電子線(xiàn)路中的EMC標準與EMC設計

　　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。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)。

　　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。兩者是相輔相成的，電場(chǎng)會(huì )產(chǎn)生位移電流，電流又會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。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。

3 電源電路中的電磁兼容設計

　　在電子產(chǎn)品中，各種干擾往往會(huì )通過(guò)電源傳輸給電子設備，從而對這些設備造成危害。通過(guò)對微機系統的失效概率統計可知：微機系統100次故障，其中90次來(lái)自電源，10次是微機本身，可見(jiàn)電源的可靠性最重要。具有良好抗干擾設計的電源，能使用戶(hù)在產(chǎn)品設計中無(wú)需考慮由電源引起的抗干擾問(wèn)題，大大縮短用戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，節約開(kāi)發(fā)成本。

3.1 電源干擾的類(lèi)型

　　電源干擾可以以“共?！被颉安钅！狈绞酱嬖?。干擾類(lèi)型可以從持續期很短的尖峰干擾到完全失電之間進(jìn)行變化。其中也包括電壓變化（如電壓的跌落、浪涌與中斷）、頻率變化、波形失真（電壓的或電流的）、持續噪聲或雜波，以及瞬變等。表4中的幾種干擾，能夠通過(guò)電源進(jìn)行傳輸并造成設備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波，而靜電放電等干擾只要電源設備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現象，就不會(huì )造成由電源引起的對用電設備的影響。

表4 電源干擾的類(lèi)型

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3.2 抑制干擾的方法

3.2.1 在電源輸入端加入線(xiàn)路濾波器

　　典型的電源線(xiàn)路濾波器如圖1所示。其中，L1和L2的線(xiàn)圈同方向繞在同一磁芯上，這兩個(gè)電感對于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是互相抵消的，因此不會(huì )引起磁芯的飽和；而對于共模電流則可以反映為很大的電感，以便獲得最大的濾波效果，所以又稱(chēng)為“共模電感”。

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圖1 典型的電源線(xiàn)路濾波器

　　CX電容用來(lái)衰減差模干擾，CY電容用于衰減共模干擾，R用于消除濾波器中可能出現的靜電積累。

　　電源濾波器主要用于抑制30 MHz以下頻率范圍的噪聲，而對于脈沖干擾，其諧波頻率往往高達上百MHz，實(shí)際使用效果往往并不明顯。某研究機構對20種電源濾波器的抑制浪涌波的能力進(jìn)行了測試，超過(guò)20 dB的僅有4種，甚至有的會(huì )在輸出端產(chǎn)生振蕩。

3.2.2 采用帶屏蔽層的變壓器

　　由于共模干擾是一種相對大地的干擾，所以它主要通過(guò)變壓器繞組間的耦合電容來(lái)傳遞。如果在初、次級之間插入屏蔽層，并使之良好接地，便能使干擾電壓通過(guò)屏蔽層旁路掉，從而減小輸出端的干擾電壓。屏蔽層對變壓器的能量傳輸并無(wú)不良影響，但影響了繞組間的耦合電容。圖2畫(huà)出了帶屏蔽層的隔離變壓器的共模干擾通路。其中，C1為初級繞組與屏蔽層之間的分布電容；C2為次級燒組與屏蔽層之間的分布電容；Z1為屏蔽層接地阻抗；Z2為負載對地阻抗；e1為初級干擾（共模型）電壓；e2為次級干擾（共模型）電壓。

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圖2 帶屏蔽層的隔離變壓器

　　圖2中，要使共模衰減量增大，只需使變壓器屏蔽層接地阻抗變小。理論上帶屏蔽層的變壓器能使衰減量達到60 dB左右，但實(shí)際使用后發(fā)現，對于尖峰干擾有抑制，其效果也不十分明顯。

　　3.2.3 在電源的輸入端加入多級線(xiàn)路濾波器

　　一般情況下，在圖1所示的電路中再加一級差模濾波器，用于衰減差模干擾。通常，差模濾波器的設計如圖3所示。

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圖3 差模濾波器

　　3.2.4 采用吸波器件

　　壓敏電阻器、瞬態(tài)電壓抑制管（Transient Voltage Suppressor，TVS管）等吸波器件有共同的特點(diǎn)，即在閾值電壓以下呈現高阻抗，而一旦超過(guò)閾值電壓，阻抗便急劇下降，因此對尖峰電壓有一定的抑制作用，但也有各自的局限性。例如壓敏電阻的電流吸收能力不夠大，TVS管的閾值電壓一般僅為300～400 V。壓敏電阻器、TVS管在電路中應并聯(lián)使用。

　　3.3 參數選擇

　　對于不同的電路，電源線(xiàn)路濾波器參數的選擇應根據電流、電壓、頻率范圍等因素綜合考慮，有時(shí)應通過(guò)實(shí)驗來(lái)確定。本節只對壓敏電阻、TVS管的參數選擇進(jìn)行說(shuō)明。

　　3.3.1 壓敏電阻器

　?。?） 壓敏電阻器的作用

　　壓敏電阻器是一種金屬化物變阻器，其電壓與電流不遵守歐姆定律，而成特殊的非線(xiàn)性關(guān)系。當兩端所加電壓低于標稱(chēng)額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器的電阻值接近無(wú)窮大，內部幾乎無(wú)電流流過(guò)；略高于標稱(chēng)額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器將迅速擊穿導通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大；低于標稱(chēng)額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器又恢復為高阻狀態(tài)；超過(guò)最大限制電壓值時(shí)，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無(wú)法再自行恢復。

　　壓敏電阻器廣泛應用于家用電器以及其他電子產(chǎn)品中，起到過(guò)電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導體元器件等作用。

　?。?） 壓敏電阻器的選取計算

　　一般來(lái)說(shuō)，壓敏電阻器與被保護器件或裝置并聯(lián)使用。在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應低于標稱(chēng)電壓，即使在電源波動(dòng)情況最壞時(shí)，也不應高于額定值中選擇的最大連續工作電壓，該最大連續工作電壓值所對應的標稱(chēng)電壓值即為選用值。對于過(guò)壓保護方面的應用，壓敏電壓值VmA應大于實(shí)際電路的電壓值，一般使用下式進(jìn)行選擇：

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　　式中：a為電路電壓波動(dòng)系數，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時(shí)為有效值）；b為壓敏電壓誤差，一般取0.85；c為元件的老化系數，一般取0.9；

　　這樣計算得到的VmA的實(shí)際數值是直流工作電壓的1.5倍，在交流狀態(tài)下還要考慮峰值，因此計算結果應擴大1.414倍。另外，選用時(shí)還必須注意：

　?、?必須保證在電壓波動(dòng)最大時(shí)，連續工作電壓也不會(huì )超過(guò)最大允許值，否則將縮短壓敏電阻器的使用壽命。
　?、?在電源線(xiàn)與大地間使用壓敏電阻器時(shí)，有時(shí)由于接地不良而使線(xiàn)與地之間電壓上升，所以通常采用比線(xiàn)與線(xiàn)間使用場(chǎng)合標稱(chēng)電壓更高的壓敏電阻器。
　?、?壓敏電阻所吸收的浪涌電流應小于產(chǎn)品的最大通流量。

　　3.3.2 TVS管

　?。?） TVS管的作用