电子线路与电磁兼容设计(上)
2008-10-20
作者：陶显芳
一个好的电子产品，除了产品自身的功能以外，电路设计(ECD)和电磁兼容设计" title="电磁兼容设计">电磁兼容设计(EMCD)的技术水平，对产品的质量和技术性能指标起到非常关键的作用。本文通过举例对开关电源的电磁兼容设计，介绍了一般电子产品中电磁干扰" title="电磁干扰">电磁干扰的解决方法。
现代的电子产品，功能越来越强大，电子线路也越来越复杂，以前在电子线路设计中很少出现的电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)问题，现在反而变成了主要问题，电路设计对设计师的技术水平要求也越来越高。CAD(计算机辅助设计)在电子线路设计方面的应用，很大程度地拓宽了电路设计师的工作能力，但电磁兼容设计，尽管目前采用了世界上最先进的CAD技术，还是很难帮得上忙。
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(Electromagnetic Interference)进行优化设计，使之能成为符合各国或地区电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)标准的产品。EMC的定义是：在同一电磁环境中，设备能够不因为其它设备的干扰影响正常工作，同时也不对其它设备产生影响工作的干扰。
电磁干扰(Electromagnetic Interference)一般都分为两种，传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。因此对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。
自从电子系统降噪技术在70年代中期出现以来，主要由于美国联邦通讯委员会在1990年和欧盟在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它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EMC(Electromagnetic Compatibility)。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势。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、台湾的BSMI认证、中国的3C认证等都是进入这些市场的“通行证”。
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的时候却无从下手。实际上从事电磁兼容设计是从电磁场理论开始，即从电磁感应认识开始。
一、电磁感应与电磁干扰
一般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" title="极板">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张开时，我们就可以把两个极板看成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)，即电流一会儿向前跑，一会儿向后跑。
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，其干扰能力之强。
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，这个感应电流是因为变压器初级线圈中有电流流过时，产生磁感应而产生的。在电感器和变压器周边的电路，都可看成是一个“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，也同样可以把其中的一个回路看成是“变压器”的“初级线圈”，而另一个回路可以看成是“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(Electromagnetic Interference)，两者是相辅相成的，因为电场会产生位移电流，电流又会产生磁场。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。
二、电磁兼容设计
目前大多数电子产品都选用开关电源供电，以节省能源和提高工作效率；同时越来越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。下面我们以一个开关电源的电磁兼容设计过程来进行分析。
图1是一个普遍应用的反激式(或称为回扫式)开关电源工作原理图，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，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原理图。
1、对电流谐波的抑制
一般电容器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，因此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付立叶级数展开，将被看成由非常多的高次谐波电流组成，这些谐波电流将会降低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，严重时还会引起电网频率的波动，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。一般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PFC(Power Factor corrector)功率因素" title="功率因素">功率因素矫正电路，或差模" title="差模">差模滤波电感器。PFC功率因素矫正电路一般为一个并联式升压开关电源，其输出电压一般为DC400V，没有经功率因素矫正之前的电源设备，其功率因数一般只有0.4~0.6，经功率因素矫正后功率因数最高可达到0.98。功率因素矫正电路虽然可以完全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，这同样也要进行严格的EMC电磁兼容设计。用差模滤波电感器可以有效地抑制脉冲电流的峰值，从而降低电流谐波干扰，但不能提高功率因素。
图2中的L1为差模滤波电感器，差模滤波电感器一般用矽钢片材料制作，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，一般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计算：
E=L(di/di) （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。