电子线路与电磁干扰/电磁兼容设计分析

一个好的电子产品，除了产品自身的功能之外，电路设计和电磁兼容性(EMC)设计的技术水平，对产品的质量和技术性能指标起到很是关键的做用。本文经过举例对开关电源的电磁兼容设计，介绍了通常电子产品中电磁干扰的解决方法。

现 代的电子产品，功能愈来愈强大，电子线路也愈来愈复杂，电磁干扰(EMI)和电磁兼容性问题变成了主要问题，电路设计对设计师的技术水平要求也愈来愈高。 先进的计算机辅助设计(CAD)在电子线路设计方面很大程度地拓宽了电路设计师的工做能力，但对于电磁兼容设计的帮助却颇有限。

电磁兼容 设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰进行优化设计，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，设备可以 不由于其它设备的干扰影响正常工做，同时也不对其它设备产生影响工做的干扰。图1：反激式(或称回扫式)开关电源工做原理图。

电磁干扰通常都分为两种，传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指经过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另外一个电网络。辐射干扰是指干扰源经过空间把其信号耦合(干扰)到另外一个电网络。所以对EMC问题的研究就是对干扰源、耦合途径、敏感设备三者之间关系的研究。

美国联邦通信委员会在1990年、欧盟在1992提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要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备电磁兼容性。

目 前全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土产品的竞争优点。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“通行证”。

电磁感应与电磁干扰

不少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。

通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，在全部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，在全部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，这个位移电流是因为电容器的两个极板带电，并在两个极板之间产生电场，经过电场感应，两个极板会产 生充放电，造成位移电流。实际上电容器回路中的电流并无真正流过电容器，而只是对电容器进行充放电。当电容器的两个极板张开时，能够把两个极板当作是一 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论是闭合回路，或者是开路，在与电场方向一致的导体中都会 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距离之 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，就能够在导体内产生数安培的电流，可见电场做 用效力之大，其干扰能力之强。图2：进行过电磁兼容设计后的反激式开关电源电气原理图。

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初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，均可当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，此电路做为变压器的“次级线圈”就会产生感应电流。两个相邻回路的电路，也一样能够把其中的一 个回路当作是变压器的“初级线圈”，而另外一个回路能够当作是变压器的“次级线圈”，所以两个相邻回路一样产生电磁感应，即互相产生干扰。

在电子线路中只要有电场或磁场存在，就会产生电磁干扰。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各种接插件等均可能成为具备天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其余子系统的正常工做。

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，以节省能源和提升工做效率；同时愈来愈多的产品也都含有数字电路，以提供更多的应用功能。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主要的电磁干扰源，它们是电磁兼容设计的主要内容。下面咱们以一个开关电源的电磁兼容设计过程来进行分析。

图1是一个广泛应用的反激式（或称为回扫式）开关电源工做原理图，50Hz或60Hz交流电网电压首先经整流堆整流，并向储能滤波电容器C5充电，而后向变压器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原理图。

一、对电流谐波的抑制

通常电容器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%左右，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，所以在输入电压的一个周期内，整流二极管的导通时间很短，即导通角很小。这样整流电路中将出现脉冲尖峰电流，如图3所示。

这 种脉冲尖峰电流如用傅立叶级数展开，将被当作由很是多的高次谐波电流组成，这些谐波电流将会下降电源设备的使用效率，即功率因数很低，并会倒灌到电网，对 电网产生污染，严重时还会引发电网频率的波动，即交流电源闪烁。脉冲电流谐波和交流电源闪烁测试标准为：IEC61000-3-2及 IEC61000-3-3。通常测试脉冲电流谐波的上限是40次谐波频率。

解决整流电路中出现脉冲尖峰电流过大的方法是在整流电路中串联 一个功率因数校订(PFC)电路，或差模滤波电感器。PFC电路通常为一个并联式升压开关电源，其输出电压通常为直流400V，没有经功率因数校订以前的 电源设备，其功率因数通常只有0.4~0.6，经校订后最高可达到0.98。PFC电路虽然能够解决整流电路中出现脉冲尖峰电流过大的问题，但又会带来新 的高频干扰问题，这一样也要进行严格的EMC设计。用差模滤波电感器能够有效地抑制脉冲电流的峰值，从而下降电流谐波干扰，但不能提升功率因数。

图2中的L1为差模滤波电感器，差模滤波电感器通常用矽钢片材料制做，以提升电感量，为了防止大电流流过差模滤波电感器时产生磁饱和，通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，也能够根据下式进行计算：图3：整流电路的脉冲尖峰电流。

E=L*di/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，要求电流上升率越小，则要求电感量就越大。

二、对振铃电压的抑制

由 于变压器的初级有漏感，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初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。变压器初级漏感产生反电动势的电压幅度通常都很高，其能量也很大，如不采起保护措施，反电动势通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，不但对机器自己形成严重干扰，对机器周边环境也会产生严重的电磁干扰。

图2中的D一、 R二、C6是抑制反电动势和振铃电压幅度的有效电路，当变压器初级漏感产生反电动势时，反电动势经过二极管D1对电容器C6进行充电，至关于电容器把反电 动势的能量吸取掉，从而下降了反电动势和振铃电压的幅度。电容器C6充满电后，又会经过R2放电，正确选择RC放电的时间常数，使电容器在下次充电时的剩 余电压恰好等于方波电压的幅度，此时电源的工做效率最高。

三、对传导干扰信号的抑制

图1中，当电源开关管V1导通或者关 断时，在电容器C五、变压器T1的初级和电源开关管V1组成的电路中会产生脉动直流i1，若是把此电流回路当作是一个变压器的“初级线圈”，因为电流i1 的变化速率很高，它在“初级线圈”中产生的电磁感应，也会对周围电路产生电磁感应，咱们能够把周围电路都当作是同一变压器的多个“次级线圈”，同时变压器 T1的漏感也一样对各个“次级线圈”产生感应做用，所以电流i1经过电磁感应，在每一个“次级线圈”中都会产生的感应电流，咱们分别把它们记为i二、i三、 i4 ···。

其中i2和i3是差模干扰信号，它们能够经过两根电源线传导到电网的其它线路之中和干扰其它电子设备；i4是共模干扰信 号，它是电流i1回路经过电磁感应其它电路与大地或机壳组成的回路产生的，而且其它电路与大地或机壳是经过电容耦合构成回路的，共模干扰信号能够经过电源 线与大地传导到电网其它线路之中和干扰其它电子设备。

与电源开关管V1的集电极相连的电路，也是产生共模干扰信号的主要缘由，由于在整个 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，所以电源开关管V1的集电极与其它电路(也包括电源 输入端的引线)之间存在很强的电场，在电场的做用下，电路会产生位移电流，这个位移电流基本属于共模干扰信号。

图2中的电容器C一、C2和差模电感器L1对i一、i2和i3差模干扰信号有很强的抑制能力。因为C一、C2在电源线拔出时还会带电，容易触电伤人，因此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初级线圈的分布电容进行充放电，从而产生阻尼振荡。

对 共模干扰信号i4要进行彻底抑制，通常很困难，特别是没有金属机壳屏蔽的状况下，由于在感应产生共模干扰信号的回路中，其中的一个“元器件”是线路板与大 地之间的等效电容，此“元器件”的数值通常是不稳定的，进行设计时对指标要留有足够的余量。图2中L2和C三、C4是共模干扰信号抑制电路器件，在输入功 率较大的电路中，L2通常要用两个，甚至三个，其中一个多为环形磁心电感。

根据上面分析，产生电磁干扰的缘由主要是i1流过的主要回路，这个回路主要由电容器C五、变压器T1初级和电源开关管V1组成，根据电磁感应原理，这个回路产生的感应电动势为：

e=dψ/dt=S*dB/dt (2)

式 中e为感应电动势，ψ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，dψ/dt为磁通变化率。因而可知，感应电动势与电流回路的面 积成正比。所以要减小电磁干扰，首先是要设法减少电流回路的面积，特别是i1电流流过的回路面积。另外，为了减小变压器漏感对周围电路产生电磁感应的影 响，一方面要求变压器的漏感要作得小，另外一方面必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经过涡流损耗掉。

四、对辐射干扰信号的抑制

电 磁辐射干扰也是经过电磁感应的方式，由带电体或电流回路及磁感应回路对外产生电磁辐射的。任何一根导体均可以当作是一根电磁感应天线，任何一个电流回路都 能够当作是一个环形天线，电感线圈和变压器漏感也是电磁感应辐射的重要器件。要想彻底抑制电磁辐射是不可能的，但经过对电路进行合理设计，或者采起部分屏 蔽措施，能够大大减轻电磁干扰的辐射。

例如，尽可能缩短电路引线的长度和减少电流回路的面积，是减少电磁辐射的有效方法；正确使用储能滤波 电容，把储能滤波电容尽可能近地安装在有源器件电源引线的两端，每一个有源器件独立供电，或单独用一个储能滤波电容供电(充满电的电容能够当作是一个独立电 源)，防止各电路中的有源器件(放大器)经过电源线和地线产生串扰；把电源引线的地和信号源的地严格分开，或对信号引线采起双线并行对中交叉的方法，让干 扰信号互相抵消，也是一种减少电磁辐射的有效方法；利用散热片也能够对电磁干扰进行局部屏蔽，对信号引线还能够采起双地线并行屏蔽的方法，让信号线夹在两 条平行地线的中间，这至关于双回路，干扰信号也会互相抵消，屏蔽效果很是显著；机器或敏感器件采用金属外壳是最好的屏蔽电磁干扰方法，但非金属外壳也能够 喷涂导电材料(如石墨)进行电磁干扰屏蔽。

五、对高压的静电的消除

图1中，若是输出电压高于1,000V，必须考虑静电 消除。虽然大多数的开关电源都采起变压器进行“冷热地”隔离，因为“热地”，也叫“初级地”，经过电网可构成回路，当人体接触到“初级地”的时候会“触 电”，因此人们都把“初级地”叫作“热地”，表示不能触摸的意思。而“冷地”也叫“次级地”，尽管电压很高，但它与大地不构成回路，当人体接触到“次级 地”的时候不会“触电”，所以，人们都把“次级地”叫作“冷地”，表示能够触摸的意思。

但不论是"冷地"或者是"热地"，其对大地的电位差都不多是零，即仍是会带电。如彩色电视机中的开关电源，"热地"对大地的电位差大约有400VP-P(峰峰值)，"冷地"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"冷地"带电通常人是难以理解的。那么"冷地"带电这个电压是怎样产生的呢？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”链接，但真正的零电位是在变压器次级线圈的中心，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”带电的电压正好等于输出电压的一半，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，由此能够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，因此“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就是用来下降冷地与大地之间静电电压的，C8的做用是下降冷热地之间的动态电阻。通常数字电路IC的耐压都很低，若是“冷地”带电的电压很高，经过静电感应，或人体触摸，很容易就会把IC击穿。

“冷地”带电是属于静电的范畴，它只至关于对一个小电容充电，这个小电容的一端是大地，电容量至关于“冷地”对大地之间的等效电容。另外，图2中的C一、C二、C三、C四、C八、R一、R八、T1属于安全器件，使用时要注意安全要求。

EMC经常使用标准：

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

交流电源闪烁测试标准：IEC61000-3-3