淺談電路的EMC干擾

　　電磁干產生于干擾源，它是一種來自外部的、并有損于有用信號的電磁現象。由電磁干擾源發生的電磁能，經某種傳播途徑傳輸至敏感設備，敏感設備又對此表現出某種形式的“響應”，并產生干擾的“效果”，該作用過程及其結果，稱為電磁干擾效應。在人們的生活中，電磁干擾效應普遍存在，形式各異。如果干擾效應十分嚴重，設備或系統失靈，導致嚴重故障或事故，這被稱為電磁兼容性故障。顯而易見，電磁干擾已是現代電子技術發展道路上必須逾越的巨大障礙。為了保障電子系統或設備的正常工作，必須研究電磁干擾，分析預測干擾，限制人為干擾強度，研究抑制干擾的有效技術手段，提高抗干擾能力，并對電磁環境進行合理化設計。

　　現代的電子產品，功能越來越強大，電子線路也越來越復雜，電磁干擾(EMI)和電磁兼容性問題變成了主要問題。先進的計算機輔助設計(CAD)在電子線路設計方面，很大程度地拓寬了電路設計的能力，但對于電磁兼容設計的幫助卻很有限。

　　目前，全球各地區基本都設置了EMC相應的市場準入認證，用以保護本地區的電磁環境和本土產品的競爭優勢。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認證、臺灣地區的BSMI認證、中國的3C認證等都是進入這些市場的“通行證”。

　　1 電磁兼容問題

　　電磁兼容設計實際上就是針對電子產品中產生的電磁干擾進行優化設計，使之成為符合各國或地區電磁兼容性標準的產品。EMC的定義是：在同一電磁環境中，設備能夠不因為其他設備的干擾影響正常工作，同時也不對其他設備產生影響工作的干擾。

　　一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線組成的。當電路中有電壓存在時，在所有帶電的元器件周圍都會產生電場，當電路中有電流流過時，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帶電，并在兩個極板之間產生電場，通過電場感應，兩個極板會產生充放電，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，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生感應。在兩極板之間的電路不管是閉路，或者是開路，當電場方向不斷改變時，在與電場方向一致的導體中都會產生位移電流。

　　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。一根數米長的導線，當其流過數安培的電流時，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，就可以在導體內產生數安培的電流。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電流。這個感應電流是因為變壓器初級線圈中有電流流過時，產生磁感應而產生的。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線圈。當電感器和變壓器漏感產生的磁力線穿過某電路時，此電路作為變壓器的“次級線圈”就會產生感應電流。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生電磁感應，即互相產生干擾。

　　在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會產生電磁干擾。在高速PCB及系統設計中，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，能發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。

　　2 電源的EMC設計

　　目前，大多數電子產品都選用開關電源供電，以節省能源和提高工作效率;同時越來越多的產品也都含有數字電路，以提供更多的應用功能。開關電源電路和數字電路中的時鐘電路是目前電子產品中最主要的電磁干擾源，它們是電磁兼容設計的主要內容。下面以一個開關電源的電磁兼容設計過程進行分析。

　　圖1是一個普遍應用的反激式或稱為回掃式的開關電源工作原理圖，50 Hz或60 Hz交流電網電壓首先經整流堆整流，并向儲能濾波電容器C5充電，然后向變壓器T1與開關管V1組成的負載回路供電。圖2是進行過電磁兼容設計后的電氣原理圖。

　　1)對電流諧波的抑制。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Uin大于電容器C5兩端電壓的時候，整流二極管才導通。

　　因此在輸入電壓的一個周期內，整流二極管的導通時間很短，即導通角很小。

　　這樣整流電路中將出現脈沖尖峰電流，如圖3所示。

　　這種脈沖尖峰電流如用傅里葉級數展開，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備的使用效率，即功率因數很低，并會倒灌到電網，對電網產生污染，當嚴重時還會引起電網頻率的波動，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脈沖尖峰電流過大的方法是在整流電路中串聯一個功率因數校正(PFC)電路，或差模濾波電感器。PFC電路一般為一個并聯式升壓開關電源，其輸出電壓一般為直流400 V，沒有經功率因數校正之前的電源設備，其功率因數一般只有0.4～0.6，經校正后最高可達到0.98。PFC電路雖然可以解決整流電路中出現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設計。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，但不能提高功率因數。

　　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試驗求得，也可以根據下式進行計算：