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電子線(xiàn)路的電磁兼容性分析
作者：
時(shí)間：2013-06-15
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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隨著(zhù)電子技術(shù)的高速發(fā)展，世界進(jìn)入了信息時(shí)代。電子、電氣設備或系統獲得了越來(lái)越廣泛的應用。大功率的發(fā)射機對不希望接收其信息的高靈敏度接收機構成了災難性的干擾，在工業(yè)發(fā)達的大城市中，電磁環(huán)境越來(lái)越惡劣，往往使電子、電氣設備或系統不能正常工作，引起性能降低，甚至受到損壞。
電磁干擾產(chǎn)生于干擾源，它是一種來(lái)自外部的、并有損于有用信號的電磁現象。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備，敏感設備又對此表現出某種形式的“響應”，并產(chǎn)生干擾的“效果”，該作用過(guò)程及其結果，稱(chēng)為電磁干擾效應。在人們的生活中，電磁干擾效應普遍存在，形式各異。如果干擾效應十分嚴重，設備或系統失靈，導致嚴重故障或事故，這被稱(chēng)為電磁兼容性故障。顯而易見(jiàn)，電磁干擾已是現代電子技術(shù)發(fā)展道路上必須逾越的巨大障礙。為了保障電子系統或設備的正常工作，必須研究電磁干擾，分析預測干擾，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(jìn)行合理化設計。
現代的電子產(chǎn)品，功能越來(lái)越強大，電子線(xiàn)路也越來(lái)越復雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問(wèn)題變成了主要問(wèn)題。先進(jìn)的計算機輔助設計(CAD)在電子線(xiàn)路設計方面，很大程度地拓寬了電路設計的能力，但對于電磁兼容設計的幫助卻很有限。
目前，全球各地區基本都設置了EMC相應的市場(chǎng)準入認證，用以保護本地區的電磁環(huán)境和本土產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。如：北美的FCC、NEBC認證、歐盟的CE認證、日本的VCCEI認證、澳洲的C-TICK認證、臺灣地區的BSMI認證、中國的3C認證等都是進(jìn)入這些市場(chǎng)的“通行證”。
1 電磁兼容問(wèn)題
電磁兼容設計實(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)化設計，使之成為符合各國或地區電磁兼容性標準的產(chǎn)品。EMC的定義是：在同一電磁環(huán)境中，設備能夠不因為其他設備的干擾影響正常工作，同時(shí)也不對其他設備產(chǎn)生影響工作的干擾。
一般電子線(xiàn)路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線(xiàn)組成的。當電路中有電壓存在時(shí)，在所有帶電的元器件周?chē)紩?huì )產(chǎn)生電場(chǎng)，當電路中有電流流過(guò)時(shí)，在所有載流體的周?chē)即嬖诖艌?chǎng)。
電容器是電場(chǎng)最集中的元件。流過(guò)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(guò)電場(chǎng)感應，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(méi)有真正流過(guò)電容器，而只是對電容器進(jìn)行充放電。當電容器的兩個(gè)極板張開(kāi)時(shí)，可以把兩個(gè)極板看成是一組電場(chǎng)輻射天線(xiàn)，此時(shí)在兩個(gè)極板之間的電路都會(huì )對極板之間的電場(chǎng)產(chǎn)生感應。在兩極板之間的電路不管是閉路，或者是開(kāi)路，當電場(chǎng)方向不斷改變時(shí)，在與電場(chǎng)方向一致的導體中都會(huì )產(chǎn)生位移電流。
電場(chǎng)強度的定義是電位梯度，即兩點(diǎn)之間的電位差與距離之比。一根數米長(cháng)的導線(xiàn)，當其流過(guò)數安培的電流時(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)強度，就可以在導體內產(chǎn)生數安培的電流?？梢?jiàn)，電場(chǎng)作用效力之大，其干擾能力之強。
電感器和變壓器是磁場(chǎng)最集中的元件，流過(guò)變壓器次級線(xiàn)圈的電流是感應電流。這個(gè)感應電流是因為變壓器初級線(xiàn)圈中有電流流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生磁感應而產(chǎn)生的。在電感器和變壓器周邊的電路，都可看成是一個(gè)變壓器的感應線(xiàn)圈。當電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線(xiàn)穿過(guò)某電路時(shí)，此電路作為變壓器的“次級線(xiàn)圈”就會(huì )產(chǎn)生感應電流。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“初級線(xiàn)圈”，而另一個(gè)回路可以看成是變壓器的“次級線(xiàn)圈”，因此兩個(gè)相鄰回路同樣產(chǎn)生電磁感應，即互相產(chǎn)生干擾。
在電子線(xiàn)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及系統設計中，高頻信號線(xiàn)、集成電路的引腳、各類(lèi)接插件等都可能成為具有天線(xiàn)特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。
2 電源的EMC設計
目前，大多數電子產(chǎn)品都選用開(kāi)關(guān)電源供電，以節省能源和提高工作效率；同時(shí)越來(lái)越多的產(chǎn)品也都含有數字電路，以提供更多的應用功能。開(kāi)關(guān)電源電路和數字電路中的時(shí)鐘電路是目前電子產(chǎn)品中最主要的電磁干擾源，它們是電磁兼容設計的主要內容。下面以一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計過(guò)程進(jìn)行分析。
圖1是一個(gè)普遍應用的反激式或稱(chēng)為回掃式的開(kāi)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(kāi)關(guān)管V1組成的負載回路供電。圖2是進(jìn)行過(guò)電磁兼容設計后的電氣原理圖。
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，而僅當輸入電壓Uin大于電容器C5兩端電壓的時(shí)候，整流二極管才導通。
因此在輸入電壓的一個(gè)周期內，整流二極管的導通時(shí)間很短，即導通角很小。
這樣整流電路中將出現脈沖尖峰電流，如圖3所示。
這種脈沖尖峰電流如用傅里葉級數展開(kāi)，看成由非常多的高次諧波電流組成，這些諧波電流將會(huì )降低電源設備的使用效率，即功率因數很低，并會(huì )倒灌到電網(wǎng)，對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，當嚴重時(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試標準為：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脈沖尖峰電流過(guò)大的方法是在整流電路中串聯(lián)一個(gè)功率因數校正(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(kāi)關(guān)電源，其輸出電壓一般為直流400 V，沒(méi)有經(jīng)功率因數校正之前的電源設備，其功率因數一般只有0．4～0．6，經(jīng)校正后最高可達到0．98。PFC電路雖然可以解決整流電路中出現脈沖尖峰電流過(guò)大的問(wèn)題，但又會(huì )帶來(lái)新的高頻干擾問(wèn)題，這同樣也要進(jìn)行嚴格的EMC設計。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。
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(guò)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(xiàn)圈都各自留有一個(gè)漏感磁回路。L1差模濾波電感可根據試驗求得，也可以根據下式進(jìn)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，當電源開(kāi)關(guān)管V1由飽和導通到截止關(guān)斷時(shí)會(huì )產(chǎn)生反電動(dòng)勢，反電動(dòng)勢又會(huì )對變壓器初級線(xiàn)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(dòng)勢的電壓幅度一般都很高，其能量也很大，如不采取保護措施，反電動(dòng)勢一般都會(huì )把電源開(kāi)關(guān)管擊穿，同時(shí)反電動(dòng)勢產(chǎn)生的阻尼振蕩還會(huì )產(chǎn)生很強的電磁輻射，不但對機器本身造成嚴重干擾，對機器周邊環(huán)境也會(huì )產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。
圖2中的D1，R2，C6是抑制反電動(dòng)勢和振鈴電壓幅度的有效電路，當變壓器初級漏感產(chǎn)生反電動(dòng)勢時(shí)，反電動(dòng)勢通過(guò)二極管D1對電容器C6進(jìn)行充電，相當于電容器吸收反電動(dòng)勢的能量，從而降低了反電動(dòng)勢和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿(mǎn)電后，又會(huì )通過(guò)R2放電，正確選擇RC放電的時(shí)間常數，使電容器在下次充電時(shí)，其剩余電壓剛好等于方波電壓幅度，此時(shí)電源的工作效率最高。
(3)對傳導干擾信號的抑制。圖1中，當電源開(kāi)關(guān)管V1導通或者截止時(shí)，在電容器C5、變壓器T1的初級和電源開(kāi)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“初級線(xiàn)圈”。由于電流i1的變化速率很高，它在“初級線(xiàn)圈”中產(chǎn)生的電磁感應
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