電磁干擾(EMI)的原則和規(guī)定資料下載

作者：Don Li CUI首席技術(shù)長 本文研究監(jiān)控電磁干擾(EMI)的原則和規(guī)定，以及開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲類型，并提供減緩EMI的基本指南，包括安裝在其他設(shè)備中以做為更大系統(tǒng)的一部分，或是做為單獨(dú)的應(yīng)用。 開關(guān)電源和EMC標(biāo)準(zhǔn) 「開關(guān)電源」是一通用的術(shù)語，描述帶有可將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓的電源，而此處轉(zhuǎn)換后的交流電壓還可再進(jìn)一步處理成為另一個(gè)直流電壓。 開關(guān)電源可以分為交流對(duì)直流電源(交流—輸入)或直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換器(直流輸入)，兩者都具有把直流轉(zhuǎn)換為交流的功能，以便改變電壓。開關(guān)電源因其內(nèi)在的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生由多頻訊號(hào)組成的電磁干擾。 直流對(duì)交流轉(zhuǎn)換器將輸入直流電壓轉(zhuǎn)化為可通過變壓器升壓或降壓的交流電壓。交流對(duì)直流電源還可利用高頻電路來轉(zhuǎn)換電壓。但是，在任何一種情況中，內(nèi)部交流電壓并不是純正弦波，而經(jīng)常是可由傅立葉級(jí)數(shù)表示的矩形波，由具有諧波相關(guān)頻率的許多正弦波的代數(shù)和(Algebraic Sum)組成。 這些多頻訊號(hào)是傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射的來源，會(huì)干擾安裝電源的設(shè)備及附近的頻率敏感設(shè)備。 電子設(shè)備開發(fā)須符合各國EMI標(biāo)準(zhǔn) 經(jīng)由有目的的發(fā)射電磁場(chǎng)，電磁譜已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于廣播、電訊和數(shù)據(jù)通訊等領(lǐng)域。為保護(hù)電磁譜和確保所搭配的電氣電子系統(tǒng)兼容性，監(jiān)管機(jī)構(gòu)已經(jīng)制定電子設(shè)備中傳導(dǎo)和輻射EMI的控制標(biāo)準(zhǔn)。 CISPR 22是歐洲地區(qū)其中一個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，獲得歐洲共同體中大多數(shù)的國家采用，而美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)是美國的監(jiān)管機(jī)構(gòu)。FCC的第15部分規(guī)則將數(shù)字電子設(shè)備分為A類(用于商業(yè)、工業(yè)或營業(yè)環(huán)境)和B類(用于居住環(huán)境)。由于B類設(shè)備布置在家庭中其他電子設(shè)備附近的可能性更大，因此其發(fā)射(Emission)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。 CISPR 22法規(guī)已與FCC標(biāo)準(zhǔn)相互協(xié)調(diào)，除少數(shù)例外情況，現(xiàn)可對(duì)數(shù)字的電子設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證。協(xié)調(diào)化要求傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射采用同一標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)镃ISPR 22對(duì)1GHz以上的頻率并未規(guī)定限值，所以1GHz以上的測(cè)定必須符合FCC規(guī)則和限值要求，而FCC第15部分和CISPR 22規(guī)定頻率的傳導(dǎo)/輻射發(fā)射限值，彼此僅相差幾dB而已。 EMC測(cè)試和符合性須遵守ANSI規(guī)范 電磁兼容性(EMC)測(cè)試和符合性(Compliance)須按照ANSI標(biāo)準(zhǔn)定義的測(cè)試程序執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)并不包括與通用或指定產(chǎn)品有關(guān)的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射限值。 值得注意的是，測(cè)試是針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)，并非僅針對(duì)電源模塊，即使外部電源做為獨(dú)立產(chǎn)品符合規(guī)定，也需要與整個(gè)終端系統(tǒng)一起進(jìn)行測(cè)試。 EMI/EMC基本來源和相關(guān)頻率 EMI首先可分為瞬態(tài)的干擾或連續(xù)的干擾。當(dāng)源發(fā)射持續(xù)時(shí)間短的能量脈沖而不是連續(xù)訊號(hào)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)EMI。源包括開關(guān)電氣線路，以及靜電放電(ESD)、閃電及電力線浪涌。電動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)電機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)及連續(xù)數(shù)字電路開關(guān)可以使得瞬態(tài)EMI重復(fù)發(fā)生。 連續(xù)干擾可以根據(jù)頻帶進(jìn)一步細(xì)分，幾10Hz至20kHz頻率被歸為音頻，而射頻干擾(RFI)發(fā)生在20kHz及以上頻帶。 EMI耦合 耦合通過傳導(dǎo)、輻射或感測(cè)而產(chǎn)生。傳導(dǎo)的EMI發(fā)射可高達(dá)30MHz。頻率低于5MHz以下的電流，大多數(shù)是差模(Differential Mode)電流，而高于5MHz的電流通常是共模(Common Mode)電流(圖1)。 圖1 差模和共模的定義 差模電流是一兩線對(duì)(Two Wire Pair)上的預(yù)期電流，也就是離開線路源端和回到線路返回端的電流。測(cè)試人員可以根據(jù)相對(duì)指定參考點(diǎn)來測(cè)量每條線路的噪聲，差模電流通過電源線，在開關(guān)電源和它的源或負(fù)載之間流動(dòng)，而這些電流與地面無關(guān)。 共模電流通過電源線在同一方向進(jìn)出開關(guān)電源，并通過地面回到它的源。在許多情況下，共模噪聲是通過電路中的寄生電容來傳導(dǎo)的，但也可流經(jīng)外殼和地面之間的電容。 當(dāng)源和接收器(受影響設(shè)備)作為無線電天線使用時(shí)，便會(huì)發(fā)生輻射耦合。此時(shí)，源輻射出的電磁波會(huì)穿過開闊空間，在源和受影響設(shè)備之間傳播，并被受影響設(shè)備所接收。 相對(duì)傳導(dǎo)耦合或輻射耦合來說，電感耦合(電或磁耦合)比較少見，電感耦合會(huì)發(fā)生在源和接收器之間距離較短之處。 當(dāng)兩個(gè)相鄰導(dǎo)體間存在變化的電場(chǎng)，導(dǎo)致間隙處電壓發(fā)生變化，便會(huì)發(fā)生電感測(cè)；而當(dāng)兩個(gè)平行導(dǎo)體之間有一變化的磁場(chǎng)，導(dǎo)致沿著接收導(dǎo)體出現(xiàn)電壓變化，則會(huì)發(fā)生磁感測(cè)。 一般而言，要清楚明白EMI問題的表征，須要從電學(xué)上及功能故障的意義上來了解干擾源和訊號(hào)、到達(dá)受影響設(shè)備的耦合路徑及受影響設(shè)備的特性。在本質(zhì)上，由于威脅所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)通常是統(tǒng)計(jì)學(xué)，因此，威脅表征和標(biāo)準(zhǔn)制定的許多工作，都是建基于將破壞性EMI發(fā)生的可能性降低到可以接受的程度，而不是確保消除EMI。 傳導(dǎo)EMI 為了有效地讓傳導(dǎo)發(fā)射緩和下來，必須分別解決差模噪聲和共模噪聲的問題。 在開關(guān)電源電力線和返回線之間直接連接旁路電容器的做法，通常可抑制差模噪聲(圖2)。位于開關(guān)電源輸入或輸出處的電力線可能需要濾波，為實(shí)現(xiàn)最佳效果，這些線路上的旁路電容器要放在噪聲產(chǎn)生源的末端附近。 圖2 差模濾波器示意圖 在噪聲產(chǎn)生源的基本開關(guān)頻率附近，低頻差模電流的衰減要求要有較高的旁路電容值，這意味著陶瓷電容器就不適用。22微法拉(μF)以下的陶瓷電容器只適合過濾開關(guān)電源的較低電壓輸出，但不適合那些有100伏特(V)浪涌的電源。此時(shí)應(yīng)采用額定電容和電壓較高的電解電容器。 為同時(shí)適合衰減較低的基本開關(guān)頻率及較高諧波頻率的差模電流，差模輸入濾波器通常是由電解電容器和陶瓷電容器所組成。 增加一個(gè)與主電源串聯(lián)的傳感器，與旁路電容器一起形成--單級(jí)L-C差模低通濾波器，可以進(jìn)一步抑制差模電流。 另一方面，在開關(guān)電源的每根電力線和地面間連接旁路電容器，便可有效抑制共模傳導(dǎo)電流，這些電力線可以位于開關(guān)電源的輸入或輸出處。 藉由增加一對(duì)與每個(gè)主電源串聯(lián)的耦合扼流(Choke)傳感器，可進(jìn)一步抑制共模電流(圖3)。耦合扼流傳感器的高阻抗迫使共模電流流過旁路電容器。 圖3 共模濾波器示意圖 RF阻抗及天線環(huán)路面積減少可抑制輻射EMI 降低射頻(RF)阻抗及減少天線環(huán)路面積可以抑制輻射出的EMI(圖4)。將電力線和其返回路線所形成的閉合環(huán)路面積減到最小，便可達(dá)成此一目標(biāo)。 圖4 縮小天線環(huán)路面積以降低輻射發(fā)射