電子線路與電磁干擾/電磁兼容設(shè)計(jì)分析

　　一個(gè)好的電子產(chǎn)品，除了產(chǎn)品自身的功能以外，電路設(shè)計(jì)和電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)的技術(shù)水平，對(duì)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(duì)開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)，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(jì)對(duì)設(shè)計(jì)師的技術(shù)水平要求也越來越高。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)在電子線路設(shè)計(jì)方面很大程度地拓寬了電路設(shè)計(jì)師的工作能力，但對(duì)于電磁兼容設(shè)計(jì)的幫助卻很有限。

　　電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)際上就是針對(duì)電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之能成為符合各國(guó)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(shí)也不對(duì)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(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。因此對(duì)EMC問題的研究就是對(duì)干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。

　　美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)在1990年、歐盟在1992提出了對(duì)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(gè)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(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(tái)灣地區(qū)的BSMI認(rèn)證、中國(guó)的3C認(rèn)證等都是進(jìn)入這些市場(chǎng)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(jì)的時(shí)候，都是從認(rèn)識(shí)電子元器件開始，但從事電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)際上應(yīng)從電磁場(chǎng)理論開始，即從電磁感應(yīng)認(rèn)識(shí)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(shí)候，在所有帶電的元器件周圍都會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)電路中有電流流過的時(shí)候，在所有載流體的周圍都存在磁場(chǎng)。

　　電容器是電場(chǎng)最集中的元件，流過電容器的電流是位移電流，這個(gè)位移電流是由于電容器的兩個(gè)極板帶電，并在兩個(gè)極板之間產(chǎn)生電場(chǎng)，通過電場(chǎng)感應(yīng)，兩個(gè)極板會(huì)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(duì)電容器進(jìn)行充放電。當(dāng)電容器的兩個(gè)極板張開時(shí)，可以把兩個(gè)極板看成是一組電場(chǎng)輻射天線，此時(shí)在兩個(gè)極板之間的電路都會(huì)對(duì)極板之間的電場(chǎng)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(chǎng)方向一致的導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生位移電流（當(dāng)電場(chǎng)的方向不斷改變時(shí)），即電流一會(huì)兒向前跑，一會(huì)兒向后跑。

　　電場(chǎng)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(zhǎng)的導(dǎo)線，當(dāng)其流過數(shù)安培的電流時(shí)，其兩端電壓最多也只有零點(diǎn)幾伏，即幾十毫伏/米的電場(chǎng)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(chǎng)作用效力之大，其干擾能力之強(qiáng)。

　　電感器和變壓器是磁場(chǎng)最集中的元件，流過變壓器次級(jí)線圈的電流是感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流是因?yàn)樽儔浩鞒跫?jí)線圈中有電流流過時(shí)，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(gè)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(gè)電路時(shí)，此電路作為變壓器的“次級(jí)線圈”就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個(gè)相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個(gè)回路看成是變壓器的“初級(jí)線圈”，而另一個(gè)回路可以看成是變壓器的“次級(jí)線圈”，因此兩個(gè)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(chǎng)或磁場(chǎng)存在，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)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(jì)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(shí)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(shí)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(jì)的主要內(nèi)容。下面我們以一個(gè)開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)過程來進(jìn)行分析。

　　圖1是一個(gè)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(chǔ)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(jì)后的電氣原理圖。

　　1、對(duì)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Ui大于電容器C5兩端電壓的時(shí)候，整流二極管才導(dǎo)通，因此在輸入電壓的一個(gè)周期內(nèi)，整流二極管的導(dǎo)通時(shí)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(jí)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(huì)降低電源設(shè)備的使用效率，即功率因數(shù)很低，并會(huì)倒灌到電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，即交流電源閃爍。脈沖電流諧波和交流電源閃爍測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為：IEC61000-3-2及IEC61000-3-3。一般測(cè)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(gè)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(gè)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(huì)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(jì)。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(shí)產(chǎn)生磁飽和，一般差模濾波電感器的兩個(gè)組線圈都各自留有一個(gè)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(jì)算：

　　E=L*di/dt (1)

　　式中E為輸入電壓Ui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(duì)振鈴電壓的抑制

　　由于變壓器的初級(jí)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(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，反電動(dòng)勢(shì)又會(huì)對(duì)變壓器初級(jí)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(jí)漏感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)一般都會(huì)把電源開關(guān)管擊穿，同時(shí)反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的阻尼振蕩還會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射，不但對(duì)機(jī)器本身造成嚴(yán)重干擾，對(duì)機(jī)器周邊環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。

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

　　3、對(duì)傳導(dǎo)干擾信號(hào)的抑制

　　圖1中，當(dāng)電源開關(guān)管V1導(dǎo)通或者關(guān)斷時(shí)，在電容器C5、變壓器T1的初級(jí)和電源開關(guān)管V1組成的電路中會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)直流i1，如果把此電流回路看成是一個(gè)變壓器的“初級(jí)線圈”，由于電流i1的變化速率很高，它在“初級(jí)線圈”中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)，也會(huì)對(duì)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(gè)“次級(jí)線圈”，同時(shí)變壓器T1的漏感也同樣對(duì)各個(gè)“次級(jí)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(gè)“次級(jí)線圈”中都會(huì)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，我們分別把它們記為i2、i3、i4