??? 一個好的電子產(chǎn)品，除了產(chǎn)品自身的功能以外,，電路設(shè)計(ECD)和電磁兼容設(shè)計" title="電磁兼容設(shè)計">電磁兼容設(shè)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,。本文通過舉例對開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計,，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,，功能越來越強大,，電子線路也越來越復(fù)雜，以前在電子線路設(shè)計中很少出現(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)計對設(shè)計師的技術(shù)水平要求也越來越高。CAD(計算機輔助設(shè)計)在電子線路設(shè)計方面的應(yīng)用,，很大程度地拓寬了電路設(shè)計師的工作能力,，但電磁兼容設(shè)計，盡管目前采用了世界上最先進的CAD技術(shù)，還是很難幫得上忙,。
??? 電磁兼容設(shè)計實際上就是針對電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾(Electromagnetic Interference)進行優(yōu)化設(shè)計,，使之能成為符合各國或地區(qū)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(shè)備能夠不因為其它設(shè)備的干擾影響正常工作,，同時也不對其它設(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)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò),。因此對EMC問題的研究就是對干擾源,、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)邦通訊委員會在1990年和歐盟在1992提出了對商業(yè)數(shù)碼產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章，這些規(guī)章要求各個公司確保它們的產(chǎn)品符合嚴格的磁化系數(shù)和發(fā)射準則,。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)的市場準入認證，用以保護本地區(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認證、歐盟的CE認證,、日本的VCCEI認證,、澳洲的C-tick人證、臺灣的BSMI認證,、中國的3C認證等都是進入這些市場的“通行證”,。
??? 很多人從事電子線路設(shè)計的時候，都是從認識電子元器件開始,，但從事電磁兼容設(shè)計的時候卻無從下手,。實際上從事電磁兼容設(shè)計是從電磁場理論開始，即從電磁感應(yīng)認識開始,。
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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,，當電路中有電壓存在的時候,，在所有帶電的元器件周圍都會產(chǎn)生電場，當電路中有電流流過的時候，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，這個位移電流是由于電容器的兩個極板" title="極板">極板帶電,，并在兩個極板之間產(chǎn)生電場,，通過電場感應(yīng)，兩個極板會產(chǎn)生充放電,，形成位移電流,。實際上電容器回路中的電流并沒有真正流過電容器，而只是對電容器進行充放電,。當電容器的兩個極板張開時,，我們就可以把兩個極板看成是一組電場輻射天線，此時在兩個極板之間的電路都會對極板之間的電場產(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)體中都會產(chǎn)生位移電流(當電場的方向不斷改變時),，即電流一會兒向前跑,，一會兒向后跑。
??? 電場強度的定義是電位梯度,，即兩點之間的電位差與距離之比,。一根數(shù)米長的導(dǎo)線，當其流過數(shù)安培的電流時,，其兩端電壓最多也只有零點幾伏,，即幾十毫伏/米的電場強度，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。
??? 電感器和變壓器是磁場最集中的元件,，流過變壓器次級線圈的電流是感應(yīng)電流,，這個感應(yīng)電流是因為變壓器初級線圈中有電流流過時，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“變壓器”的感應(yīng)線圈,，當電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線穿過某個電路時,，此電路作為“變壓器”的“次級線圈”就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個相鄰回路的電路,，也同樣可以把其中的一個回路看成是“變壓器”的“初級線圈”,，而另一個回路可以看成是“變壓器”的“次級線圈”，因此兩個相鄰回路同樣產(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,，就會產(chǎn)生電磁干擾(Electromagnetic Interference)，兩者是相輔相成的,，因為電場會產(chǎn)生位移電流,，電流又會產(chǎn)生磁場。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計中,，高頻信號線,、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
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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)計的主要內(nèi)容。下面我們以一個開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計過程來進行分析,。
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??? 圖1是一個普遍應(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組成的負載回路供電,。圖2是進行過電磁兼容設(shè)計后的電原理圖。
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1,、對電流諧波的抑制
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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,，而僅當輸入電壓Ui大于電容器C5兩端電壓的時候,，整流二極管才導(dǎo)通，因此在輸入電壓的一個周期內(nèi),，整流二極管的導(dǎo)通時間很短,，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,，這些諧波電流將會降低電源設(shè)備的使用效率,，即功率因數(shù)很低,，并會倒灌到電網(wǎng)，對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,，嚴重時還會引起電網(wǎng)頻率的波動,，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(xiàn)脈沖尖峰電流過大的方法是在整流電路中串聯(lián)一個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,，但又會帶來新的高頻干擾問題,，這同樣也要進行嚴格的EMC電磁兼容設(shè)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差模濾波電感器時產(chǎn)生磁飽和,，一般差模濾波電感器的兩個組線圈都各自留有一個漏感磁回路,。
??? L1差模濾波電感可根據(jù)試驗求得，也可以根據(jù)下式進行計算：
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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。