電子線(xiàn)路與電磁干擾/電磁兼容設計分析

　　一個(gè)好的電子產(chǎn)品，除了產(chǎn)品自身的功能以外，電路設計和電磁兼容性(EMC)設計的技術(shù)水平，對產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)性能指標起到非常關(guān)鍵的作用。本文通過(guò)舉例對開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計，介紹了一般電子產(chǎn)品中電磁干擾的解決方法。

　　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，電路設計對設計師的技術(shù)水平要求也越來(lái)越高。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師的工作能力，但對于電磁兼容設計的幫助卻很有限。

　　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，使之能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，設備能夠不因為其它設備的干擾影響正常工作，同時(shí)也不對其它設備產(chǎn)生影響工作的干擾。

　　電磁干擾一般都分為兩種，傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指通過(guò)導電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。因此對EMC問(wèn)題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設備三者之間關(guān)系的研究。

　　美國聯(lián)邦通訊委員會(huì )在1990年、歐盟在1992提出了對商業(yè)數碼產(chǎn)品的有關(guān)規章，這些規章要求各個(gè)公司確保他們的產(chǎn)品符合嚴格的磁化系數和發(fā)射準則。符合這些規章的產(chǎn)品稱(chēng)為具有電磁兼容性。

　　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人證、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”。

　　電磁感應與電磁干擾

　　很多人從事電子線(xiàn)路設計的時(shí)候，都是從認識電子元器件開(kāi)始，但從事電磁兼容設計實(shí)際上應從電磁場(chǎng)理論開(kāi)始，即從電磁感應認識開(kāi)始。

　　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的時(shí)候，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)的時(shí)候，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合回路，或者是開(kāi)路，在與電場(chǎng)方向一致的導體中都會(huì )產(chǎn)生位移電流（當電場(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，可見(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)某個(gè)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)射電磁波并影響其它系統或本系統內其他子系統的正常工作。

　　開(kāi)關(guān)電源EMC設計實(shí)例

　　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。下面我們以一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計過(guò)程來(lái)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）開(kāi)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Ui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立葉級數展開(kāi)，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，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400V，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=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，相當于電容器把反電動(dòng)勢的能量吸收掉，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)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導通或者關(guān)斷時(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，也會(huì )對周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁感應，我們可以把周?chē)娐范伎闯墒峭蛔儔浩鞯亩鄠€(gè)“次級線(xiàn)圈”，同時(shí)變壓器T1的漏感也同樣對各個(gè)“次級線(xiàn)圈”產(chǎn)生感應作用，因此電流i1通過(guò)電磁感應，在每個(gè)“次級線(xiàn)圈”中都會(huì )產(chǎn)生的感應電流，我們分別把它們記為i2、i3、i4