陶老師談電磁干擾與電磁兼容(九)

• 地線對(duì)EMC的影響
• 如何進(jìn)行接地優(yōu)化

• 為了減少電磁輻射的有效輻射面積，整流二極管、電源濾波電容必須緊靠開關(guān)電源變壓器的次級(jí)
• 電源濾波電容的地更應(yīng)該就近與變壓器次級(jí)的地連接
• PCB板上還要做到一點(diǎn)接地，即：在這兩個(gè)接地點(diǎn)之間不要插入其它的接地點(diǎn)
• 為了減少電磁輻射，要盡量減少電源輸入回路以及功率輸出回路的面積
• 對(duì)于功放的供電回路，減少電磁輻射面積最好的方法，是把電源直接接到功放電源輸入腳的兩端
• 輸入信號(hào)的輸入地線與信號(hào)輸入線要盡量要靠近，并且要平行一起走

　　很多人都認(rèn)為，電路中的地線或接地電路都是不帶電的，實(shí)際上，這種認(rèn)為是錯(cuò)誤的。在一般的直流電路或低頻電路中，當(dāng)不考慮電磁感應(yīng)時(shí)，可以認(rèn)為電路中的地線或接地電路是不帶電的，但在存在電磁感應(yīng)的電路中，就不要輕易認(rèn)為電路中的地線或接地電路是不帶電的。

　　舉個(gè)簡單例子吧，誰會(huì)相信，幾十萬伏的高壓輸電線的正中心是不帶電的。但事實(shí)上，由于電場的相互作用，導(dǎo)體中的電荷分布主要都是集中在導(dǎo)體的外表面，而導(dǎo)體的中心電荷幾乎為0，所以帶電導(dǎo)體的中心是不帶電的。這個(gè)原理可以用驗(yàn)電器在一個(gè)帶電空心金屬球的中心進(jìn)行測試作證明，在一個(gè)帶電空心金屬球的中心電場強(qiáng)度的確為零，從而也可證明帶電導(dǎo)體中心的電場強(qiáng)度為零，即不帶電。

　　在具有電磁感應(yīng)的電路中，無論電路是否閉合回路，或者是開路，在與電場方向一致的導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生位移電流，無論是導(dǎo)體或者是絕緣體在電場中都會(huì)產(chǎn)生極化帶電;當(dāng)電場的方向不斷改變時(shí)，電流的方向也會(huì)跟隨電場的方向改變而改變，電流將一會(huì)兒向前跑，一會(huì)兒向后跑。導(dǎo)體被極化帶電的過程，可參考圖12中的天線被極化的過程。另外，磁感應(yīng)也會(huì)使導(dǎo)體或電路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使導(dǎo)體或電路帶電。

　　一個(gè)被充滿電的電容器，它的兩個(gè)電極就是帶電體，一端帶正電，另一端帶負(fù)電，而真正不帶電的地方是在電容器的中間;同理，一個(gè)被感應(yīng)的變壓器次級(jí)線圈，它的兩個(gè)輸出端口也會(huì)帶電，而真正不帶電的地方只有在變壓器線圈的中間抽頭處。嚴(yán)格來說，只有電位為零的物體，我們才能稱它不帶電;或者說，只要電位不為零的物體我們都應(yīng)該稱它為帶電體。但這樣一來，我們實(shí)際中接觸到很多的具體電路就只能用等效電路來表示了，所以，有時(shí)把問題太復(fù)雜化了也不好，但過于簡單有時(shí)也會(huì)把實(shí)質(zhì)性的問題給掩蓋住了。

　　一只小鳥，如果它站在電視發(fā)射天線的中間，它一般是不會(huì)產(chǎn)生觸電危險(xiǎn)的，但如果它站在電視發(fā)射天線的某一端，它可能會(huì)立刻被電死。這說明發(fā)射天線的中間是不帶電的，而發(fā)射天線的兩端都是帶電的。但為什么小鳥站在幾十萬伏的高壓線上，它沒有被觸電，而站在只有幾十伏電壓的發(fā)射天線的某一端上卻會(huì)被電死呢?這就是電磁感應(yīng)的性質(zhì)，微波爐就是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制造的。

　　小鳥站在高壓線上沒被電死的原因，是因?yàn)樾▲B的電容很小，雖然幾十萬伏的高壓對(duì)它來回充放電，電流很小(i = C●dv/dt);而小鳥站在發(fā)射天線的某一端，因?yàn)榘l(fā)射天線電壓信號(hào)的頻率很高，電容來回充放電的電流很大，因此，小鳥很容易會(huì)被電死。

　　由此可知，如果把多個(gè)不是真正零電位的電路或帶電體互相連接在一起，接點(diǎn)處將會(huì)出現(xiàn)電流。比如，三相變壓器的中線一般都接地，當(dāng)三相電源負(fù)載不平衡的時(shí)候，接地處就會(huì)產(chǎn)生電流;又如，把變壓器次級(jí)線圈的一端接地，接地端也會(huì)產(chǎn)生電流，而電流的大小與變壓器次級(jí)線圈的電容有關(guān)，與工作頻率也有關(guān)，與輸出電壓也有關(guān)。

　　在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)地線的連接和處理一定要特別慎重，否則將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的地線干擾。這里再次指出，一般電路中的地，不是大地，其電位并不等于零，它只不過是一根公共連接線，當(dāng)它沒有與大地連接時(shí)，我們更不應(yīng)該把它看成地線。理想的地線應(yīng)該是，電位處處為零，即：在理想的地線中是沒有電流流動(dòng)的，如果導(dǎo)體中有電流流動(dòng)，我們就不能把它當(dāng)成地線。

　　下面我們以圖18為例來分析地線對(duì)EMC產(chǎn)生的影響。圖18中Q1表示開關(guān)電源，T1為開關(guān)變壓器，D1為整流二極管，C1、C2、C3為濾波電容器，A1為功率放大器，S1為功率放大器輸入信號(hào)，R1為功率放大器輸出負(fù)載，G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8為各個(gè)器件的地;Ui表示整流輸出電壓，Uo表示經(jīng)過濾波后的輸出電壓。

　　我們先來看G1，G1是開關(guān)電源變壓器次級(jí)的地，這個(gè)G1地的電位不是0，變壓器次級(jí)真正的0電位是在變壓器次級(jí)線圈的中心抽頭處，如果變壓器次級(jí)線圈的兩個(gè)端子不接成回路，它相當(dāng)于一個(gè)振子天線;如果把G1與大地相接，哪怕變壓器次級(jí)線圈的另一端不與其它電路連接，G1也會(huì)產(chǎn)生地電流，并且變壓器次級(jí)線圈熱端的電位會(huì)升高一倍，其工作原理與廣播電臺(tái)的中波發(fā)射天線的工作原理很類似。

　　變壓器輸出電壓經(jīng)二極管D1整流后為脈動(dòng)直流，脈動(dòng)直流含有非常豐富的高頻諧波，不能直接向功率放大器供電，必須要經(jīng)過儲(chǔ)能濾波，使脈動(dòng)直流變成一種紋波很小的直流后，再給功率放大器供電。

　　圖18中C1是儲(chǔ)能濾波電容，它的功能是把開關(guān)電源輸出的脈沖功率進(jìn)行存儲(chǔ)，然后再給負(fù)載提供穩(wěn)定的功率和電壓輸出。電容C1充電的時(shí)候相當(dāng)于功率存儲(chǔ)，放電的時(shí)候，相當(dāng)于功率輸出。由于C1的充放電電流特別大，如果電路處理不當(dāng)，充放電回路產(chǎn)生的電磁干擾將非常嚴(yán)重。根據(jù)(12)、(13)、(14)、(15)、(16)式可知：產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，與電流的變化律成正比，與磁通的變化率成正比，與產(chǎn)生感應(yīng)磁通回路的面積成正比，與互感的大小成正比;而充電回路電流的大小，與開關(guān)電源輸出電壓的變化率成正比，與充電電容器的大小成正比。

　　即：

　　e = L●di/dt (12)

　　e = dΦ /dt (13)

　　e = SdB/dt (14)

　　i = C●dv/dt (15)

　　e = M●di/dt (16)

　　圖19是開關(guān)電源整流輸出電壓以及電源濾波電容的紋波電壓和紋波電流波形。圖19中紅線表示電容器充電時(shí)的電壓、電流變化曲線，藍(lán)線表示電容器放電時(shí)的電壓、電流變化曲線。其中Ui表示整流輸出電壓，Uo表示經(jīng)過濾波后的輸出電壓，uc表示濾波電容的紋波電壓，ic表示濾波電容的紋波電流。

　　由圖19可以看出，電源濾波回路同時(shí)存在兩種非常嚴(yán)重的電磁輻射，一個(gè)由變壓器輸出電壓方波產(chǎn)生的高頻電場輻射，另一個(gè)是由電源濾波回路電容器充放電電流產(chǎn)生的高頻磁場輻射，統(tǒng)稱電磁輻射。

　　為了減少電磁輻射，比較簡便和有效的辦法就是減少電磁輻射的面積，或減少電壓和電流的上升率，減少電壓上升率會(huì)增加電源開關(guān)管的損耗;減少電流上升率可以在電容充放電回路中串聯(lián)一個(gè)小電感，但串聯(lián)電感又會(huì)產(chǎn)生新的磁輻射，并且增加成本。為了減少電磁輻射的有效輻射面積，整流二極管D1、電源濾波電容C1必須緊靠開關(guān)電源變壓器的次級(jí)，電源濾波電容C1的地G2更應(yīng)該就近與變壓器次級(jí)的地G1連接，并且在PCB板上還要做到一點(diǎn)接地，即：在這兩個(gè)接地點(diǎn)之間不要插入其它的接地點(diǎn)。變壓器輸出電壓經(jīng)過C1電容濾波后，脈動(dòng)電壓的成分以及高次諧波部分都將會(huì)大大減少，此時(shí)，G1或G2與大地連接，流入大地的諧波電流也將會(huì)大大減小。

　　我們?cè)倏雌渌牡?，G7是功率放大器A1輸出的地，同時(shí)G7還是功率放大器A1電源的負(fù)極。我們可以把功率放大器A1看成是一個(gè)軟開關(guān)，功率放大器的輸出級(jí)一般都是由兩個(gè)推拉管組成，兩個(gè)放大管受輸入信號(hào)的控制來回導(dǎo)通，不斷地向負(fù)載R1提供功率輸出，并且不停地向電源索取能量――電流。流過功率放大器A1或負(fù)載R1的電流是脈動(dòng)電流，因此，功率放大器的電源輸入回路以及功率輸出回路也會(huì)向外產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射，為了減少電磁輻射，要盡量減少電源輸入回路以及功率輸出回路的面積。

　　對(duì)于功率放大器A1的供電回路來說，減少電磁輻射面積最好的方法，是把電源直接接到功率放大器電源輸入腳的兩端。一個(gè)充滿了電的電容可以把它看成是一個(gè)電源，因此，C2、C3都可以看成是給功率放大器供電的電源，所以，C2、C3應(yīng)該盡量靠近功率放大器供電的輸入端，并與電源輸入的兩端緊密相連。C3是高頻電容，它能在很短的時(shí)間內(nèi)輸出較大的電流，即高頻響應(yīng)好，并且體積比C2小，它靠近功率放大器的電源輸入端更為便利，對(duì)減少電磁輻射很有利。因此，G4應(yīng)該優(yōu)先與G7連接，其次是儲(chǔ)能電容C2的地G3，最好G7、G4、G3三個(gè)地能夠接在一個(gè)點(diǎn)上，即在它們之間不要插入其它接地點(diǎn)，最后G7再與G8相連。C2是一個(gè)大容量儲(chǔ)能電容，但它瞬間不能提供出大電流，因此，需要并聯(lián)一個(gè)高頻電容C3。

　　G5是信號(hào)源的地，G6是功率放大器輸入信號(hào)的地，理所當(dāng)然它們兩個(gè)地應(yīng)該連接在一起。功率放大器輸入信號(hào)的回路很容易被其它電流回路產(chǎn)生電磁感應(yīng)干擾，因此，輸入信號(hào)回路的面積也要盡量地小，輸入信號(hào)的輸入地線與信號(hào)輸入線要盡量要靠近，并且要平行一起走，使電磁感應(yīng)在每根信號(hào)線上產(chǎn)生的干擾信號(hào)，對(duì)放大器來說，均為共模信號(hào)，這樣可以互相抵消。如果G5和G6不是一點(diǎn)接地，G5和G6之間產(chǎn)生的電位差將會(huì)成為放大器輸入信號(hào)的一部分，即：干擾信號(hào)通過地線會(huì)串?dāng)_到輸入信號(hào)之中，將會(huì)被破壞放大器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使放大器出現(xiàn)自激。

　　圖20是經(jīng)過接地優(yōu)化以后的原理圖，經(jīng)過接地優(yōu)化以后，原來圖19中的8個(gè)接地點(diǎn)現(xiàn)在減少5個(gè)，變成了3個(gè)，然后，這3個(gè)接地點(diǎn)之間不管用導(dǎo)線怎么樣互相連通，在連接的導(dǎo)線(地線)中都不會(huì)出現(xiàn)大的脈動(dòng)電流或者互相產(chǎn)生信號(hào)干擾，如果把其中任何一個(gè)接地點(diǎn)與大地連接，也不會(huì)產(chǎn)生大的脈動(dòng)電流。因此，經(jīng)過接地優(yōu)化以后，不但可以降低設(shè)備中各部分電路之間通過地線產(chǎn)生的各種信號(hào)互相干擾，同時(shí)`也可以降低本設(shè)備對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生的干擾。

結(jié)束語

　　最后指出，抑制電磁輻射干擾的最有效方法是對(duì)電磁場進(jìn)行屏蔽，用導(dǎo)體把兩個(gè)帶電體之間的電力線截?cái)啵蛴酶邔?dǎo)磁率的磁性材料把產(chǎn)生干擾磁場的物體進(jìn)行屏蔽。但用于電場屏蔽的導(dǎo)體需要良好接地才能有效，如果屏蔽電場的導(dǎo)體不能良好接地，屏蔽電場的導(dǎo)體不但起不到屏蔽作用，反而對(duì)電場輻射干擾起到接力賽的效果，因?yàn)殡妶鲆矔?huì)通過感應(yīng)使屏蔽導(dǎo)體帶電。另外，用導(dǎo)體對(duì)磁感應(yīng)干擾進(jìn)行屏蔽，也會(huì)產(chǎn)生意想不到的作用。因?yàn)?，磁力線穿過導(dǎo)體的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，即：渦流。渦流又會(huì)產(chǎn)生磁場，這個(gè)新產(chǎn)生的磁場的方向正好與干擾磁場的方向相反，兩者正好可以互相抵消。

　　目前，對(duì)電磁兼容EMC電路設(shè)計(jì)，還沒有一種有效的方法能像設(shè)計(jì)一個(gè)放大器那樣，可以通過計(jì)算使放大器的放大倍數(shù)精確到百分之幾以內(nèi)。對(duì)電磁兼容EMC進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要方法還是靠經(jīng)驗(yàn)或借助別人的經(jīng)驗(yàn)，需要不斷實(shí)踐才會(huì)不斷提高。