??? 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(shè)計(jì)(ECD)和電磁兼容設(shè)計(jì)" title="電磁兼容設(shè)計(jì)">電磁兼容設(shè)計(jì)(EMCD)的技術(shù)水平，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)性能指標(biāo)起到非常關(guān)鍵的作用。本文通過舉例對(duì)開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)，介紹了一般電子產(chǎn)品中電磁干擾" title="電磁干擾">電磁干擾的解決方法。
??? 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，以前在電子線路設(shè)計(jì)中很少出現(xiàn)的電磁干擾(EMI)和電磁兼容性(EMC)問題，現(xiàn)在反而變成了主要問題，電路設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)師的技術(shù)水平要求也越來越高。CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))在電子線路設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，很大程度地拓寬了電路設(shè)計(jì)師的工作能力，但電磁兼容設(shè)計(jì)，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(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(Electromagnetic Interference)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之能成為符合各國或地區(qū)電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)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)其它設(shè)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(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)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空間把其信號(hào)耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。因此對(duì)EMC問題的研究就是對(duì)干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三者之間關(guān)系的研究。
??? 自從電子系統(tǒng)降噪技術(shù)在70年代中期出現(xiàn)以來，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(duì)商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章，這些規(guī)章要求各個(gè)公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。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人證、臺(tái)灣的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”。
??? 很多人從事電子線路設(shè)計(jì)的時(shí)候，都是從認(rèn)識(shí)電子元器件開始，但從事電磁兼容設(shè)計(jì)的時(shí)候卻無從下手。實(shí)際上從事電磁兼容設(shè)計(jì)是從電磁場理論開始，即從電磁感應(yīng)認(rèn)識(shí)開始。
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一、電磁感應(yīng)與電磁干擾
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??? 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，當(dāng)電路中有電壓存在的時(shí)候，在所有帶電的元器件周圍都會(huì)產(chǎn)生電場，當(dāng)電路中有電流流過的時(shí)候，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" title="極板">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(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)，我們就可以把兩個(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(huì)對(duì)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合回路，或者是開路，在與電場方向一致的導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生位移電流(當(dāng)電場的方向不斷改變時(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(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)生的磁力線穿過某個(gè)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或磁場存在，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(Electromagnetic Interference)，兩者是相輔相成的，因?yàn)殡妶鰰?huì)產(chǎn)生位移電流，電流又會(huì)產(chǎn)生磁場。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。
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二、電磁兼容設(shè)計(jì)
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??? 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。下面我們以一個(gè)開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)過程來進(jìn)行分析。
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??? 圖1是一個(gè)普遍應(yīng)用的反激式(或稱為回掃式)開關(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(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)后的電原理圖。
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1、對(duì)電流諧波的抑制
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??? 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Ui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。
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??? 這種脈沖尖峰電流如用付立葉級(jí)數(shù)展開，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(shè)備的使用效率，即功率因數(shù)很低，并會(huì)倒灌到電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，嚴(yán)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(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)PFC(Power Factor corrector)功率因素" title="功率因素">功率因素矯正電路，或差模" title="差模">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)式升壓開關(guān)電源，其輸出電壓一般為DC400V，沒有經(jīng)功率因素矯正之前的電源設(shè)備，其功率因數(shù)一般只有0.4~0.6，經(jīng)功率因素矯正后功率因數(shù)最高可達(dá)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(xiàn)脈沖尖峰電流過大的問題，但又會(huì)帶來新的高頻干擾問題，這同樣也要進(jìn)行嚴(yán)格的EMC電磁兼容設(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：
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??? E=L(di/di) （1）
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??? 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，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。