電子線路的電磁兼容性分析
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電磁干擾產(chǎn)生于干擾源，它是一種來自外部的、并有損于有用信號的電磁現(xiàn)象。由電磁干擾源發(fā)生的電磁能，經(jīng)某種傳播途徑傳輸至敏感設(shè)備，敏感設(shè)備又對此表現(xiàn)出某種形式的“響應(yīng)”，并產(chǎn)生干擾的“效果”，該作用過程及其結(jié)果，稱為電磁干擾效應(yīng)。在人們的生活中，電磁干擾效應(yīng)普遍存在，形式各異。如果干擾效應(yīng)十分嚴(yán)重，設(shè)備或系統(tǒng)失靈，導(dǎo)致嚴(yán)重故障或事故，這被稱為電磁兼容性故障。顯而易見，電磁干擾已是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展道路上必須逾越的巨大障礙。為了保障電子系統(tǒng)或設(shè)備的正常工作，必須研究電磁干擾，分析預(yù)測干擾，限制人為干擾強度，研究抑制干擾的有效技術(shù)手段，提高抗干擾能力，并對電磁環(huán)境進行合理化設(shè)計。
現(xiàn)代的電子產(chǎn)品，功能越來越強大，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。先進的計算機輔助設(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)計的能力，但對于電磁兼容設(shè)計的幫助卻很有限。
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認(rèn)證、臺灣地區(qū)的BSMI認(rèn)證、中國的3C認(rèn)證等都是進入這些市場的“通行證”。
1 電磁兼容問題
電磁兼容設(shè)計實際上就是針對電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進行優(yōu)化設(shè)計，使之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)備能夠不因為其他設(shè)備的干擾影響正常工作，同時也不對其他設(shè)備產(chǎn)生影響工作的干擾。
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)線組成的。當(dāng)電路中有電壓存在時，在所有帶電的元器件周圍都會產(chǎn)生電場，當(dāng)電路中有電流流過時，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路，或者是開路，當(dāng)電場方向不斷改變時，在與電場方向一致的導(dǎo)體中都會產(chǎn)生位移電流。
電場強度的定義是電位梯度，即兩點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幾伏，即幾十毫伏／米的電場強度，就可以在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的電流?？梢姡妶鲎饔眯Яχ?，其干擾能力之強。
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)電流是因為變壓器初級線圈中有電流流過時，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)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。
2 電源的EMC設(shè)計
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。下面以一個開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計過程進行分析。
圖1是一個普遍應(yīng)用的反激式或稱為回掃式的開關(guān)電源工作原理圖，50 Hz或60 Hz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是進行過電磁兼容設(shè)計后的電氣原理圖。
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。
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)試驗求得，也可以根據(jù)下式進行計算：
E=Ldi／dt
式中：E為輸入電壓Uin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行充放電，從而產(chǎn)生阻尼振蕩，即產(chǎn)生振鈴，如圖4所示。
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進行充電，相當(dāng)于電容器吸收反電動勢的能量，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，其剩余電壓剛好等于方波電壓幅度，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)通或者截止時，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)
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