電子線路與電磁兼容設計（二）

中心議題：

• 幾種電磁干擾類型的抑制方法

解決方案：

• 振鈴電壓抑制方法介紹
  
• 傳導干擾信號抑制方法介紹
  
• 輻射干擾信號抑制方法介紹
  
• 對高壓的靜電的消除方法
  
  

對振鈴電壓的抑制
由于變壓器的初級有漏感，當電源開關管V1由飽和導通到截止關斷時會產生反電動勢，反電動勢又會對變壓器初級線圈的分布電容進行充放電，從而產生阻尼振蕩，即產生振鈴，如圖4所示。變壓器初級漏感產生反電動勢的電壓幅度一般都很高，其能量也很大，如不采取保護措施，反電動勢一般都會把電源開關管擊穿，同時反電動勢產生的阻尼振蕩還會產生很強的電磁輻射，不但對機器本身造成嚴重干擾，對機器周邊環境也會產生嚴重的電磁干擾。

圖2 中的D1、R2、C6 是抑制反電動勢和振鈴電壓幅度的有效電路，當變壓器初級漏感產生反電動勢時，反電動勢通過二極管D1對電容器C6進行充電，相當于電容器把反電動勢的能量吸收掉，從而降低了反電動勢和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿電后，又會通過R2放電，正確選擇RC放電的時間常數，使電容器在下次充電時的剩余電壓剛好等于方波電壓的幅度，此時電源的工作效率最高。



對傳導干擾信號的抑制
圖1 中，當電源開關管V1導通或者關斷時，在電容器C5、變壓器T1的初級和電源開關管V1 組成的電路中會產生脈動直流i1，如果把此電流回路看成是一個“變壓器”的“初級線圈”，由于電流i1 的變化速率很高，它在“初級線圈”中產生的電磁感應，也會對周圍電路產生電磁感應，我們可以把周圍電路都看成是同一“變壓器”的多個“次級線圈”，同時變壓器T1 的漏感也同樣對各個“次級線圈”產生感應作用，因此電流i1 通過電磁感應，在每個“次級線圈”中都會產生的感應電流，我們分別把它們記為i2、i3、i4 ???。

其中i2 和i3 是差模干擾信號，它們可以通過兩根電源線傳導到電網的其它線路之中和干擾其它電子設備；i4 是共模干擾信號，它是電流i1 回路通過電磁感應其它電路與大地或機殼組成的回路產生的，并且其它電路與大地或機殼是通過電容耦合構成回路的，共模干擾信號可以通過電源線與大地傳導到電網其它線路之中和干擾其它電子設備。

與電源開關管V1的集電極相連的電路，也是產生共模干擾信號的主要原因，因為在整個開關電源電路中，數電源開關管V1 集電極的電位最高，最高可達600V 以上，其它電路的電位都比它低，因此電源開關管V1的集電極與其它電路（也包括電源輸入端的引線）之間存在很強的電場，在電場的作用下，電路會產生位移電流，這個位移電流基本屬于共模干擾信號。
圖2 中的電容器C1、C2和差模電感器L1 對i1、i2 和i3 差模干擾信號有很強的抑制能力。由于C1、C2 在電源線拔出時還會帶電，容易觸電傷人，所以在電源輸入的兩端要接一個放電電阻R1。

對共模干擾信號i4 要進行完全抑制，一般很困難，特別是沒有金屬機殼屏蔽的情況下，因為在感應產生共模干擾信號的回路中，其中的一個“元器件”是線路板與大地之間的等效電容，此“元器件”的數值一般是不穩定的，進行設計時對指標要留有足夠的余量。圖2 中L2 和C3、C4是共模干擾信號抑制電路器件，在輸入功率較大的電路中，L2 一般要用兩個，甚至三個，其中一個多為環形磁心電感。

根據上面分析，產生電磁干擾的原因主要是i1 流過的主要回路，這個回路主要由電容器C5、變壓器T1初級和電源開關管V1組成，根據電磁感應原理，這個回路產生的感應電動勢為：


式中e為感應電動勢，ψ 為磁通量，S 電流回路的面積，B為磁感應密度，其值與電流強度成正比，dt/dy為磁通變化率。由此可見，感應電動勢與電流回路的面積成正比。因此要減少電磁干擾，首先是要設法減小電流回路的面積，特別是i1 電流流過的回路面積。另外，為了減少變壓器漏感對周圍電路產生電磁感應的影響，一方面要求變壓器的漏感要做得小，另一方面一定要在變壓器的外圍包一層薄銅皮，以構成一個低阻抗短路線圈，把漏感產生的感應能量通過渦流損耗掉。

對輻射干擾信號的抑制
電磁輻射干擾也是通過電磁感應的方式，由帶電體或電流回路及磁感應回路對外產生電磁輻射的。任何一根導體都可以看成是一根電磁感應天線，任何一個電流回路都可以看成是一個環形天線，電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應輻射的重要器件。要想完全抑制電磁輻射是不可能的，但通過對電路進行合理設計，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；正確使用儲能濾波電容，把儲能濾波電容盡量近地安裝在有源器件電源引線的兩端，每個有源器件獨立供電，或單獨用一個儲能濾波電容供電（充滿電的電容可以看成是一個獨立電源），防止各電路中的有源器件（放大器）通過電源線和地線產生串擾；把電源引線的地和信號源的地嚴格分開，或對信號引線采取雙線并行對中交叉的方法，讓干擾信號互相抵消，也是一種減小電磁輻射的有效方法；利用散熱片也可以對電磁干擾進行局部屏蔽，對信號引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法，讓信號線夾在兩條平行地線的中間，這相當于雙回路，干擾信號也會互相抵消，屏蔽效果非常顯著；機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電材料（如石墨）進行電磁干擾屏蔽。

對高壓的靜電的消除
圖1 中，如果輸出電壓高于1000V，必須考慮靜電消除。雖然大多數的開關電源都采取變壓器進行“冷熱地”隔離，由于“熱地”，也叫“初級地”，通過電網可構成回路，當人體觸到“初級地”的時候會“觸電”，所以人們都把“初級地”叫做“熱地”，表示不能觸摸的意思。而“冷地”也叫“次級地”，盡管電壓很高，但它與大地不構成回路，當人體接觸到“次級地”的時候不會“觸電”，因此，人們都把“次級地”叫做“冷地”，表示可以觸摸的意思。但不管是“冷地”或者是“熱地”，其對大地的電位差都不可能是零，即還是會帶電。如彩色電視機中的開關電源，“熱地”對大地的電位差大約有400VP-P（峰峰值），“冷地”對大地的電位差大約有1500VP-P（峰峰值）。

“熱地”帶電大家比較好理解，而“冷地”帶電一般人是難以理解的。那么“冷地”帶電這個電壓是怎樣產生的呢？這個電壓是由變壓器次級產生的，雖然變壓器次級的一端與“冷地”連接，但真正的零電位是在變壓器次級線圈的中心，或整流輸出濾波電容器介質的中間。這一點我們稱為電源的“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一半，如電視機顯像管的高壓陽極需要大約3 萬伏的高壓，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中的冷地與地之間的電壓（靜電）大約為15000V。同理，“熱地”回路的“浮地”是在儲能濾波電容器C5 的中間，所以“熱地”正常帶電電壓應為整流輸出電壓的一半，約為200 VP（峰值），如把開關管導通或截止時產生的反電動勢也疊加在其之上，大約有400VP-P（峰峰值）。

圖2 中的R3 就是用來降低冷地與大地之間靜電電壓的，C8 的作用是降低“冷熱”地之間的動態電阻。一般數字電路IC 的耐壓都很低，如果“冷地”帶電的電壓很高，通過靜電感應，或人體觸摸，很容易就會把IC 擊穿。順便指出，“冷地”帶電是屬于靜電的范疇，它只相當于對一個小電容充電，這個小電容的一端是大地，另一端是“冷地”，電容量相當于“冷地”對大地之間的等效電容。另外，圖2 中的C1、C2、C3、C4、C8、R1、R8、T1屬于安全器件，使用時要注意安全要求。

結束語
電磁兼容設計在我國是一門很嶄新的科學，電磁兼容性EMC 的相關標準還很不完善，很多
測試方法或定量分析還需要人們進一步去摸索和探討，很多新的電磁兼容性EMC 設計理論還需人們去創立。本文所涉及的一些電磁兼容設計的知識極為膚淺，內容只是冰山一角，希望我國的科學工作者和工程技術人員，在這一方面能夠趕超世界水平，多為國家作貢獻。

EMC常用標準：
EMC 通用系列標準：IEC61000-4-X
工業環境抗擾度通用標準：EN50082-2
脈沖電流諧波測試標準：IEC61000-3-2
交流電源閃爍測試標準：IEC61000-3-3

常見縮略語：
● ECD（Electric circuit design）：電路設計
● EMC（Electromagnetic Compatibility）：電磁兼容性
● EMCD（Electromagnetic Compatibility design）：電磁兼容設計
● EMI（Electromagnetic Interference）：電磁干擾
● PFC（Power Factor corrector）：功率因素矯正
● EMS（Electromagnetic Susceptibility）：電磁抗擾度
● CISPR：國際無線電干擾特別委員會
● IEC（International Electromagnetic Commission）：國際電工委員會
● EUT（Equipment Under Test ）受試設備
● FCC（Federal Communication Commission）聯邦通信委員會
● CE（Conformite′ Europe′ene"）歐盟