用電設備電磁兼容性的若干問題探討

摘 要:本文闡述了電磁兼容性研究的意義，研究了開關電源中電磁兼容性問題產生的原因與解決方法，討論了印刷電路板電磁兼容性問題與一般設計的注意要點，介紹了家用電器中電磁兼容問題及其避免方法。

關鍵詞:電磁干擾 電磁兼容性 開關電源 印刷電路板 元器件

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(a)-0052-02

1 電磁兼容性研究的重要意義

電磁兼容性是研究電磁干擾的學科。電磁干擾和電磁效應是人們早就發現的電磁現象，1981年英國科學家發表“論干擾”的文章，標志著研究電磁干擾問題的開始。1989年英國郵電部門研究了通信中的干擾問題，使干擾問題的研究方向朝著產業化邁進。

理論和實踐都表明，不管復雜系統還是簡單裝置，任何一個電磁干擾的發生必須具備三個基本條件:首先應該具有干擾源;其次有傳播干擾能量的途徑和通道;第三還必須有被干擾對象的響應。

實際上，兩個設備之間發生干擾通常包含著許多種途徑的偶合。正因為多種途徑的偶合同時存在，反復交叉偶合，共同產生干擾，才使電磁干擾變得難以控制。 電磁兼容(EMC)是指設備或系統在所處的電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何其他系統或裝置構成不能承受的電磁干擾的能力。因此，人們對電磁兼容的含義作出了科學的概括，認為電磁兼容是:設備在共同的電磁環境中，能一起執行各自功能的共存狀態。即該設備不會由于受到處于同一電磁環境中的其他設備的電磁干擾導致或遭受不允許的降級，它也不會使同一電磁環境中其它設備因受其電磁干擾而導致或遭受不允許的降級。

近年來，由于用電設備往往都采用了功能上多樣化、設計結構上更加復雜化、容量大功率化，以及高頻率 高靈敏度 ，以至于這種相互包容相互兼顧、各司其職互不干擾各顯其能的狀態很難獲得。要使系統達到滿意的電磁兼容性，必須根據系統的電磁環境，要求系統中每個用電設備產生的電磁輻射和傳導等信號不超過一定限度，同時又要求它的響應具有一定的抗干擾能力。只有對每個用電設備作這兩方面的約束，才能保證系統達到相對滿意的兼容。

電磁兼容技術是一門迅速發展的交叉學科，涉及到電子、通信、計算機、電力、鐵路交通、航空航天、軍事以至人民生活各個方面。在當今信息社會，隨著電子技術、計算機技術的發展，一個系統中采用的電氣及電子設備數量大大增加，而且電子設備的頻帶日益加寬，功率逐漸增大，靈敏度提高，聯接各種設備的電纜網絡也越來越復雜，因此，電磁兼容問題日顯重要。怎樣能取得用電設備相對滿意的兼容性呢，下面僅就常用的幾個用電裝置的電磁兼容性作一討論。

2 開關電源的電磁兼容性討論

2.1 開關電源中電磁兼容性問題的產生原因

電路中開關電源因工作在高電壓大電流的開關工作狀態下，引起電磁兼容性問題的原因是復雜的。主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合及電磁波耦合幾種。

(1)共阻耦合主要是騷擾源與受騷擾體在電氣上存在的共同阻抗，通過該阻抗使騷擾信號進入受騷擾體。公共導線也因兩個電流環之間的互感而引起或因兩個電壓節點之間的互容耦合而引起;

(2)線間耦合主要是產生騷擾電壓及騷擾電流的導線或PCB因并行布線而產生的相互耦合;

(3)磁場耦合主要是指在大電流的脈沖電源線附近，產生的低頻磁場對騷擾對象產生的耦合;

(4)電場耦合主要是由于電位差的存在，產生感應電場對受騷擾體產生的場耦合;

(5)電磁波耦合主要是由于脈動的電壓或電流產生的高頻電磁波通過空間向外輻射，對相應的受騷擾體產生的耦合。

實際上，每一種耦合方式是不能嚴格區分的，只是側重點不同而已。同時，由于電源變壓器的漏電感及分布電容，主功率開關器件在高頻開或關時開關電壓及開關電流均接近方波，從頻譜分析知，方波信號含有豐富的高次諧波，尤其在它的工作狀態非理想化時，常伴隨高頻高壓的尖峰諧波震蕩，該諧波震蕩產生的高次諧波，通過開關管與散熱器間的分布電容傳入內部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。

2.2 開關電源電磁兼容性問題的解決方法

對于傳導性的公共阻抗耦合的解決是將連接線分離使系統各自獨立避免形成公共阻抗。

由于頻繁的動作，開關電源在電路的導通或閉合時，會有大量的電荷聚集在電源線和電器的內部器件上，這樣必然會產生靜電干擾;同時，由于電壓、電流的高變化率，會產生快速瞬變脈沖干擾。開關電源的干擾以傳導干擾為主，EMI濾波器是目前最有效的抑制方法。此外，經驗表明開關電源的EMC性能往往可以在不增加任何元器件和改變線路的條件下通過修改印刷線路板的布線設計得到大大改善。

對開關電源產生的對外騷擾，如電源線諧波電流、電源線傳導騷擾、電磁場輻射騷擾等。一方面，可以增強輸入/輸出濾波電路的設計，改善APFC電路的性能，另一方面，加強機殼的屏蔽效果，改善機殼的縫隙泄漏，并進行良好的接地處理。

此外，加裝濾波器是一種很好的抑制傳導干擾的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由開關電源產生并向電網反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元，在設備或系統的電磁兼容設計中具有極其重要的作用，它不僅可以抑制傳輸線上的傳導干擾，同時對傳輸線上的輻射發射也具有顯著的抑制效果，設計恰當、選擇合適、安裝正確濾波器以及根據實際情況加以調整是抗干擾技術的重要組成部分。

所有電源濾波器都必須接地(廠家特別說明允許不接地的除外)，因為濾波器的共模旁路電容必須在接地時才起作用。一般的接地方法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外，還要用較粗的導線將濾波器外殼與設備的接地點相連。接地阻抗越低，濾波效果越好。濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠離，避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。在安裝濾波器時，要特別注意濾波器的輸入導線與輸出導線的間隔距離，不能把它們捆在一起走線，否則EMI信號很容易從輸入線上耦合到輸出線上，這將大大降低濾波器的抑制效果。

要減小開關電源的內部騷擾，實現其自身的電磁兼容性，提高開關電源的穩定性及可靠性，還應該注意數字電路與模塊電路PCB布線的正確分區，數字電路與模擬電路電源的去耦，數字電路與模擬電路單點接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點接地以減小共阻騷擾，減小地環地影響，布線時注意相鄰線間的間距及信號性質，避免產生串擾，減小輸出整流回路及續流二極管回路與支流濾波電路所包圍的面積，減小變壓器的漏電、濾波電感的分布電容，運用諧振頻率高的濾波電容器等。

總之，在開關電源設計中，為了少走彎路和節省時間，應充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設計完成后去進行抗干擾的補救措施。

3 印刷電路板(簡稱PCB)的電磁兼容性探討

印刷電路板(PCB)是電子產品中電路元器件的支撐件，它提供電路元器件之間的電氣連接，是各種電子設備最基本的組成部分，而且PCB的密度越來越高，PCB設計的好壞對電路的干擾及抗干擾能力影響很大，它的性能直接關系到電子設備質量的好壞以及電磁兼容性的優劣。那么，哪些因素能引起PCB的電磁兼容問題、在進行PCB設計時應采取什么樣辦法，這是我們要討論的。

3.1 PCB產生電磁兼容問題的原因

(1)PCB尺寸大小會引起引線間阻抗或散熱問題;

(2)數字電路、模擬電路、電源電路;高頻電路、低頻電路;高速、中速和低速邏輯電路，在PCB上布局和布線不合理，它們會各自和互相產生干擾;

(3)易產生分布參數的高頻元件，可能產生噪聲干擾某些噪聲元件;如果在PCB上得不到合理的布局和布線，同樣會引起電磁干擾問題;

(4)如果屏蔽和接地問題處理不當，會引起相當的電磁干擾問題;

(5)在高頻的情況下，PCB上的走線、過孔電阻、接插件的分布電容、電感的影響;相鄰線間的串擾;負載到電源間的通路阻抗、射頻電流的影響;可能還會產生天線效應而向外輻射;負載的變化會引起電源噪聲和開關噪聲;以及環路電阻的影響，終端反射的干擾等等。另外，長距離的平行線也可能產生線間干擾。

3.2 PCB電磁兼容問題的解決方法

要使電子電路獲得最佳性能，除了元器件的選擇和電路設計之外，良好的PCB布線在電磁兼容性中也是一個非常重要的因素，如果忽視了線路布局對電磁兼容性的影響，使大量的信號輻射到空間形成騷擾。就算后來加上濾波器、瞬態抑制器件、外殼屏蔽和正確的接地，也不能解決這些問題。在PCB設計時以下幾方面必須注意。

(1)首先要考慮PCB尺寸大小，引線的長短，PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，整機體積過大，成本也增加;過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。因此要選擇合適的PCB尺寸。各部件之間的引線要盡量短。

(2)確定特殊部件的位置。根據電路的功能，對電路的部件進行布局。將數字電路，模擬電路以及電源電路分別放置，使相互間的信號耦合為最小。將高頻電路與低頻電路分開，最好各自隔離或單獨做成一塊電路板。在PCB中，遇有高、中和低速邏輯電路時，應把相互有關的元器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。易受干擾的器件不能相互挨得太近，輸入和輸出器件應盡量遠離;噪聲組件與非噪聲組件要距離再遠一些。

(3)在模擬數字混合線路板的設計時應注意降低數字信號和模擬信號間的相互干擾。系統只采用一個參考面，使用統一地，將PCB分區為模擬部分和數字部分。模擬信號在電路板所有層的模擬區內布線，而數字信號在數字電路區內布線。在這種情況下，數字信號返回電流不會流入到模擬信號的地，反之亦然。這樣就不會形成環路天線或偶極天線而產生EMC問題;還有就是器件布局要合適;不要對地進行分割，在電路板的模擬部分和數字部分下面敷設統一地。

(4)在高頻情況下，印刷線路板上的走線、過孔、電阻及接插件的分布電感與電容(電容的分布電感 、電感的分布電容)等不可忽略。電阻會產生對高頻信號的反射和吸收。走線的分布電容也會起作用，這些小的分布參數對于高速系統必須特別注意。

(5)布線要分離，以便將PCB同一層內相鄰線路之間的串擾和噪聲耦合最小化;同時設置分流和保護線路對關鍵信號進行隔離和保護，將關鍵信號從與其他信號線的耦合中隔離開來。為了抑制印制板導線之間的串擾，在設計布線時應盡量避免長距離的平行走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號線與地線及電源線盡可能不交叉。在一些對干擾十分敏感的信號線之間設置一根接地的印制線，可以有效地抑制串擾。

(6)在地線設計時，接地阻抗應最小化，以提高用電設備的抗噪聲能力。應盡量加粗接地線，否則接地電位將隨電流的變化而變化，抗噪聲性能將變差;當采用多層線路板設計時，可將其中一層作為“全地平面”，這樣可減少接地阻抗，同時又起到屏蔽作用;最好選用多層板，對信號線形成均勻的接地面，以加大信號線和接地面間的分布電容，抑制其向空間輻射的能力，從而減小輻射騷擾。不管是對多層PCB的基準接地層還是單層PCB的地線，射頻電流的返回通路都應盡可能短，返回通路的阻抗低，PCB的電磁兼容性能越好;盡量加粗電源線寬度，減少環路電阻，環路區域應當盡可能小，以免產生天線效應，噪聲通過走線向外發射。

總之，印制線路板是電子產品最基本的部件，也是絕大部分電子元器件的載體，一個好的印制線路板可以解決大部分的電磁騷擾問題，只要同時在接口電路排板時增加適當瞬態抑制器件和濾波電路就可以同時解決大部分抗干擾問題，較好的滿足產品的電磁兼容要求。

4 家用電器中電磁兼容問題及其避免方法

各種家用電器，其在正常工作時，都要發出各種不同波長、頻率的電磁波，產生電磁干擾和電磁污染。各種電器在運行中不斷反復動作，電感電路的能量反復變換，使電磁場動蕩不停，這些都將對周圍電器的工作可靠性產生影響。

許多家用電器是用電動機驅動的。帶換向器式電動機的家用電器產生的電磁騷擾尤為嚴重。由于其帶有換向器和電刷，在轉子高速旋轉時，電刷不斷地接通和斷開，極易產生電刷電弧，形成火花騷擾，電動機為感性負載，當切換負載的供電電源時會產生高反向電壓。火花騷擾和高反向電壓均具有頻譜寬、諧波豐富的特點，而這些頻率范圍覆蓋許多廣播、通訊等電子設備的正常工作頻率，嚴重時會影響設備無法正常工作。消除電動機產生騷擾的行之有效的方法是濾波屏蔽和接地。

家用電器中微處理器電路的各種外部集成電路是用總線形式連接的，靠地址線選通外設，在未被微處理器選中時，器件處于高阻狀態，在一定條件下，電荷很容易產生積累，并在被選中時產生靜電放電。值得提出的是，除了解決上述電磁干擾之外，微處理器還特別要提高自身的抗干擾性。高頻數字脈沖一旦受到外界的騷擾，很容易不能正常工作，甚至造成整個系統的崩潰。

家用電器的某些元器件，如操作開關、繼電器、接觸器在動作時會在其母線上產生多個瞬態脈沖族，稱為群脈沖干擾。快速瞬變群脈沖一般不會對器件和系統造成破壞，但對于家用電器中的微處理器可以造成很大的影響。當這些高頻的尖脈沖出現在地址總線、數據總線或邏輯門電路上時，會使微處理器和邏輯電路產生時序錯誤，造成微處理器程序混亂等。因此，抗尖脈沖干擾是帶有微處理器家用電器的電磁兼容性設計的重要環節。這些元器件應加以特殊處理，一般在他們的兩端并聯或串連電容元件和二極管以吸收尖脈沖干擾;其次，在極為重要的電路中應增加一些吸收尖脈沖的元器件。加去耦電容，在保證靈敏度和信噪比的情況下加衰減器，使信號線遠離干擾源。

總之，由于家用電器的種類繁多、結構復雜，電磁兼容性是其中的一個重要衡量指標，對其技術的研究顯得極為重要。

參考文獻

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