淺談電路的EMC干擾

　　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(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)品的競爭優(yōu)勢。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產(chǎn)生電場，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。

　　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(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，通過電場感應(yīng)，兩個(gè)極板會產(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輻射天線，此時(shí)在兩個(gè)極板之間的電路都會對極板之間的電場產(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)電場方向不斷改變時(shí)，在與電場方向一致的導(dǎo)體中都會產(chǎn)生位移電流。

　　電場強(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，電場作用效力之大，其干擾能力之強(qiáng)。

　　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(yīng)電流。這個(gè)感應(yīng)電流是因?yàn)樽儔浩鞒跫壘€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“次級線圈”就會產(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“初級線圈”，而另一個(gè)回路可以看成是變壓器的“次級線圈”，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(jì)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(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。

　　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(dāng)輸入電壓Uin大于電容器C5兩端電壓的時(shí)候，整流二極管才導(dǎo)通。

　　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。

　　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(dāng)嚴(yán)重時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(gè)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(dá)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(jìn)行嚴(yán)格的EMC設(shè)計(jì)。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(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：