电子线路与电磁干扰/电磁兼容设计分析深度长文值得进修

一个好的电子产品，除了产品自身的功能以外，电路设计和电磁兼容性(EMC)设计的技能水平，对产品的质量和技能性能指标起到非常关键的浸染。
本文通过举例对开关电源的电磁兼容设计，先容了一样平常电子产品中电磁滋扰的办理方法。

现 代的电子产品，功能越来越强大，电子线路也越来越繁芜，电磁滋扰(EMI)和电磁兼容性问题变成了紧张问题，电路设计对设计师的技能水平哀求也越来越高。
前辈的打算机赞助设计(CAD)在电子线路设计方面很大程度地拓宽了电路设计师的事情能力，但对付电磁兼容设计的帮助却很有限。

电磁兼容 设计实际上便是针对电子产品中产生的电磁滋扰进行优化设计，使之能成为符合各国或地区电磁兼容性标准的产品。
EMC的定义是：在同一电磁环境中，设备能够 不由于其它设备的滋扰影响正常事情，同时也不对其它设备产生影响事情的滋扰。
图1：反激式(或称回扫式)开关电源事情事理图。

电磁滋扰一样平常都分为两种，传导滋扰和辐射滋扰。
传导滋扰是指通过导电介质把一个电网络上的旗子暗记耦合(滋扰)到另一个电网络。
辐射滋扰是指滋扰源通过空间把其旗子暗记耦合(滋扰)到另一个电网络。
因此对EMC问题的研究便是对滋扰源、耦合路子、敏感设备三者之间关系的研究。

美国联邦通讯委员会在1990年、欧盟在1992提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章哀求各个公司确保他们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。
符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性。

目 前环球各地区基本都设置了EMC相应的市场准入认证，用以保护本地区的电磁环境和本当地货物的竞争上风。
如：北美的FCC、NEBC认证、欧盟的CE认证、 日本的VCCEI认证、澳洲的C-tick人证、台湾地区的BSMI认证、中国的3C认证等都是进入这些市场的“通畅证”。

电磁感应与电磁滋扰

很多人从事电子线路设计的时候，都是从认识电子元器件开始，但从事电磁兼容设计实际上应从电磁场理论开始，即从电磁感应认识开始。

一样平常电子线路都是由电阻器、电容器、电感器、变压器、有源器件和导线组成，当电路中有电压存在的时候，在所有带电的元器件周围都会产生电场，当电路中有电流流过的时候，在所有载流体的周围都存在磁场。

电 容器是电场最集中的元件，流过电容器的电流是位移电流，这个位移电流是由于电容器的两个极板带电，并在两个极板之间产生电场，通过电场感应，两个极板会产 生充放电，形成位移电流。
实际上电容器回路中的电流并没有真正流过电容器，而只是对电容器进行充放电。
当电容器的两个极板伸开时，可以把两个极板算作是一 组电场辐射天线，此时在两个极板之间的电路都会对极板之间的电场产生感应。
在两极板之间的电路不管是闭合回路，或者是开路，在与电场方向同等的导体中都会 产生位移电流（当电场的方向不断改变时），即电流一下子向前跑，一下子向后跑。

电场强度的定义是电位梯度，即两点之间的电位差与间隔之 比。
一根数米长的导线，当其流过数安培的电流时，其两端电压最多也只有零点几伏，即几十毫伏/米的电场强度，就可以在导体内产生数安培的电流，可见电场作 用效力之大，其滋扰能力之强。
图2：进行过电磁兼容设计后的反激式开关电源电气事理图。

电感器和变压器是磁场最集中的元件，流过变压器次 级线圈的电流是感应电流，这个感应电流是由于变压器低级线圈中有电流流过期，产生磁感应而产生的。
在电感器和变压器周边的电路，都可算作是一个变压器的感 应线圈，当电感器和变压器漏感产生的磁力线穿过某个电路时，此电路作为变压器的“次级线圈”就会产生感应电流。
两个相邻回路的电路，也同样可以把个中的一 个回路算作是变压器的“低级线圈”，而另一个回路可以算作是变压器的“次级线圈”，因此两个相邻回路同样产生电磁感应，即相互产生滋扰。

在电子线路中只要有电场或磁场存在，就会产生电磁滋扰。
在高速PCB及系统设计中，高频旗子暗记线、集成电路的引脚、各种接插件等都可能成为具有天线特性的辐射滋扰源，能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其他子系统的正常事情。

开关电源EMC设计实例

目 前大多数电子产品都选用开关电源供电，以节省能源和提高事情效率；同时越来越多的产品也都含有数字电路，以供应更多的运用功能。
开关电源电路和数字电路中 的时钟电路是目前电子产品中最紧张的电磁滋扰源，它们是电磁兼容设计的紧张内容。
下面我们以一个开关电源的电磁兼容设计过程来进行剖析。

图1是一个普遍运用的反激式（或称为回扫式）开关电源事情事理图，50Hz或60Hz互换电网电压首先经整流堆整流，并向储能滤波电容器C5充电，然后向变压器T1与开关管V1组成的负载回路供电。
图2是进行过电磁兼容设计后的电气事理图。

1、对电流谐波的抑制

一样平常电容器C5的容量很大，其两端电压纹波很小，大约只有输入电压的10%旁边，而仅当输入电压Ui大于电容器C5两端电压的时候，整流二极管才导通，因此在输入电压的一个周期内，整流二极管的导通韶光很短，即导通角很小。
这样整流电路中将涌现脉冲尖峰电流，如图3所示。

这 种脉冲尖峰电流如用傅立叶级数展开，将被算作由非常多的高次谐波电流组成，这些谐波电流将会降落电源设备的利用效率，即功率因数很低，并会倒灌到电网，对 电网产生污染，严重时还会引起电网频率的颠簸，即互换电源闪烁。
脉冲电流谐波和互换电源闪烁测试标准为：IEC61000-3-2及 IEC61000-3-3。
一样平常测试脉冲电流谐波的上限是40次谐波频率。

办理整流电路中涌现脉冲尖峰电流过大的方法是在整流电路中串联 一个功率因数校正(PFC)电路，或差模滤波电感器。
PFC电路一样平常为一个并联式升压开关电源，其输出电压一样平常为直流400V，没有经功率因数校正之前的 电源设备，其功率因数一样平常只有0.4~0.6，经校正后最高可达到0.98。
PFC电路虽然可以办理整流电路中涌现脉冲尖峰电流过大的问题，但又会带来新 的高频滋扰问题，这同样也要进行严格的EMC设计。
用差模滤波电感器可以有效地抑制脉冲电流的峰值，从而降落电流谐波滋扰，但不能提高功率因数。

图2中的L1为差模滤波电感器，差模滤波电感器一样平常用矽钢片材料制作，以提高电感量，为了防止大电流流过差模滤波电感器时产生磁饱和，一样平常差模滤波电感器的两个组线圈都各自留有一个漏感磁回路。

L1差模滤波电感可根据试验求得，也可以根据下式进行打算：图3：整流电路的脉冲尖峰电流。

E=Ldi/dt (1)

式中E为输入电压Ui与电容器C5两端电压的差值，即L1两端的电压降，L为电感量，di/dt为电流上升率。
显然，哀求电流上升率越小，则哀求电感量就越大。

2、对振铃电压的抑制

由 于变压器的低级有漏感，当电源开关管V1由饱和导通到截止关断时会产生反电动势，反电动势又会对变压器低级线圈的分布电容进行充放电，从而产生阻尼振荡， 即产生振铃，如图4所示。
变压器低级漏感产生反电动势的电压幅度一样平常都很高，其能量也很大，如不采纳保护方法，反电动势一样平常都会把电源开关管击穿，同时反 电动势产生的阻尼振荡还会产生很强的电磁辐射，不但对机器本身造成严重滋扰，对机器周边环境也会产生严重的电磁滋扰。

图2中的D1、 R2、C6是抑制反电动势和振铃电压幅度的有效电路，当变压器低级漏感产生反电动势时，反电动势通过二极管D1对电容器C6进行充电，相称于电容器把反电 动势的能量接管掉，从而降落了反电动势和振铃电压的幅度。
电容器C6充满电后，又会通过R2放电，精确选择RC放电的韶光常数，使电容器不才次充电时的剩 余电压刚好即是方波电压的幅度，此时电源的事情效率最高。

3、对传导滋扰旗子暗记的抑制

图1中，当电源开关管V1导通或者关 断时，在电容器C5、变压器T1的低级和电源开关管V1组成的电路中会产生脉动直流i1，如果把此电流回路算作是一个变压器的“低级线圈”，由于电流i1 的变革速率很高，它在“低级线圈”中产生的电磁感应，也会对周围电路产生电磁感应，我们可以把周围电路都算作是同一变压器的多个“次级线圈”，同时变压器 T1的漏感也同样对各个“次级线圈”产生感应浸染，因此电流i1通过电磁感应，在每个“次级线圈”中都会产生的感应电流，我们分别把它们记为i2、i3、 i4 。

个中i2和i3是差模滋扰旗子暗记，它们可以通过两根电源线传导到电网的其它线路之中和滋扰其它电子设备；i4是共模滋扰信 号，它是电流i1回路通过电磁感应其它电路与大地或机壳组成的回路产生的，并且其它电路与大地或机壳是通过电容耦合构成回路的，共模滋扰旗子暗记可以通过电源 线与大地传导到电网其它线路之中和滋扰其它电子设备。

与电源开关管V1的集电极相连的电路，也是产生共模滋扰旗子暗记的紧张缘故原由，由于在全体 开关电源电路中，数电源开关管V1集电极的电位最高，最高可达600V以上，其它电路的电位都比它低，因此电源开关管V1的集电极与其它电路(也包括电源 输入真个引线)之间存在很强的电场，在电场的浸染下，电路会产生位移电流，这个位移电流基本属于共模滋扰旗子暗记。

图2中的电容器C1、C2和差模电感器L1对i1、i2和i3差模滋扰旗子暗记有很强的抑制能力。
由于C1、C2在电源线拔出时还会带电，随意马虎触电伤人，以是在电源输入的两端要接一个放电电阻R1。
图4：反电动势又会对变压器低级线圈的分布电容进行充放电，从而产生阻尼振荡。

对 共模滋扰旗子暗记i4要进行完备抑制，一样平常很困难，特殊是没有金属机壳屏蔽的情形下，由于在感应产生共模滋扰旗子暗记的回路中，个中的一个“元器件”是线路板与大 地之间的等效电容，此“元器件”的数值一样平常是不稳定的，进行设计时对指标要留有足够的余量。
图2中L2和C3、C4是共模滋扰旗子暗记抑制电路器件，在输入功 率较大的电路中，L2一样平常要用两个，乃至三个，个中一个多为环形磁心电感。

根据上面剖析，产生电磁滋扰的缘故原由紧张是i1流过的紧张回路，这个回路紧张由电容器C5、变压器T1低级和电源开关管V1组成，根据电磁感应事理，这个回路产生的感应电动势为：

e=d/dt=SdB/dt (2)

式 中e为感应电动势，为磁通量，S电流回路的面积，B为磁感应密度，其值与电流强度成正比，d/dt为磁通变革率。
由此可见，感应电动势与电流回路的面 积成正比。
因此要减少电磁滋扰，首先是要设法减小电流回路的面积，特殊是i1电流流过的回路面积。
其余，为了减少变压器漏感对周围电路产生电磁感应的影 响，一方面哀求变压器的漏感要做得小，另一方面一定要在变压器的外围包一层薄铜皮，以构成一个低阻抗短路线圈，把漏感产生的感应能量通过涡流损耗掉。

4、对辐射滋扰旗子暗记的抑制

电 磁辐射滋扰也是通过电磁感应的办法，由带电体或电流回路及磁感应回路对外产生电磁辐射的。
任何一根导体都可以算作是一根电磁感应天线，任何一个电流回路都 可以算作是一个环形天线，电感线圈和变压器漏感也是电磁感应辐射的主要器件。
要想完备抑制电磁辐射是不可能的，但通过对电路进行合理设计，或者采纳部分屏 蔽方法，可以大大减轻电磁滋扰的辐射。

例如，只管即便缩短电路引线的长度和减小电流回路的面积，是减小电磁辐射的有效方法；精确利用储能滤波 电容，把储能滤波电容只管即便近地安装在有源器件电源引线的两端，每个有源器件独立供电，或单独用一个储能滤波电容供电(充满电的电容可以算作是一个独立电 源)，防止各电路中的有源器件(放大器)通过电源线和地线产生串扰；把电源引线的地和旗子暗记源的地严格分开，或对旗子暗记引线采纳双线并行对中交叉的方法，让干 扰旗子暗记相互抵消，也是一种减小电磁辐射的有效方法；利用散热片也可以对电磁滋扰进行局部屏蔽，对旗子暗记引线还可以采纳双地线并行屏蔽的方法，让旗子暗记线夹在两 条平行地线的中间，这相称于双回路，滋扰旗子暗记也会相互抵消，屏蔽效果非常显著；机器或敏感器件采取金属外壳是最好的屏蔽电磁滋扰方法，但非金属外壳也可以 喷涂导电材料(如石墨)进行电磁滋扰屏蔽。

5、对高压的静电的肃清

图1中，如果输出电压高于1,000V，必须考虑静电 肃清。
虽然大多数的开关电源都采纳变压器进行“冷热地”隔离，由于“热地”，也叫“低级地”，通过电网可构成回路，当人体打仗到“低级地”的时候会“触 电”，以是人们都把“低级地”叫做“热地”，表示不能触摸的意思。
而“冷地”也叫“次级地”，只管电压很高，但它与大地不构成回路，当人体打仗到“次级 地”的时候不会“触电”，因此，人们都把“次级地”叫做“冷地”，表示可以触摸的意思。

但不管是\"大众冷地\"大众或者是\公众热地\"大众，其对大地的电位差都不可能是零，即还是会带电。
如彩色电视机中的开关电源，\"大众热地\"大众对大地的电位差大约有400VP-P(峰峰值)，\"大众冷地\公众对大地的电位差大约有1500VP-P(峰峰值)。

“热 地”带电比较好理解，而\"大众冷地\"大众带电一样平常人是难以理解的。
那么\"大众冷地\"大众带电这个电压是若何产生的呢？这个电压是由变压器次级产生的，虽然变压器次级的一端 与“冷地”连接，但真正的零电位是在变压器次级线圈的中央，或整流输出滤波电容器介质的中间。
这一点称为电源的“浮地”，即它为零电位，但又不与大地相 连。
由此可知“冷地”带电的电压恰好即是输出电压的一半，如电视机显像管的高压阳极须要大约3万伏的高压，真正的零电位是在高压滤波电容(显像管石墨层之 间的电容)的中间，或高压包的中间抽头处，由此可以求出电视机中的冷地与地之间的电压(静电)大约为1,5000V。
同理，“热地”回路的“浮地”是在储 能滤波电容器C5的中间，以是“热地”正常的带电电压为整流输出的一半，约为200 VP(峰值)，如把开关管导通或截止时产生的反电动势也叠加在其之上，大约有400VP-P(峰峰值)。

图2中的R3便是用来降落冷地与大地之间静电电压的，C8的浸染是降落冷热地之间的动态电阻。
一样平常数字电路IC的耐压都很低，如果“冷地”带电的电压很高，通过静电感应，或人体触摸，很随意马虎就会把IC击穿。

“冷地”带电是属于静电的范畴，它只相称于对一个小电容充电，这个小电容的一端是大地，电容量相称于“冷地”对大地之间的等效电容。
其余，图2中的C1、C2、C3、C4、C8、R1、R8、T1属于安全器件，利用时要把稳安全哀求。

EMC常用标准：

EMC通用系列标准：IEC61000-4-X

工业环境抗扰度通用标准：EN50082-2

脉冲电流谐波测试标准：IEC61000-3-2

互换电源闪烁测试标准：IEC61000-3-3