電子線路與電磁干擾/電磁兼容設計分析

一個好的電子產品，除了產品自身的功能之外，電路設計和電磁兼容性(EMC)設計的技術水平，對產品的質量和技術性能指標起到很是關鍵的做用。本文經過舉例對開關電源的電磁兼容設計，介紹了通常電子產品中電磁干擾的解決方法。安全

現 代的電子產品，功能愈來愈強大，電子線路也愈來愈複雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問題變成了主要問題，電路設計對設計師的技術水平要求也愈來愈高。 先進的計算機輔助設計(CAD)在電子線路設計方面很大程度地拓寬了電路設計師的工做能力，但對於電磁兼容設計的幫助卻頗有限。網絡

電磁兼容 設計實際上就是針對電子產品中產生的電磁干擾進行優化設計，使之能成爲符合各國或地區電磁兼容性標準的產品。EMC的定義是：在同一電磁環境中，設備可以 不由於其它設備的干擾影響正常工做，同時也不對其它設備產生影響工做的干擾。圖1：反激式(或稱回掃式)開關電源工做原理圖。性能

電磁干擾通常都分爲兩種，傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指經過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另外一個電網絡。輻射干擾是指干擾源經過空間把其信號耦合(干擾)到另外一個電網絡。所以對EMC問題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設備三者之間關係的研究。學習

美國聯邦通信委員會在1990年、歐盟在1992提出了對商業數碼產品的有關規章，這些規章要求各個公司確保他們的產品符合嚴格的磁化係數和發射準則。符合這些規章的產品稱爲具備電磁兼容性。測試

目 前全球各地區基本都設置了EMC相應的市場準入認證，用以保護本地區的電磁環境和本土產品的競爭優點。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認證等都是進入這些市場的「通行證」。優化

電磁感應與電磁干擾插件

不少人從事電子線路設計的時候，都是從認識電子元器件開始，但從事電磁兼容設計實際上應從電磁場理論開始，即從電磁感應認識開始。設計

通常電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線組成，當電路中有電壓存在的時候，在全部帶電的元器件周圍都會產生電場，當電路中有電流流過的時候，在全部載流體的周圍都存在磁場。blog

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，這個位移電流是因爲電容器的兩個極板帶電，並在兩個極板之間產生電場，經過電場感應，兩個極板會產 生充放電，造成位移電流。實際上電容器迴路中的電流並無真正流過電容器，而只是對電容器進行充放電。當電容器的兩個極板張開時，能夠把兩個極板當作是一 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生感應。在兩極板之間的電路不論是閉合迴路，或者是開路，在與電場方向一致的導體中都會 產生位移電流（當電場的方向不斷改變時），即電流一下子向前跑，一下子向後跑。圖片

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。一根數米長的導線，當其流過數安培的電流時，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，就能夠在導體內產生數安培的電流，可見電場做 用效力之大，其干擾能力之強。圖2：進行過電磁兼容設計後的反激式開關電源電氣原理圖。

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電流，這個感應電流是由於變壓器初級線圈中有電流流過期，產生磁感應而產生的。在電感器和變壓器周邊的電路，均可當作是一個變壓器的感 應線圈，當電感器和變壓器漏感產生的磁力線穿過某個電路時，此電路做爲變壓器的「次級線圈」就會產生感應電流。兩個相鄰迴路的電路，也一樣能夠把其中的一 個迴路當作是變壓器的「初級線圈」，而另外一個迴路能夠當作是變壓器的「次級線圈」，所以兩個相鄰迴路一樣產生電磁感應，即互相產生干擾。

在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會產生電磁干擾。在高速PCB及系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各種接插件等均可能成爲具備天線特性的輻射干擾源，能發射電磁波並影響其它系統或本系統內其餘子系統的正常工做。

開關電源EMC設計實例

目 前大多數電子產品都選用開關電源供電，以節省能源和提升工做效率；同時愈來愈多的產品也都含有數字電路，以提供更多的應用功能。開關電源電路和數字電路中 的時鐘電路是目前電子產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。下面咱們以一個開關電源的電磁兼容設計過程來進行分析。

圖1是一個廣泛應用的反激式（或稱爲回掃式）開關電源工做原理圖，50Hz或60Hz交流電網電壓首先經整流堆整流，並向儲能濾波電容器C5充電，而後向變壓器T1與開關管V1組成的負載迴路供電。圖2是進行過電磁兼容設計後的電氣原理圖。

一、對電流諧波的抑制

通常電容器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大於電容器C5兩端電壓的時候，整流二極管才導通，所以在輸入電壓的一個週期內，整流二極管的導通時間很短，即導通角很小。這樣整流電路中將出現脈衝尖峯電流，如圖3所示。

這 種脈衝尖峯電流如用傅立葉級數展開，將被當作由很是多的高次諧波電流組成，這些諧波電流將會下降電源設備的使用效率，即功率因數很低，並會倒灌到電網，對 電網產生污染，嚴重時還會引發電網頻率的波動，即交流電源閃爍。脈衝電流諧波和交流電源閃爍測試標準爲：IEC61000-3-2及 IEC61000-3-3。通常測試脈衝電流諧波的上限是40次諧波頻率。

解決整流電路中出現脈衝尖峯電流過大的方法是在整流電路中串聯 一個功率因數校訂(PFC)電路，或差模濾波電感器。PFC電路通常爲一個並聯式升壓開關電源，其輸出電壓通常爲直流400V，沒有經功率因數校訂以前的 電源設備，其功率因數通常只有0.4~0.6，經校訂後最高可達到0.98。PFC電路雖然能夠解決整流電路中出現脈衝尖峯電流過大的問題，但又會帶來新 的高頻干擾問題，這一樣也要進行嚴格的EMC設計。用差模濾波電感器能夠有效地抑制脈衝電流的峯值，從而下降電流諧波干擾，但不能提升功率因數。

圖2中的L1爲差模濾波電感器，差模濾波電感器通常用矽鋼片材料製做，以提升電感量，爲了防止大電流流過差模濾波電感器時產生磁飽和，通常差模濾波電感器的兩個組線圈都各自留有一個漏感磁迴路。

L1差模濾波電感可根據試驗求得，也能夠根據下式進行計算：圖3：整流電路的脈衝尖峯電流。

E=L*di/dt (1)

式中E爲輸入電壓Ui與電容器C5兩端電壓的差值，即L1兩端的電壓降，L爲電感量，di/dt爲電流上升率。顯然，要求電流上升率越小，則要求電感量就越大。

二、對振鈴電壓的抑制

由 於變壓器的初級有漏感，當電源開關管V1由飽和導通到截止關斷時會產生反電動勢，反電動勢又會對變壓器初級線圈的分佈電容進行充放電，從而產生阻尼振盪， 即產生振鈴，如圖4所示。變壓器初級漏感產生反電動勢的電壓幅度通常都很高，其能量也很大，如不採起保護措施，反電動勢通常都會把電源開關管擊穿，同時反 電動勢產生的阻尼振盪還會產生很強的電磁輻射，不但對機器自己形成嚴重干擾，對機器周邊環境也會產生嚴重的電磁干擾。

圖2中的D一、 R二、C6是抑制反電動勢和振鈴電壓幅度的有效電路，當變壓器初級漏感產生反電動勢時，反電動勢經過二極管D1對電容器C6進行充電，至關於電容器把反電 動勢的能量吸取掉，從而下降了反電動勢和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿電後，又會經過R2放電，正確選擇RC放電的時間常數，使電容器在下次充電時的剩 餘電壓恰好等於方波電壓的幅度，此時電源的工做效率最高。

三、對傳導干擾信號的抑制

圖1中，當電源開關管V1導通或者關 斷時，在電容器C五、變壓器T1的初級和電源開關管V1組成的電路中會產生脈動直流i1，若是把此電流回路當作是一個變壓器的「初級線圈」，因爲電流i1 的變化速率很高，它在「初級線圈」中產生的電磁感應，也會對周圍電路產生電磁感應，咱們能夠把周圍電路都當作是同一變壓器的多個「次級線圈」，同時變壓器 T1的漏感也一樣對各個「次級線圈」產生感應做用，所以電流i1經過電磁感應，在每一個「次級線圈」中都會產生的感應電流，咱們分別把它們記爲i二、i三、 i4 ···。

其中i2和i3是差模干擾信號，它們能夠經過兩根電源線傳導到電網的其它線路之中和干擾其它電子設備；i4是共模干擾信 號，它是電流i1迴路經過電磁感應其它電路與大地或機殼組成的迴路產生的，而且其它電路與大地或機殼是經過電容耦合構成迴路的，共模干擾信號能夠經過電源 線與大地傳導到電網其它線路之中和干擾其它電子設備。

與電源開關管V1的集電極相連的電路，也是產生共模干擾信號的主要緣由，由於在整個 開關電源電路中，數電源開關管V1集電極的電位最高，最高可達600V以上，其它電路的電位都比它低，所以電源開關管V1的集電極與其它電路(也包括電源 輸入端的引線)之間存在很強的電場，在電場的做用下，電路會產生位移電流，這個位移電流基本屬於共模干擾信號。

圖2中的電容器C一、C2和差模電感器L1對i一、i2和i3差模干擾信號有很強的抑制能力。因爲C一、C2在電源線拔出時還會帶電，容易觸電傷人，因此在電源輸入的兩端要接一個放電電阻R1。圖4：反電動勢又會對變壓器初級線圈的分佈電容進行充放電，從而產生阻尼振盪。

對 共模干擾信號i4要進行徹底抑制，通常很困難，特別是沒有金屬機殼屏蔽的狀況下，由於在感應產生共模干擾信號的迴路中，其中的一個「元器件」是線路板與大 地之間的等效電容，此「元器件」的數值通常是不穩定的，進行設計時對指標要留有足夠的餘量。圖2中L2和C三、C4是共模干擾信號抑制電路器件，在輸入功 率較大的電路中，L2通常要用兩個，甚至三個，其中一個多爲環形磁心電感。

根據上面分析，產生電磁干擾的緣由主要是i1流過的主要回路，這個迴路主要由電容器C五、變壓器T1初級和電源開關管V1組成，根據電磁感應原理，這個迴路產生的感應電動勢爲：

e=dψ/dt=S*dB/dt (2)

式 中e爲感應電動勢，ψ爲磁通量，S電流回路的面積，B爲磁感應密度，其值與電流強度成正比，dψ/dt爲磁通變化率。因而可知，感應電動勢與電流回路的面 積成正比。所以要減小電磁干擾，首先是要設法減少電流回路的面積，特別是i1電流流過的迴路面積。另外，爲了減小變壓器漏感對周圍電路產生電磁感應的影 響，一方面要求變壓器的漏感要作得小，另外一方面必定要在變壓器的外圍包一層薄銅皮，以構成一個低阻抗短路線圈，把漏感產生的感應能量經過渦流損耗掉。

四、對輻射干擾信號的抑制

電 磁輻射干擾也是經過電磁感應的方式，由帶電體或電流回路及磁感應迴路對外產生電磁輻射的。任何一根導體均可以當作是一根電磁感應天線，任何一個電流回路都 能夠當作是一個環形天線，電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應輻射的重要器件。要想徹底抑制電磁輻射是不可能的，但經過對電路進行合理設計，或者採起部分屏 蔽措施，能夠大大減輕電磁干擾的輻射。

例如，儘可能縮短電路引線的長度和減少電流回路的面積，是減少電磁輻射的有效方法；正確使用儲能濾波 電容，把儲能濾波電容儘可能近地安裝在有源器件電源引線的兩端，每一個有源器件獨立供電，或單獨用一個儲能濾波電容供電(充滿電的電容能夠當作是一個獨立電 源)，防止各電路中的有源器件(放大器)經過電源線和地線產生串擾；把電源引線的地和信號源的地嚴格分開，或對信號引線採起雙線並行對中交叉的方法，讓幹 擾信號互相抵消，也是一種減少電磁輻射的有效方法；利用散熱片也能夠對電磁干擾進行局部屏蔽，對信號引線還能夠採起雙地線並行屏蔽的方法，讓信號線夾在兩 條平行地線的中間，這至關於雙迴路，干擾信號也會互相抵消，屏蔽效果很是顯著；機器或敏感器件採用金屬外殼是最好的屏蔽電磁干擾方法，但非金屬外殼也能夠 噴塗導電材料(如石墨)進行電磁干擾屏蔽。

五、對高壓的靜電的消除

圖1中，若是輸出電壓高於1,000V，必須考慮靜電 消除。雖然大多數的開關電源都採起變壓器進行「冷熱地」隔離，因爲「熱地」，也叫「初級地」，經過電網可構成迴路，當人體接觸到「初級地」的時候會「觸 電」，因此人們都把「初級地」叫作「熱地」，表示不能觸摸的意思。而「冷地」也叫「次級地」，儘管電壓很高，但它與大地不構成迴路，當人體接觸到「次級 地」的時候不會「觸電」，所以，人們都把「次級地」叫作「冷地」，表示能夠觸摸的意思。

但不論是"冷地"或者是"熱地"，其對大地的電位差都不多是零，即仍是會帶電。如彩色電視機中的開關電源，"熱地"對大地的電位差大約有400VP-P(峯峯值)，"冷地"對大地的電位差大約有1500VP-P(峯峯值)。

「熱 地」帶電比較好理解，而"冷地"帶電通常人是難以理解的。那麼"冷地"帶電這個電壓是怎樣產生的呢？這個電壓是由變壓器次級產生的，雖然變壓器次級的一端 與「冷地」鏈接，但真正的零電位是在變壓器次級線圈的中心，或整流輸出濾波電容器介質的中間。這一點稱爲電源的「浮地」，即它爲零電位，但又不與大地相 連。由此可知「冷地」帶電的電壓正好等於輸出電壓的一半，如電視機顯像管的高壓陽極須要大約3萬伏的高壓，真正的零電位是在高壓濾波電容(顯像管石墨層之 間的電容)的中間，或高壓包的中間抽頭處，由此能夠求出電視機中的冷地與地之間的電壓(靜電)大約爲1,5000V。同理，「熱地」迴路的「浮地」是在儲 能濾波電容器C5的中間，因此「熱地」正常的帶電電壓爲整流輸出的一半，約爲200 VP(峯值)，如把開關管導通或截止時產生的反電動勢也疊加在其之上，大約有400VP-P(峯峯值)。

圖2中的R3就是用來下降冷地與大地之間靜電電壓的，C8的做用是下降冷熱地之間的動態電阻。通常數字電路IC的耐壓都很低，若是「冷地」帶電的電壓很高，經過靜電感應，或人體觸摸，很容易就會把IC擊穿。

「冷地」帶電是屬於靜電的範疇，它只至關於對一個小電容充電，這個小電容的一端是大地，電容量至關於「冷地」對大地之間的等效電容。另外，圖2中的C一、C二、C三、C四、C八、R一、R八、T1屬於安全器件，使用時要注意安全要求。

EMC經常使用標準：

EMC通用系列標準：IEC61000-4-X

工業環境抗擾度通用標準：EN50082-2

脈衝電流諧波測試標準：IEC61000-3-2

交流電源閃爍測試標準：IEC61000-3-3