可以通過兩根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)的其它線路之中和干擾其它電子設(shè)備；i4是共模干擾信號，它是電流i1回路通過電磁感應(yīng)其它電路與大地或機(jī)殼組成的回路產(chǎn)生的，并且其它電路與大地或機(jī)殼是通過電容耦合構(gòu)成回路的，共模干擾信號可以通過電源線與大地傳導(dǎo)到電網(wǎng)其它線路之中和干擾其它電子設(shè)備。

與電源開關(guān)管V1的集電極相連的電路，也是產(chǎn)生共模干擾信號的主要原因，因?yàn)樵谡麄€開關(guān)電源電路中，數(shù)電源開關(guān)管V1集電極的電位最高，最高可達(dá)600V以上，其它電路的電位都比它低，因此電源開關(guān)管V1的集電極與其它電路(也包括電源輸入端的引線)之間存在很強(qiáng)的電場，在電場的作用下，電路會產(chǎn)生位移電流，這個位移電流基本屬于共模干擾信號。

圖2中的電容器C1、C2和差模電感器L1對i1、i2和i3差模干擾信號有很強(qiáng)的抑制能力。由于C1、C2在電源線拔出時還會帶電，容易觸電傷人，所以在電源輸入的兩端要接一個放電電阻R1。

對共模干擾信號i4要進(jìn)行完全抑制，一般很困難，特別是沒有金屬機(jī)殼屏蔽的情況下，因?yàn)樵诟袘?yīng)產(chǎn)生共模干擾信號的回路中，其中的一個“元器件”是線路板與大地之間的等效電容，此“元器件”的數(shù)值一般是不穩(wěn)定的，進(jìn)行設(shè)計時對指標(biāo)要留有足夠的余量。圖2中L2和C3、C4是共模干擾信號抑制電路器件，在輸入功率較大的電路中，L2一般要用兩個，甚至三個，其中一個多為環(huán)形磁心電感。

根據(jù)上面分析，產(chǎn)生電磁干擾的原因主要是i1流過的主要回路，這個回路主要由電容器C5、變壓器T1初級和電源開關(guān)管V1組成，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，這個回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

e=dψ/dt=S*dB/dt (2)

式中e為感應(yīng)電動勢，ψ為磁通量，S電流回路的面積，B為磁感應(yīng)密度，其值與電流強(qiáng)度成正比，dψ/dt為磁通變化率。由此可見，感應(yīng)電動勢與電流回路的面積成正比。因此要減少電磁干擾，首先是要設(shè)法減小電流回路的面積，特別是i1電流流過的回路面積。另外，為了減少變壓器漏感對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)的影響，一方面要求變壓器的漏感要做得小，另一方面一定要在變壓器的外圍包一層薄銅皮，以構(gòu)成一個低阻抗短路線圈，把漏感產(chǎn)生的感應(yīng)能量通過渦流損耗掉。

4、對輻射干擾信號的抑制

電磁輻射干擾也是通過電磁感應(yīng)的方式，由帶電體或電流回路及磁感應(yīng)回路對外產(chǎn)生電磁輻射的。任何一根導(dǎo)體都可以看成是一根電磁感應(yīng)天線，任何一個電流回路都可以看成是一個環(huán)形天線，電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應(yīng)輻射的重要器件。要想完全抑制電磁輻射是不可能的，但通過對電路進(jìn)行合理設(shè)計，或者采取部分屏蔽措施，可以大大減輕電磁干擾的輻射。

例如，盡量縮短電路引線的長度和減小電流回路的面積，是減小電磁輻射的有效方法；正確使用儲能濾波電容，把儲能濾波電容盡量近地安裝在有源器件電源引線的兩端，每個有源器件獨(dú)立供電，或單獨(dú)用一個儲能濾波電容供電(充滿電的電容可以看成是一個獨(dú)立電源)，防止各電路中的有源器件(放大器)通過電源線和地線產(chǎn)生串?dāng)_；把電源引線的地和信號源的地嚴(yán)格分開，或?qū)π盘栆€采取雙線并行對中交叉的方法，讓干擾信號互相抵消，也是一種減小電磁輻射的有效方法；利用散熱片也可以對電磁干擾進(jìn)行局部屏蔽，對信號引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法，讓信號線夾在兩條平行地線的中間，這相當(dāng)于雙回路，干擾信號也會互相抵消，屏蔽效果非常顯著；機(jī)器或敏感器件采用金屬外殼是最好的屏蔽電磁干擾方法，但非金屬外殼也可以噴涂導(dǎo)電材料(如石墨)進(jìn)行電磁干擾屏蔽。

5、對高壓的靜電的消除

圖1中，如果輸出電壓高于1,000V，必須考慮靜電消除。雖然大多數(shù)的開關(guān)電源都采取變壓器進(jìn)行“冷熱地”隔離，由于“熱地”，也叫“初級地”，通過電網(wǎng)可構(gòu)成回路，當(dāng)人體接觸到“初級地”的時候會“觸電”，所以人們都把“初級地”叫做“熱地”，表示不能觸摸的意思。而“冷地”也叫“次級地”，盡管電壓很高，但它與大地不構(gòu)成回路，當(dāng)人體接觸到“次級地”的時候不會“觸電”，因此，人們都把“次級地”叫做“冷地”，表示可以觸摸的意思。

但不管是"冷地"或者是"熱地"，其對大地的電位差都不可能是零，即還是會帶電。如彩色電視機(jī)中的開關(guān)電源，"熱地"對大地的電位差大約有400VP-P(峰峰值)，"冷地"對大地的電位差大約有1500V_P-P(峰峰值)。

“熱地”帶電比較好理解，而"冷地"帶電一般人是難以理解的。那么"冷地"帶電這個電壓是怎樣產(chǎn)生的呢？這個電壓是由變壓器次級產(chǎn)生的，雖然變壓器次級的一端與“冷地”連接，但真正的零電位是在變壓器次級線圈的中心，或整流輸出濾波電容器介質(zhì)的中間。這一點(diǎn)稱為電源的“浮地”，即它為零電位，但又不與大地相連。由此可知“冷地”帶電的電壓正好等于輸出電壓的一半，如電視機(jī)顯像管的高壓陽極需要大約3萬伏的高壓，真正的零電位是在高壓濾波電容(顯像管石墨層之間的電容)的中間，或高壓包的中間抽頭處，由此可以求出電視機(jī)中的冷地與地之間的電壓(靜電)大約為1,5000V。同理，“熱地”回路的“浮地”是在儲能濾波電容器C5的中間，所以“熱地”正常的帶電電壓為整流輸出的一半，約為200 V_P(峰值)，如把開關(guān)管導(dǎo)通或截止時產(chǎn)生的反電動勢也疊加在其之上，大約有400V_P-P(峰峰值)。

圖2中的R3就是用來降低冷地與大地之間靜電電壓的，C8的作用是降低冷熱地之間的動態(tài)電阻。一般數(shù)字電路IC的耐壓都很低，如果“冷地”帶電的電壓很高，通過靜電感應(yīng)，或人體觸摸，很容易就會把IC擊穿。

“冷地”帶電是屬于靜電的范疇，它只相當(dāng)于對一個小電容充電，這個小電容的一端是大地，電容量相當(dāng)于“冷地”對大地之間的等效電容。另外，圖2中的C1、C2、C3、C4、C8、R1、R8、T1屬于安全器件，使用時要注意安全要求。

EMC常用標(biāo)準(zhǔn)：

EMC通用系列標(biāo)準(zhǔn)：IEC61000-4-X

工業(yè)環(huán)境抗擾度通用標(biāo)準(zhǔn)：EN50082-2

脈沖電流諧波測試標(biāo)準(zhǔn)：IEC61000-3-2

交流電源閃爍測試標(biāo)準(zhǔn)：IEC61000-3-3