- 電磁兼容概念介紹
- 通過(guò)舉例對開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計，介紹了一般電子產(chǎn)品中電磁干擾的解決方法
- 開(kāi)關(guān)電源電路和數字電路中的時(shí)鐘電路是目前電子產(chǎn)品中最主要的電磁干擾源
- 解決整流電路中出現脈沖尖峰電流過(guò)大的方法是在整流電路中串聯(lián)一個(gè)PFC
- 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，但不能提高功率因素
正文：
一個(gè)好的電子產(chǎn)品，除了產(chǎn)品自身的功能以外，電路設計（ECD）和電磁兼容設計（EMCD）的技術(shù)水平，對產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)性能指標起到非常關(guān)鍵的作用。
現代的電子產(chǎn)品，功能越來(lái)越強大，電子線(xiàn)路也越來(lái)越復雜，以前在電子線(xiàn)路設計中很少出現的電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）問(wèn)題，現在反而變成了主要問(wèn)題，電路設計對設計師的技術(shù)水平要求也越來(lái)越高。CAD（計算機輔助設計）在電子線(xiàn)路設計方面的應用，很大程度地拓寬了電路設計師的工作能力，但電磁兼容設計，盡管目前采用了世界上最先進(jìn)的CAD技術(shù)，還是很難幫得上忙。
電磁兼容設計實(shí)際上就是針對電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾（Electromagnetic Interference）進(jìn)行優(yōu)化設計，使之能成為符合各國或地區電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）標準的產(chǎn)品。EMC 的定義是：在同一電磁環(huán)境中，設備能夠不因為其它設備的干擾影響正常工作，同時(shí)也不對其它設備產(chǎn)生影響工作的干擾。
電磁干擾（Electromagnetic Interference）一般都分為兩種，傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指通過(guò)導電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的信號耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號耦合（干擾）到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。因此對EMC 問(wèn)題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設備三者之間關(guān)系的研究。
自從電子系統降噪技術(shù)在70 年代中期出現以來(lái)，主要由于美國聯(lián)邦通訊委員會(huì )在1990 年和歐盟在1992 提出了對商業(yè)數碼產(chǎn)品的有關(guān)規章，這些規章要求各個(gè)公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴格的磁化系數和發(fā)射準則。符合這些規章的產(chǎn)品稱(chēng)為具有電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。目前全球各地區基本都設置了EMC 相應的市場(chǎng)準入認證，用以保護本地區的電磁環(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 人證、臺灣地區的BSMI認證、中國的3C 認證等都是進(jìn)入這些市場(chǎng)的“通行證”。
很多人從事電子線(xiàn)路設計的時(shí)候，都是從認識電子元器件開(kāi)始，但從事電磁兼容設計的時(shí)候卻無(wú)從下手。實(shí)際上從事電磁兼容設計是從電磁場(chǎng)理論開(kāi)始，即從電磁感應認識開(kāi)始。
電磁感應與電磁干擾
一般電子線(xiàn)路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線(xiàn)組成，當電路中有電壓存在的時(shí)候，在所有帶電的元器件周?chē)紩?huì )產(chǎn)生電場(chǎng)，當電路中有電流流過(guò)的時(shí)候，在所有載流體的周?chē)即嬖诖艌?chǎng)。
電容器是電場(chǎng)最集中的元件，流過(guò)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(guò)電場(chǎng)感應，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(méi)有真正流過(guò)電容器，而只是對電容器進(jìn)行充放電。當電容器的兩個(gè)極板張開(kāi)時(shí)，我們就可以把兩個(gè)極板看成是一組電場(chǎng)輻射天線(xiàn)，此時(shí)在兩個(gè)極板之間的電路都會(huì )對極板之間的電場(chǎng)產(chǎn)生感應。在兩極板之間的電路不管是閉合回路，或者是開(kāi)路，在與電場(chǎng)方向一致的導體中都會(huì )產(chǎn)生位移電流（當電場(chǎng)的方向不斷改變時(shí)），即電流一會(huì )兒向前跑，一會(huì )兒向后跑。
電場(chǎng)強度的定義是電位梯度，即兩點(diǎn)之間的電位差與距離之比。一根數米長(cháng)的導線(xiàn)，當其流過(guò)數安培的電流時(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)強度，就可以在導體內產(chǎn)生數安培的電流，可見(jiàn)電場(chǎng)作用效力之大，其干擾能力之強。
電感器和變壓器是磁場(chǎng)最集中的元件，流過(guò)變壓器次級線(xiàn)圈的電流是感應電流，這個(gè)感應電流是因為變壓器初級線(xiàn)圈中有電流流過(guò)時(shí)，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(gè)“變壓器”的感應線(xiàn)圈，當電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線(xiàn)穿過(guò)某個(gè)電路時(shí)，此電路作為“變壓器”的“次級線(xiàn)圈”就會(huì )產(chǎn)生感應電流。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(xiàn)圈”，而另一個(gè)回路可以看成是“變壓器”的“次級線(xiàn)圈”，因此兩個(gè)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(xiàn)路中只要有電場(chǎng)或磁場(chǎng)存在，就會(huì )產(chǎn)生電磁干擾（Electromagnetic Interference），兩者是相輔相成的，因為電場(chǎng)會(huì )產(chǎn)生位移電流，電流又會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。在高速PCB及系統設計中，高頻信號線(xiàn)、集成電路的引腳、各類(lèi)接插件等都可能成為具有天線(xiàn)特性的輻射干擾源，能發(fā)射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。
電磁兼容設計
目前大多數電子產(chǎn)品都選用開(kāi)關(guān)電源供電，以節省能源和提高工作效率；同時(shí)越來(lái)越多的產(chǎn)品也都含有數字電路，以提供更多的應用功能。開(kāi)關(guān)電源電路和數字電路中的時(shí)鐘電路是目前電子產(chǎn)品中最主要的電磁干擾源，它們是電磁兼容設計的主要內容。下面我們以一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計過(guò)程來(lái)進(jìn)行分析。
圖1 是一個(gè)普遍應用的反激式（或稱(chēng)為回掃式）開(kāi)關(guān)電源工作原理圖，50Hz 或60Hz 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(kāi)關(guān)管V1組成的負載回路供電。圖2 是進(jìn)行過(guò)電磁兼容設計后的電原理圖。
a.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Ui大于電容器C5 兩端電壓的時(shí)候，整流二極管才導通，因此在輸入電壓的一個(gè)周期內，整流二極管的導通時(shí)間很短，即導通角很小。這樣整流電路中將出現脈沖尖峰電流，如圖3 所示。
這種脈沖尖峰電流如用付立葉級數展開(kāi)，將被看成由非常多的高次諧波電流組成，這些諧波電流將會(huì )降低電源設備的使用效率，即功率因數很低，并會(huì )倒灌到電網(wǎng)，對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，嚴重時(shí)還會(huì )引起電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，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脈沖尖峰電流過(guò)大的方法是在整流電路中串聯(lián)一個(gè)PFC（Power Factor corrector）功率因素矯正電路，或差模濾波電感器。PFC 功率因素矯正電路一般為一個(gè)并聯(lián)式升壓開(kāi)關(guān)電源，其輸出電壓一般為DC400V，沒(méi)有經(jīng)功率因素矯正之前的電源設備，其功率因數一般只有0.4~0.6，經(jīng)功率因素矯正后功率因數最高可達到0.98。功率因素矯正電路雖然可以完全解決整流電路中出現脈沖尖峰電流過(guò)大的問(wèn)題，但又會(huì )帶來(lái)新的高頻干擾問(wèn)題，這同樣也要進(jìn)行嚴格的EMC 電磁兼容設計。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，但不能提高功率因素。
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(guò)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(xiàn)圈都各自留有一個(gè)漏感磁回路。
L1 差模濾波電感可根據試驗求得，也可以根據下式進(jìn)行計算：
式中E為輸入電壓Ui與電容器C5 兩端電壓的差值，即L1 兩端的電壓降，L為電感量，dt/di 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。
