電路的EMC分析 - 全文

　　電磁干產(chǎn)生于干擾源，它是一種來自外部的、并有損于有用信號的電磁現(xiàn)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(shè)備，敏感設(shè)備又對此表現(xiàn)出某種形式的“響應”，并產(chǎn)生干擾的“效果”，該作用過程及其結(jié)果，稱為電磁干擾效應。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(shè)備或系統(tǒng)失靈，導致嚴重故障或事故，這被稱為電磁兼容性故障。顯而易見，電磁干擾已是現(xiàn)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(tǒng)或設(shè)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)境進行合理化設(shè)計。

　　現(xiàn)代的電子產(chǎn)品，功能越來越強大，電子線路也越來越復雜，電磁干擾（EMI）和電磁兼容性問題變成了主要問題。先進的計算機輔助設(shè)計（CAD）在電子線路設(shè)計方面，很大程度地拓寬了電路設(shè)計的能力，但對于電磁兼容設(shè)計的幫助卻很有限。

　　目前，全球各地區(qū)基本都設(shè)置了EMC相應的市場準入認證，用以保護本地區(qū)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、***地區(qū)的BSMI認證、中國的3C認證等都是進入這些市場的“通行證”。

　　1 電磁兼容問題

　　電磁兼容設(shè)計實際上就是針對電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進行優(yōu)化設(shè)計，使之成為符合各國或地區(qū)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(shè)備能夠不因為其他設(shè)備的干擾影響正常工作，同時也不對其他設(shè)備產(chǎn)生影響工作的干擾。

　　一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線組成的。當電路中有電壓存在時，在所有帶電的元器件周圍都會產(chǎn)生電場，當電路中有電流流過時，在所有載流體的周圍都存在磁場。

　　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。這個位移電流是由于電容器的兩個極板帶電，并在兩個極板之間產(chǎn)生電場，通過電場感應，兩個極板會產(chǎn)生充放電，形成位移電流。實際上電容器回路中的電流并沒有真正流過電容器，而只是對電容器進行充放電。當電容器的兩個極板張開時，可以把兩個極板看成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(chǎn)生感應。在兩極板之間的電路不管是閉路，或者是開路，當電場方向不斷改變時，在與電場方向一致的導體中都會產(chǎn)生位移電流。

　　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(shù)米長的導線，當其流過數(shù)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，就可以在導體內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的電流?？梢?，電場作用效力之大，其干擾能力之強。

　　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。這個感應電流是因為變壓器初級線圈中有電流流過時，產(chǎn)生磁感應而產(chǎn)生的。在電感器和變壓器周邊的電路，都可看成是一個變壓器的感應線圈。當電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線穿過某電路時，此電路作為變壓器的“次級線圈”就會產(chǎn)生感應電流。兩個相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個回路看成是變壓器的“初級線圈”，而另一個回路可以看成是變壓器的“次級線圈”，因此兩個相鄰回路同樣產(chǎn)生電磁感應，即互相產(chǎn)生干擾。

　　在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會產(chǎn)生電磁干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計中，高頻信號線、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)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。

　　2 電源的EMC設(shè)計

　　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；同時越來越多的產(chǎn)品也都含有數(shù)字電路，以提供更多的應用功能。開關(guān)電源電路和數(shù)字電路中的時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)計的主要內(nèi)容。下面以一個開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計過程進行分析。

　　圖1是一個普遍應用的反激式或稱為回掃式的開關(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與開關(guān)管V1組成的負載回路供電。圖2是進行過電磁兼容設(shè)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C5兩端電壓的時候，整流二極管才導通。

　　因此在輸入電壓的一個周期內(nèi)，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(xiàn)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(shù)展開，看成由非常多的高次諧波電流組成，這些諧波電流將會降低電源設(shè)備的使用效率，即功率因數(shù)很低，并會倒灌到電網(wǎng)，對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，當嚴重時還會引起電網(wǎng)頻率的波動，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(xiàn)脈沖尖峰電流過大的方法是在整流電路中串聯(lián)一個功率因數(shù)校正（PFC）電路，或差模濾波電感器。PFC電路一般為一個并聯(lián)式升壓開關(guān)電源，其輸出電壓一般為直流400 V，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，但又會帶來新的高頻干擾問題，這同樣也要進行嚴格的EMC設(shè)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(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產(chǎn)生磁飽和。一般差模濾波電感器的兩個組線圈都各自留有一個漏感磁回路。L1差模濾波電感可根據(jù)試驗求得，也可以根據(jù)下式進行計算：

　　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。

　?。?）對振鈴電壓的抑制。由于變壓器的初級有漏感，當電源開關(guān)管V1由飽和導通到截止關(guān)斷時會產(chǎn)生反電動勢，反電動勢又會對變壓器初級線圈的分布電容進行充放電，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，反電動勢一般都會把電源開關(guān)管擊穿，同時反電動勢產(chǎn)生的阻尼振蕩還會產(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)境也會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。

　　圖2中的D1，R2，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(chǎn)生反電動勢時，反電動勢通過二極管D1對電容器C6進行充電，相當于電容器吸收反電動勢的能量，從而降低了反電動勢和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿電后，又會通過R2放電，正確選擇RC放電的時間常數(shù)，使電容器在下次充電時，其剩余電壓剛好等于方波電壓幅度，此時電源的工作效率最高。

　　（3）對傳導干擾信號的抑制。圖1中，當電源開關(guān)管V1導通或者截止時，在電容器C5、變壓器T1的初級和電源開關(guān)管V1組成的電路中會產(chǎn)生脈動直流 i1，如果把此電流回路看成是一個變壓器的“初級線圈”。由于電流i1的變化速率很高，它在“初級線圈”中產(chǎn)生的電磁感應，也會對周圍電路產(chǎn)生電磁感應?？梢园阎車娐范伎闯墒峭蛔儔浩鞯亩鄠€“次級線圈”，同時變壓器T1的漏感也同樣對各個“次級線圈”產(chǎn)生感應作用。因此電流i1通過電磁感應，在每個 “次級線圈”中都會產(chǎn)生的感應電流，分別把它們記為i2，i3，…，in。其中，i2和i3是差模干擾信號，它們可以通過兩根電源線傳導到電網(wǎng)的其他線路之中和干擾其他電子設(shè)備。i4是共模干擾信號，它是電流i1回路通過電磁感應其他電路與大地或機殼組成的回路產(chǎn)生的，并且其他電路與大地或機殼是通過電容耦合構(gòu)成回路的，共模干擾信號可以通過電源線與大地傳導到電網(wǎng)其他線路之中和干擾其他電子設(shè)備。

　　與電源開關(guān)管V1的集電極相連的電路，也是產(chǎn)生共模干擾信號的主要原因。因為在整個開關(guān)電源電路中，數(shù)電源開關(guān)管V1集電極的電位最高，最高可達600 V以上，其他電路的電位都比它低，因此電源開關(guān)管V1的集電極與其他電路（也包括電源輸入端的引線）之間存在很強的電場，在電場的作用下，電路會產(chǎn)生位移電流，這個位移電流基本屬于共模干擾信號。

　　圖2中的電容器C1，C2和差模電感器L1對i1，i2和i3差模干擾信號有很強的抑制能力。由于C1，C2在電源線拔出時還會帶電，容易觸電傷人，所以在電源輸入的兩端要接一個放電電阻R1。

　　對共模干擾信號i4要進行完全抑制，一般很困難，特別是沒有金屬機殼屏蔽的情況下，因為在感應產(chǎn)生共模干擾信號的回路中，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(shù)值一般是不穩(wěn)定的，進行設(shè)計時對指標要留有足夠的余量。圖2中L2和C3，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，L2一般要用兩個，甚至三個，其中一個多為環(huán)形磁心電感。

　　根據(jù)上面分析，產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是i1流過的主要回路，這個回路主要由電容器C5、變壓器T1初級和電源開關(guān)管V1組成。根據(jù)電磁感應原理，這個回路產(chǎn)生的感應電動勢為：

　　e=dφ／dt=SdB／dt

　　式中：e為感應電動勢；φ為磁通量；S為電流回路的面積；B為磁感應強度，其值與電流強度成正比；dφ／dt為磁通變化率。由此可見，感應電動勢與電流回路的面積成正比。因此要減小電磁干擾，首先要設(shè)法減小電流回路的面積，特別是i1電流流過的回路面積。另外，為了減少變壓器漏感對周圍電路產(chǎn)生電磁感應的影響，一方面要求心量減小變壓器的漏感；另一方面，在變壓器的外圍包一層薄銅皮，以構(gòu)成一個低阻抗短路線圈，通過渦流消耗漏感產(chǎn)生的感應能量。

　?。?）對輻射干擾信號的抑制。電磁輻射干擾也是通過電磁感應的方式，由帶電體或電流回路及磁感應回路對外產(chǎn)生電磁輻射的。任何一根導體都可以看作一根電磁感應天線，任何一個電流回路都可以看作一個環(huán)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。要想完全抑制電磁輻射是不可能的，但通過對電路進行合理設(shè)計，或者采取部分屏蔽措施，可以大大減輕電磁干擾的輻射。

　　例如，盡量縮短電路引線的長度和減小電流回路的面積，是減小電磁輻射的有效方法；正確使用儲能濾波電容，把儲能濾波電容盡量近地安裝在有源器件電源引線的兩端，每個有源器件獨立供電，或單獨用一個儲能濾波電容供電（充滿電的電容可以看成是一個獨立電源），防止各電路中的有源器件（放大器）通過電源線和地線產(chǎn)生串擾；把電源引線的地和信號源的地嚴格分開，或?qū)π盘栆€采取雙線并行對中交叉的方法，讓干擾信號互相抵消，也是一種減小電磁輻射的有效方法；利用散熱片也可以對電磁干擾進行局部屏蔽，對信號引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法，讓信號線夾在兩條平行地線的中間，這相當于雙回路，干擾信號也會互相抵消，屏蔽效果非常顯著；機器或敏感器件采用金屬外殼是最好的屏蔽電磁干擾方法，但非金屬外殼也可以噴涂導電材料（如石墨）進行電磁干擾屏蔽。

　?。?）對高壓的靜電的消除。圖1中，如果輸出電壓高于1 000 V，必須考慮靜電消除。雖然大多數(shù)的開關(guān)電源都采取變壓器進行“冷熱地”隔離，由于“熱地”，也叫“初級地”，通過電網(wǎng)可構(gòu)成回路，當人體接觸到“初級地”時會“觸電”，所以人們都把“初級地”叫作“熱地”，表示不能觸摸的意思。而“冷地”也叫“次級地”，盡管電壓很高，但它與大地不構(gòu)成回路，當人體接觸到“次級地”時不會“觸電”，因此，人們都把“次級地” 叫作“冷地”，表示可以觸摸的意思。但不管是“冷地”或者是“熱地”，其對大地的電位差都不可能是零，即還是會帶電。如彩色電視機中的開關(guān)電源，“熱地” 對大地的電位差，其峰峰值大約有400 V；“冷地”對大地的電位差，其峰峰值大約有1 500 V。

　　“熱地”帶電比較好理解，而“冷地”帶電一般人是難以理解的?！袄涞亍睅щ婋妷菏怯勺儔浩鞔渭壆a(chǎn)生的。雖然變壓器次級的一端與“冷地”連接，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(zhì)的中間。這一點稱為電源的“浮地”，即它為零電位，但又不與大地相連。由此可知，“冷地”帶電的電壓正好等于輸出電壓的50％，如電視機顯像管的高壓陽極需要大約30 000 V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，由此可以求出電視機中冷地與地之間的靜電電壓大約為 15 000 V。同理，“熱地”回路的“浮地”是在儲能濾波電容器C5的中間，所以正常情況下“熱地”帶電電壓為整流輸出的50％，其峰值約為200 V。如把開關(guān)管導通或截止時產(chǎn)生的反電動勢也疊加在其之上，其峰峰值大約有400 V。

　　圖2中的R3就是用來降低“冷地”與大地之間靜電電壓的，C8的作用是降低冷、熱地之間的動態(tài)電阻。一般數(shù)字電路IC的耐壓都很低，如果“冷地”帶電的電壓很高，通過靜電感應，或人體觸摸，很容易就會把IC擊穿。EMC常用標準如下：

　　EMC通用系列標準：IEC61000-4-X；

　　工業(yè)環(huán)境抗擾度通用標準：EN50082-2；

　　脈沖電流諧波測試標準：IEC61000-3-2；

　　交流電源閃爍測試標準：IEC61000-3-3。

　　圖3中的R3就是用來降低冷地與大地之間靜電電壓的，C8的作用是降低冷熱地之間的動態(tài)電阻。一般數(shù)字電路IC的耐壓都很低，如果“冷地”帶電的電壓很高，通過靜電感應，或人體觸摸，很容易就會把IC擊穿。

　　3 結(jié) 語

　　隨著開關(guān)電源不斷向高頻化發(fā)展，其抗干擾問題顯得越發(fā)重要。在開發(fā)和設(shè)計開關(guān)電源中，如何有效抑制開關(guān)電源的電磁干擾，同時提高開關(guān)電源本身對電磁干擾的抗干擾能力是一個重要課題。在抗干擾設(shè)計時，幾種抗干擾措施既相互獨立又相互聯(lián)系，必須同時采用多種措施才能達到良好的抗干擾效果。