電子電路中的EMC標(biāo)準(zhǔn)與EMC設(shè)計(jì)

目前，電子產(chǎn)品越來(lái)越容易受到電磁干擾的威脅，本文分析電子線路中產(chǎn)生電磁感應(yīng)的主要元器件，以及電磁干擾的基本原理；列出電磁兼容抗擾度實(shí)驗(yàn)的類型；提出電源電路中電磁兼容設(shè)計(jì)的基本方法，并用兩個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了其可行性。

關(guān)鍵詞? 電磁兼容? 電磁干擾? 壓敏電阻? TVS管

引言

　　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EMI(Electromagnetic Interference)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之能成為符合各國(guó)或地區(qū)電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。隨著電子產(chǎn)品越來(lái)越多地采用低功耗、高速度、高集成度的 LSI電路，這些裝置比以往任何時(shí)候都更容易受到電磁干擾的威脅；而與此同時(shí)，大功率家電及辦公自動(dòng)化設(shè)備的增多，以及移動(dòng)通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用等，又大大增加了電磁干擾的發(fā)生源。這些變化迫使人們把電磁兼容作為重要的技術(shù)問(wèn)題加以關(guān)注。

1? 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)

　　為了適應(yīng)國(guó)際商貿(mào)與技術(shù)發(fā)展的要求，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局對(duì)聲音和電視廣播設(shè)備、信息技術(shù)設(shè)備、家用和電熱、電動(dòng)工具、電源、照明電器、火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置、金融及貿(mào)易結(jié)算電子設(shè)備、安保電子產(chǎn)品、低壓電器10類進(jìn)行強(qiáng)制性EMC認(rèn)證。

　　目前對(duì)于電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)，不同的行業(yè)有不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電干擾要求如表1、表2所列。

表1? 電源端口傳導(dǎo)發(fā)射要求

表2? 機(jī)箱端口輻射發(fā)射要求

　　為了達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，電子產(chǎn)品在使用前需進(jìn)行電磁兼容的抗擾度實(shí)驗(yàn)，如表3所列。

表3? 電磁兼容的抗擾度實(shí)驗(yàn)

2? 電磁感應(yīng)與電磁干擾

　　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。當(dāng)電路中有電壓存在時(shí)，在所有帶電的元器件周圍都會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)；當(dāng)電路中有電流流過(guò)時(shí)，在所有載流體的周圍都存在磁場(chǎng)。

　　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。兩者是相輔相成的，電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生位移電流，電流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。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。

3? 電源電路中的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　在電子產(chǎn)品中，各種干擾往往會(huì)通過(guò)電源傳輸給電子設(shè)備，從而對(duì)這些設(shè)備造成危害。通過(guò)對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的失效概率統(tǒng)計(jì)可知：微機(jī)系統(tǒng)100次故障，其中90次來(lái)自電源，10次是微機(jī)本身，可見(jiàn)電源的可靠性最重要。具有良好抗干擾設(shè)計(jì)的電源，能使用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中無(wú)需考慮由電源引起的抗干擾問(wèn)題，大大縮短用戶的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

3.1? 電源干擾的類型

　　電源干擾可以以“共?！被颉安钅！狈绞酱嬖?。干擾類型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進(jìn)行變化。其中也包括電壓變化（如電壓的跌落、浪涌與中斷）、頻率變化、波形失真（電壓的或電流的）、持續(xù)噪聲或雜波，以及瞬變等。 表4中的幾種干擾，能夠通過(guò)電源進(jìn)行傳輸并造成設(shè)備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波，而靜電放電等干擾只要電源設(shè)備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象，就不會(huì)造成由電源引起的對(duì)用電設(shè)備的影響。

表4? 電源干擾的類型

3.2? 抑制干擾的方法

3.2.1? 在電源輸入端加入線路濾波器

　　典型的電源線路濾波器如圖1所示。其中，L1和L2的線圈同方向繞在同一磁芯上，這兩個(gè)電感對(duì)于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是互相抵消的，因此不會(huì)引起磁芯的飽和；而對(duì)于共模電流則可以反映為很大的電感，以便獲得最大的濾波效果，所以又稱為“共模電感”。

圖1? 典型的電源線路濾波器

　　CX電容用來(lái)衰減差模干擾，CY電容用于衰減共模干擾，R用于消除濾波器中可能出現(xiàn)的靜電積累。

　　電源濾波器主要用于抑制30 MHz以下頻率范圍的噪聲，而對(duì)于脈沖干擾，其諧波頻率往往高達(dá)上百M(fèi)Hz，實(shí)際使用效果往往并不明顯。某研究機(jī)構(gòu)對(duì)20種電源濾波器的抑制浪涌波的能力進(jìn)行了測(cè)試，超過(guò)20 dB的僅有4種，甚至有的會(huì)在輸出端產(chǎn)生振蕩。

3.2.2? 采用帶屏蔽層的變壓器

　　由于共模干擾是一種相對(duì)大地的干擾，所以它主要通過(guò)變壓器繞組間的耦合電容來(lái)傳遞。如果在初、次級(jí)之間插入屏蔽層，并使之良好接地，便能使干擾電壓通過(guò)屏蔽層旁路掉，從而減小輸出端的干擾電壓。屏蔽層對(duì)變壓器的能量傳輸并無(wú)不良影響，但影響了繞組間的耦合電容。圖2畫(huà)出了帶屏蔽層的隔離變壓器的共模干擾通路。其中，C1為初級(jí)繞組與屏蔽層之間的分布電容；C2為次級(jí)燒組與屏蔽層之間的分布電容；Z1為屏蔽層接地阻抗；Z2為負(fù)載對(duì)地阻抗；e1為初級(jí)干擾（共模型）電壓；e2為次級(jí)干擾（共模型）電壓。

圖2? 帶屏蔽層的隔離變壓器

　　圖2中，要使共模衰減量增大，只需使變壓器屏蔽層接地阻抗變小。理論上帶屏蔽層的變壓器能使衰減量達(dá)到60 dB左右，但實(shí)際使用后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于尖峰干擾有抑制，其效果也不十分明顯。

3.2.3? 在電源的輸入端加入多級(jí)線路濾波器

　　一般情況下，在圖1所示的電路中再加一級(jí)差模濾波器，用于衰減差模干擾。通常，差模濾波器的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3? 差模濾波器

3.2.4? 采用吸波器件

　　壓敏電阻器、瞬態(tài)電壓抑制管（Transient Voltage Suppressor，TVS管）等吸波器件有共同的特點(diǎn)，即在閾值電壓以下呈現(xiàn)高阻抗，而一旦超過(guò)閾值電壓，阻抗便急劇下降，因此對(duì)尖峰電壓有一定的抑制作用，但也有各自的局限性。例如壓敏電阻的電流吸收能力不夠大，TVS管的閾值電壓一般僅為300～400 V。壓敏電阻器、TVS管在電路中應(yīng)并聯(lián)使用。

3.3? 參數(shù)選擇

　　對(duì)于不同的電路，電源線路濾波器參數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)電流、電壓、頻率范圍等因素綜合考慮，有時(shí)應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。本節(jié)只對(duì)壓敏電阻、TVS管的參數(shù)選擇進(jìn)行說(shuō)明。

3.3.1? 壓敏電阻器

（1） ?壓敏電阻器的作用

　　壓敏電阻器是一種金屬化物變阻器，其電壓與電流不遵守歐姆定律，而成特殊的非線性關(guān)系。當(dāng)兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器的電阻值接近無(wú)窮大，內(nèi)部幾乎無(wú)電流流過(guò)；略高于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大；低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器又恢復(fù)為高阻狀態(tài)；超過(guò)最大限制電壓值時(shí)，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無(wú)法再自行恢復(fù)。

　　壓敏電阻器廣泛應(yīng)用于家用電器以及其他電子產(chǎn)品中，起到過(guò)電壓保護(hù)、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護(hù)半導(dǎo)體元器件等作用。

（2） ?壓敏電阻器的選取計(jì)算

　　一般來(lái)說(shuō)，壓敏電阻器與被保護(hù)器件或裝置并聯(lián)使用。在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應(yīng)低于標(biāo)稱電壓，即使在電源波動(dòng)情況最壞時(shí)，也不應(yīng)高于額定值中選擇的最大連續(xù)工作電壓，該最大連續(xù)工作電壓值所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電壓值即為選用值。對(duì)于過(guò)壓保護(hù)方面的應(yīng)用，壓敏電壓值VmA應(yīng)大于實(shí)際電路的電壓值，一般使用下式進(jìn)行選擇：

　　式中：a為電路電壓波動(dòng)系數(shù)，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時(shí)為有效值）；b為壓敏電壓誤差，一般取0.85；c為元件的老化系數(shù)，一般取0.9；

　　這樣計(jì)算得到的VmA的實(shí)際數(shù)值是直流工作電壓的1.5倍，在交流狀態(tài)下還要考慮峰值，因此計(jì)算結(jié)果應(yīng)擴(kuò)大1.414倍。另外，選用時(shí)還必須注意：

① ?必須保證在電壓波動(dòng)最大時(shí)，連續(xù)工作電壓也不會(huì)超過(guò)最大允許值，否則將縮短壓敏電阻器的使用壽命。
② ?在電源線與大地間使用壓敏電阻器時(shí)，有時(shí)由于接地不良而使線與地之間電壓上升，所以通常采用比線與線間使用場(chǎng)合標(biāo)稱電壓更高的壓敏電阻器。
③ ?壓敏電阻所吸收的浪涌電流應(yīng)小于產(chǎn)品的最大通流量。

3.3.2? TVS管

（1）? TVS管的作用

　　TVS管是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無(wú)損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信設(shè)備、交/直流電源、汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數(shù)字照相機(jī)的保護(hù)、共模/差模保護(hù)、RF耦合/IC驅(qū)動(dòng)接收保護(hù)、電機(jī)電磁波干擾抑制、聲頻/視頻輸入、傳感器/變速器、工控回路、繼電器、接觸器噪聲的抑制等各個(gè)領(lǐng)域。

（2） ?TVS管的選取

　　計(jì)算選取時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①? TVS額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。
②? 最小擊穿電壓VBR=VWM/KBR (其中，KBR=0.8～0.9)。
③? TVS的最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓，即VC=KC×VBR (其中，KC=1.3)。
④? 在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。

3.3.3? TVS管與壓敏電阻器的比較

　　目前，國(guó)內(nèi)不少需進(jìn)行浪涌保護(hù)的設(shè)備上使用的是壓敏電阻器。TVS管一般用于電快速瞬變脈沖群的防護(hù)，其特性比壓敏電阻器優(yōu)越得多，具體特性參數(shù)的比較表5所列。

表5? TVS管與壓敏電阻器的比較

3.4? 應(yīng)用實(shí)例

3.4.1? 交流電路

　　圖4為微機(jī)電源采用TVS管作線路保護(hù)的原理圖。

圖4? 微機(jī)電源部分原理圖

　　下面就圖4中的線路保護(hù)加以說(shuō)明。

①? 在進(jìn)線的交流220 V處加雙向TVS管D1，以抑制220 V交流電網(wǎng)中的尖峰干擾。雙向TVS管D1的

選取D1時(shí)根據(jù)上述參數(shù)，通過(guò)查表即可得到。
②? 在變壓器進(jìn)線處加上抗干擾的電源線濾波器，以消除小尖峰干擾。
③ ?在變壓器輸出端交流20 V處加上雙向TVS管D2，再一次抑制干擾。雙向TVS管D2的

選取D2時(shí)根據(jù)上述參數(shù)，通過(guò)查表即可得到。
④? 整流濾波輸出直流10 V時(shí)，加上單向TVS管D3抑制干擾。單向TVS管D3的

選取D3時(shí)根據(jù)上述參數(shù)，通過(guò)查表即可得到。

　　通過(guò)如上4次抑制，得到了所謂的“凈化電源”。為了防雷擊等浪涌電壓，還可在交流220 V進(jìn)線端加上壓敏電阻器，以便更有效地防止干擾進(jìn)入計(jì)算機(jī)的CPU及存儲(chǔ)器中，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

3.4.2? DCDC電路

　　圖5是一個(gè)直流電源的前級(jí)抑制干擾原理圖。

圖5? 直流電源部分原理圖

　　圖5中，KZ、KF外接24 V直流電源；YR1為壓敏電阻器，VmA＝1.5×24 = 36 V，用于抗浪涌沖擊；L1、L2、C1和C2構(gòu)成平衡型LC濾波器，抑制差模干擾；L3為共模電感，用于抑制共模干擾；TVS1用于抑制電快速瞬變脈沖群干擾。注意，如果GND不能通過(guò)機(jī)殼接地，則必須要加TVS2接KF，目的是把瞬變脈沖干擾信號(hào)“導(dǎo)”向大地。

結(jié)語(yǔ)

　　國(guó)內(nèi)外對(duì)電磁環(huán)境和干擾的研究工作，多年來(lái)一直沿著兩個(gè)方面并行推進(jìn)：一方面是研究器件的噪聲物理特性，探索克服元器件噪聲的新方法，其成果用于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有更強(qiáng)功能的新型電子器件；另一方面是研究影響電子電路和電子設(shè)備電磁兼容的各種因素，總結(jié)增強(qiáng)電子設(shè)備電磁兼容性的各種方法，其成果用于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)更為理想的電路結(jié)構(gòu)，組裝出符合預(yù)期應(yīng)用環(huán)境的電子裝置、設(shè)備和系統(tǒng)。對(duì)電子線路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，主要考慮后者。電子線路中的EMC設(shè)計(jì)，實(shí)際上主要是“堵”和“導(dǎo)”的方法；“堵”的方法是抑制干擾，不讓干擾進(jìn)入系統(tǒng)；“導(dǎo)”的方法是把內(nèi)部的干擾信號(hào)泄露出來(lái)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中往往多種方法并用，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。