電磁干產(chǎn)生于干擾源，它是一種來(lái)自外部的,、并有損于有用信號(hào)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(duì)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(guò)程及其結(jié)果,，稱(chēng)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(chēng)為電磁兼容性故障。顯而易見(jiàn),，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(cè)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(duì)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(lái)越強(qiáng)大,，電子線路也越來(lái)越復(fù)雜,，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問(wèn)題變成了主要問(wèn)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(duì)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(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(tái)灣地區(qū)的BSMI認(rèn)證、中國(guó)的3C認(rèn)證等都是進(jìn)入這些市場(chǎng)的“通行證”,。

1 電磁兼容問(wèn)題

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)生的電磁干擾進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),，使之成為符合各國(guó)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(duì)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?chē)紩?huì)產(chǎn)生電場(chǎng),，當(dāng)電路中有電流流過(guò)時(shí),，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(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(méi)有真正流過(guò)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(kāi)時(shí)，可以把兩個(gè)極板看成是一組電場(chǎng)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(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng),。在兩極板之間的電路不管是閉路，或者是開(kāi)路,，當(dāng)電場(chǎng)方向不斷改變時(shí),，在與電場(chǎng)方向一致的導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生位移電流。

電場(chǎng)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(zhǎng)的導(dǎo)線，當(dāng)其流過(guò)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(chǎng)強(qiáng)度，就可以在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的電流,。可見(jiàn),，電場(chǎng)作用效力之大,，其干擾能力之強(qiáng)。

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(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(guò)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(guò)某電路時(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(chǎng)或磁場(chǎng)存在,，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。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(lèi)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(kāi)關(guān)電源供電，以節(jié)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(shù)字電路,，以提供更多的應(yīng)用功能。開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析。

圖1是一個(gè)普遍應(yīng)用的反激式或稱(chēng)為回掃式的開(kāi)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(chǔ)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(fù)載回路供電,。圖2是進(jìn)行過(guò)電磁兼容設(shè)計(jì)后的電氣原理圖,。

1)對(duì)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(jí)數(shù)展開(kāi),，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,，當(dāng)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為：IEC61000-3-2及IEC61000-3 -3,。一般測(cè)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(guò)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(kāi)關(guān)電源,，其輸出電壓一般為直流400 V，沒(méi)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(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(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(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：

E=Ldi／dt

式中：E為輸入電壓Uin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。

(2)對(duì)振鈴電壓的抑制,。由于變壓器的初級(jí)有漏感,，當(dāng)電源開(kāi)關(guān)管V1由飽和導(dǎo)通到截止關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),，反電動(dòng)勢(shì)又會(huì)對(duì)變壓器初級(jí)線圈的分布電容進(jìn)行充放電,，從而產(chǎn)生阻尼振蕩，即產(chǎn)生振鈴,，如圖4所示,。

變壓器初級(jí)漏感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的電壓幅度一般都很高，其能量也很大,，如不采取保護(hù)措施,，反電動(dòng)勢(shì)一般都會(huì)把電源開(kāi)關(guān)管擊穿，同時(shí)反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的阻尼振蕩還會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射,，不但對(duì)機(jī)器本身造成嚴(yán)重干擾,，對(duì)機(jī)器周邊環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。

圖2中的D1,，R2,，C6是抑制反電動(dòng)勢(shì)和振鈴電壓幅度的有效電路，當(dāng)變壓器初級(jí)漏感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)時(shí),，反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)二極管D1對(duì)電容器C6進(jìn)行充電,，相當(dāng)于電容器吸收反電動(dòng)勢(shì)的能量,，從而降低了反電動(dòng)勢(shì)和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿電后,，又會(huì)通過(guò)R2放電,，正確選擇RC放電的時(shí)間常數(shù)，使電容器在下次充電時(shí),，其剩余電壓剛好等于方波電壓幅度,，此時(shí)電源的工作效率最高。

(3)對(duì)傳導(dǎo)干擾信號(hào)的抑制,。圖1中,，當(dāng)電源開(kāi)關(guān)管V1導(dǎo)通或者截止時(shí)，在電容器C5,、變壓器T1的初級(jí)和電源開(kāi)關(guān)管V1組成的電路中會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)直流 i1,，如果把此電流回路看成是一個(gè)變壓器的“初級(jí)線圈”。由于電流i1的變化速率很高,，它在“初級(jí)線圈”中產(chǎn)生的電磁感應(yīng),，也會(huì)對(duì)周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁感應(yīng)?？梢园阎?chē)娐范伎闯墒峭蛔儔浩鞯亩鄠€(gè)“次級(jí)線圈”,，同時(shí)變壓器T1的漏感也同樣對(duì)各個(gè)“次級(jí)線圈”產(chǎn)生感應(yīng)作用。因此電流i1通過(guò)電磁感應(yīng),，在每個(gè) “次級(jí)線圈”中都會(huì)產(chǎn)生的感應(yīng)電流,，分別把它們記為i2，i3,，…,，in。其中,，i2和i3是差模干擾信號(hào),，它們可以通過(guò)兩根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)的其他線路之中和干擾其他電子設(shè)備。i4是共模干擾信號(hào),，它是電流i1回路通過(guò)電磁感應(yīng)其他電路與大地或機(jī)殼組成的回路產(chǎn)生的,，并且其他電路與大地或機(jī)殼是通過(guò)電容耦合構(gòu)成回路的，共模干擾信號(hào)可以通過(guò)電源線與大地傳導(dǎo)到電網(wǎng)其他線路之中和干擾其他電子設(shè)備,。

與電源開(kāi)關(guān)管V1的集電極相連的電路,，也是產(chǎn)生共模干擾信號(hào)的主要原因。因?yàn)樵谡麄€(gè)開(kāi)關(guān)電源電路中,，數(shù)電源開(kāi)關(guān)管V1集電極的電位最高,，最高可達(dá)600 V以上，其他電路的電位都比它低,，因此電源開(kāi)關(guān)管V1的集電極與其他電路(也包括電源輸入端的引線)之間存在很強(qiáng)的電場(chǎng),，在電場(chǎng)的作用下,，電路會(huì)產(chǎn)生位移電流，這個(gè)位移電流基本屬于共模干擾信號(hào),。

圖2中的電容器C1,，C2和差模電感器L1對(duì)i1，i2和i3差模干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力,。由于C1,，C2在電源線拔出時(shí)還會(huì)帶電，容易觸電傷人,，所以在電源輸入的兩端要接一個(gè)放電電阻R1,。

對(duì)共模干擾信號(hào)i4要進(jìn)行完全抑制，一般很困難,，特別是沒(méi)有金屬機(jī)殼屏蔽的情況下,，因?yàn)樵诟袘?yīng)產(chǎn)生共模干擾信號(hào)的回路中，其中的一個(gè)“元器件”是線路板與大地之間的等效電容,，此“元器件”的數(shù)值一般是不穩(wěn)定的,，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)指標(biāo)要留有足夠的余量。圖2中L2和C3,，C4是共模干擾信號(hào)抑制電路器件,，在輸入功率較大的電路中，L2一般要用兩個(gè),，甚至三個(gè),，其中一個(gè)多為環(huán)形磁心電感。

根據(jù)上面分析,，產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是i1流過(guò)的主要回路,，這個(gè)回路主要由電容器C5、變壓器T1初級(jí)和電源開(kāi)關(guān)管V1組成,。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,，這個(gè)回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

e=dφ／dt=SdB／dt

式中：e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),；φ為磁通量,；S為電流回路的面積；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,，其值與電流強(qiáng)度成正比,；dφ／dt為磁通變化率。由此可見(jiàn),，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電流回路的面積成正比,。因此要減小電磁干擾，首先要設(shè)法減小電流回路的面積,，特別是i1電流流過(guò)的回路面積,。另外,，為了減少變壓器漏感對(duì)周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁感應(yīng)的影響，一方面要求心量減小變壓器的漏感,；另一方面,，在變壓器的外圍包一層薄銅皮，以構(gòu)成一個(gè)低阻抗短路線圈,，通過(guò)渦流消耗漏感產(chǎn)生的感應(yīng)能量,。

(4)對(duì)輻射干擾信號(hào)的抑制。電磁輻射干擾也是通過(guò)電磁感應(yīng)的方式,，由帶電體或電流回路及磁感應(yīng)回路對(duì)外產(chǎn)生電磁輻射的,。任何一根導(dǎo)體都可以看作一根電磁感應(yīng)天線，任何一個(gè)電流回路都可以看作一個(gè)環(huán)形天線,，電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應(yīng)輻射的重要器件,。要想完全抑制電磁輻射是不可能的，但通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì),，或者采取部分屏蔽措施,，可以大大減輕電磁干擾的輻射。

例如,，盡量縮短電路引線的長(zhǎng)度和減小電流回路的面積,，是減小電磁輻射的有效方法；正確使用儲(chǔ)能濾波電容,，把儲(chǔ)能濾波電容盡量近地安裝在有源器件電源引線的兩端,，每個(gè)有源器件獨(dú)立供電，或單獨(dú)用一個(gè)儲(chǔ)能濾波電容供電(充滿電的電容可以看成是一個(gè)獨(dú)立電源),，防止各電路中的有源器件(放大器)通過(guò)電源線和地線產(chǎn)生串?dāng)_,；把電源引線的地和信號(hào)源的地嚴(yán)格分開(kāi)，或?qū)π盘?hào)引線采取雙線并行對(duì)中交叉的方法,，讓干擾信號(hào)互相抵消,，也是一種減小電磁輻射的有效方法；利用散熱片也可以對(duì)電磁干擾進(jìn)行局部屏蔽,，對(duì)信號(hào)引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法,，讓信號(hào)線夾在兩條平行地線的中間，這相當(dāng)于雙回路,，干擾信號(hào)也會(huì)互相抵消,，屏蔽效果非常顯著；機(jī)器或敏感器件采用金屬外殼是最好的屏蔽電磁干擾方法,，但非金屬外殼也可以噴涂導(dǎo)電材料(如石墨)進(jìn)行電磁干擾屏蔽,。

(5)對(duì)高壓的靜電的消除。圖1中，如果輸出電壓高于1 000 V,，必須考慮靜電消除,。雖然大多數(shù)的開(kāi)關(guān)電源都采取變壓器進(jìn)行“冷熱地”隔離，由于“熱地”,，也叫“初級(jí)地”,，通過(guò)電網(wǎng)可構(gòu)成回路，當(dāng)人體接觸到“初級(jí)地”時(shí)會(huì)“觸電”,，所以人們都把“初級(jí)地”叫作“熱地”,，表示不能觸摸的意思。而“冷地”也叫“次級(jí)地”,，盡管電壓很高,，但它與大地不構(gòu)成回路，當(dāng)人體接觸到“次級(jí)地”時(shí)不會(huì)“觸電”,，因此,，人們都把“次級(jí)地” 叫作“冷地”，表示可以觸摸的意思,。但不管是“冷地”或者是“熱地”,，其對(duì)大地的電位差都不可能是零，即還是會(huì)帶電,。如彩色電視機(jī)中的開(kāi)關(guān)電源,，“熱地” 對(duì)大地的電位差，其峰峰值大約有400 V,；“冷地”對(duì)大地的電位差,，其峰峰值大約有1 500 V。

“熱地”帶電比較好理解,，而“冷地”帶電一般人是難以理解的,。“冷地”帶電電壓是由變壓器次級(jí)產(chǎn)生的。雖然變壓器次級(jí)的一端與“冷地”連接,，但真正的零電位是在變壓器次級(jí)線圈的中心,，或整流輸出濾波電容器介質(zhì)的中間。這一點(diǎn)稱(chēng)為電源的“浮地”,，即它為零電位,，但又不與大地相連。由此可知,，“冷地”帶電的電壓正好等于輸出電壓的50％,，如電視機(jī)顯像管的高壓陽(yáng)極需要大約30 000 V的高壓,，真正的零電位是在高壓濾波電容(顯像管石墨層之間的電容)的中間,，或高壓包的中間抽頭處，由此可以求出電視機(jī)中冷地與地之間的靜電電壓大約為 15 000 V。同理,，“熱地”回路的“浮地”是在儲(chǔ)能濾波電容器C5的中間,，所以正常情況下“熱地”帶電電壓為整流輸出的50％，其峰值約為200 V,。如把開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或截止時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)也疊加在其之上,，其峰峰值大約有400 V。

圖2中的R3就是用來(lái)降低“冷地”與大地之間靜電電壓的,，C8的作用是降低冷,、熱地之間的動(dòng)態(tài)電阻。一般數(shù)字電路IC的耐壓都很低,，如果“冷地”帶電的電壓很高,，通過(guò)靜電感應(yīng)，或人體觸摸,，很容易就會(huì)把IC擊穿,。EMC常用標(biāo)準(zhǔn)如下：

EMC通用系列標(biāo)準(zhǔn)：IEC61000-4-X；

工業(yè)環(huán)境抗擾度通用標(biāo)準(zhǔn)：EN50082-2,；

脈沖電流諧波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：IEC61000-3-2,；

交流電源閃爍測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：IEC61000-3-3。

圖3中的R3就是用來(lái)降低冷地與大地之間靜電電壓的,，C8的作用是降低冷熱地之間的動(dòng)態(tài)電阻,。一般數(shù)字電路IC的耐壓都很低，如果“冷地”帶電的電壓很高,，通過(guò)靜電感應(yīng),，或人體觸摸，很容易就會(huì)把IC擊穿,。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著開(kāi)關(guān)電源不斷向高頻化發(fā)展,，其抗干擾問(wèn)題顯得越發(fā)重要。在開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源中,，如何有效抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾,，同時(shí)提高開(kāi)關(guān)電源本身對(duì)電磁干擾的抗干擾能力是一個(gè)重要課題。在抗干擾設(shè)計(jì)時(shí),，幾種抗干擾措施既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系,，必須同時(shí)采用多種措施才能達(dá)到良好的抗干擾效果。