電子線路的電磁兼容性分析
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電磁干擾產(chǎn)生于干擾源，它是一種來自外部的、并有損于有用信號(hào)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(duì)此表現(xiàn)出某種形式的“響應(yīng)”，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(yīng)。在人們的生活中，電磁干擾效應(yīng)普遍存在，形式各異。如果干擾效應(yīng)十分嚴(yán)重，設(shè)備或系統(tǒng)失靈，導(dǎo)致嚴(yán)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(yù)測(cè)干擾，限制人為干擾強(qiáng)度，研究抑制干擾的有效技術(shù)手段，提高抗干擾能力，并對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)。
現(xiàn)代的電子產(chǎn)品，功能越來越強(qiáng)大，電子線路也越來越復(fù)雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問題變成了主要問題。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)在電子線路設(shè)計(jì)方面，很大程度地拓寬了電路設(shè)計(jì)的能力，但對(duì)于電磁兼容設(shè)計(jì)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(yīng)的市場(chǎng)準(zhǔn)入認(rèn)證，用以保護(hù)本地區(qū)的電磁環(huán)境和本土產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。如：北美的FCC、NEBC認(rèn)證、歐盟的CE認(rèn)證、日本的VCCEI認(rèn)證、澳洲的C-TICK認(rèn)證、臺(tái)灣地區(qū)的BSMI認(rèn)證、中國的3C認(rèn)證等都是進(jìn)入這些市場(chǎng)的“通行證”。
1 電磁兼容問題
電磁兼容設(shè)計(jì)實(shí)際上就是針對(duì)電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之成為符合各國或地區(qū)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)槠渌O(shè)備的干擾影響正常工作，同時(shí)也不對(duì)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(dǎo)線組成的。當(dāng)電路中有電壓存在時(shí)，在所有帶電的元器件周圍都會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，當(dāng)電路中有電流流過時(shí)，在所有載流體的周圍都存在磁場(chǎng)。
電容器是電場(chǎng)最集中的元件。流過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)，通過電場(chǎng)感應(yīng)，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有真正流過電容器，而只是對(duì)電容器進(jìn)行充放電。當(dāng)電容器的兩個(gè)極板張開時(shí)，可以把兩個(gè)極板看成是一組電場(chǎng)輻射天線，此時(shí)在兩個(gè)極板之間的電路都會(huì)對(duì)極板之間的電場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)。在兩極板之間的電路不管是閉路，或者是開路，當(dāng)電場(chǎng)方向不斷改變時(shí)，在與電場(chǎng)方向一致的導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生位移電流。
電場(chǎng)強(qiáng)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(shù)米長的導(dǎo)線，當(dāng)其流過數(shù)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(qiáng)度，就可以在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的電流。可見，電場(chǎng)作用效力之大，其干擾能力之強(qiáng)。
電感器和變壓器是磁場(chǎng)最集中的元件，流過變壓器次級(jí)線圈的電流是感應(yīng)電流。這個(gè)感應(yīng)電流是因?yàn)樽儔浩鞒跫?jí)線圈中有電流流過時(shí)，產(chǎn)生磁感應(yīng)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(yīng)線圈。當(dāng)電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線穿過某電路時(shí)，此電路作為變壓器的“次級(jí)線圈”就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)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(jí)線圈”，而另一個(gè)回路可以看成是變壓器的“次級(jí)線圈”，因此兩個(gè)相鄰回路同樣產(chǎn)生電磁感應(yīng)，即互相產(chǎn)生干擾。
在電子線路中只要有電場(chǎng)或磁場(chǎng)存在，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)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(jì)
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(shí)越來越多的產(chǎn)品也都含有數(shù)字電路，以提供更多的應(yīng)用功能。開關(guān)電源電路和數(shù)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(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。下面以一個(gè)開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析。
圖1是一個(gè)普遍應(yīng)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(chǔ)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(fù)載回路供電。圖2是進(jìn)行過電磁兼容設(shè)計(jì)后的電氣原理圖。
因此在輸入電壓的一個(gè)周期內(nèi)，整流二極管的導(dǎo)通時(shí)間很短，即導(dǎo)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。
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(shí)產(chǎn)生磁飽和。一般差模濾波電感器的兩個(gè)組線圈都各自留有一個(gè)漏感磁回路。L1差模濾波電感可根據(jù)試驗(yàn)求得，也可以根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)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。
(2)對(duì)振鈴電壓的抑制。由于變壓器的初級(jí)有漏感，當(dāng)電源開關(guān)管V1由飽和導(dǎo)通到截止關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，反電動(dòng)勢(shì)又會(huì)對(duì)變壓器初級(jí)線圈的分布電容進(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。
圖2中的D1，R2，C6是抑制反電動(dòng)勢(shì)和振鈴電壓幅度的有效電路，當(dāng)變壓器初級(jí)漏感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)通過二極管D1對(duì)電容器C6進(jìn)行充電，相當(dāng)于電容器吸收反電動(dòng)勢(shì)的能量，從而降低了反電動(dòng)勢(shì)和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿電后，又會(huì)通過R2放電，正確選擇RC放電的時(shí)間常數(shù)，使電容器在下次充電時(shí)，其剩余電壓剛好等于方波電壓幅度，此時(shí)電源的工作效率最高。
(3)對(duì)傳導(dǎo)干擾信號(hào)的抑制。圖1中，當(dāng)電源開關(guān)管V1導(dǎo)通或者截止時(shí)，在電容器C5、變壓器T1的初級(jí)和電源開關(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(jí)線圈”。由于電流i1的變化速率很高，它在“初級(jí)線圈”中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)
評(píng)論