電子電路中的EMC標準與EMC設計

目前，電子產(chǎn)品越來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驗的類型；提出電源電路中電磁兼容設計的基本方法，并用兩個實例驗證了其可行性。

關鍵詞? 電磁兼容? 電磁干擾? 壓敏電阻? TVS管

引言

　　電磁兼容設計實際上就是針對電子產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾EMI(Electromagnetic Interference)進行優(yōu)化設計，使之能成為符合各國或地區(qū)電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)標準的產(chǎn)品。隨著電子產(chǎn)品越來越多地采用低功耗、高速度、高集成度的 LSI電路，這些裝置比以往任何時候都更容易受到電磁干擾的威脅；而與此同時，大功率家電及辦公自動化設備的增多，以及移動通信、無線網(wǎng)絡的廣泛應用等，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問題加以關注。

1? 電磁兼容標準

　　為了適應國際商貿(mào)與技術發(fā)展的要求，國家技術監(jiān)督局對聲音和電視廣播設備、信息技術設備、家用和電熱、電動工具、電源、照明電器、火花點火發(fā)動機的驅動裝置、金融及貿(mào)易結算電子設備、安保電子產(chǎn)品、低壓電器10類進行強制性EMC認證。

　　目前對于電磁兼容的標準，不同的行業(yè)有不同等級標準要求。信息技術設備的無線電干擾要求如表1、表2所列。

表1? 電源端口傳導發(fā)射要求

表2? 機箱端口輻射發(fā)射要求

　　為了達到電磁兼容標準，電子產(chǎn)品在使用前需進行電磁兼容的抗擾度實驗，如表3所列。

表3? 電磁兼容的抗擾度實驗

2? 電磁感應與電磁干擾

　　一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線組成。當電路中有電壓存在時，在所有帶電的元器件周圍都會產(chǎn)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。

　　在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會產(chǎn)生電磁干擾。兩者是相輔相成的，電場會產(chǎn)生位移電流，電流又會產(chǎn)生磁場。在高速PCB及系統(tǒng)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(fā)射電磁波，并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內其他子系統(tǒng)的正常工作。

3? 電源電路中的電磁兼容設計

　　在電子產(chǎn)品中，各種干擾往往會通過電源傳輸給電子設備，從而對這些設備造成危害。通過對微機系統(tǒng)的失效概率統(tǒng)計可知：微機系統(tǒng)100次故障，其中90次來自電源，10次是微機本身，可見電源的可靠性最重要。具有良好抗干擾設計的電源，能使用戶在產(chǎn)品設計中無需考慮由電源引起的抗干擾問題，大大縮短用戶的產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。

3.1? 電源干擾的類型

　　電源干擾可以以“共模”或“差模”方式存在。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，能夠通過電源進行傳輸并造成設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備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象，就不會造成由電源引起的對用電設備的影響。

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，這兩個電感對于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是互相抵消的，因此不會引起磁芯的飽和；而對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，而對于脈沖干擾，其諧波頻率往往高達上百MHz，實際使用效果往往并不明顯。某研究機構對20種電源濾波器的抑制浪涌波的能力進行了測試，超過20 dB的僅有4種，甚至有的會在輸出端產(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大地的干擾，所以它主要通過變壓器繞組間的耦合電容來傳遞。如果在初、次級之間插入屏蔽層，并使之良好接地，便能使干擾電壓通過屏蔽層旁路掉，從而減小輸出端的干擾電壓。屏蔽層對變壓器的能量傳輸并無不良影響，但影響了繞組間的耦合電容。圖2畫出了帶屏蔽層的隔離變壓器的共模干擾通路。其中，C1為初級繞組與屏蔽層之間的分布電容；C2為次級燒組與屏蔽層之間的分布電容；Z1為屏蔽層接地阻抗；Z2為負載對地阻抗；e1為初級干擾（共模型）電壓；e2為次級干擾（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到60 dB左右，但實際使用后發(fā)現(xiàn)，對于尖峰干擾有抑制，其效果也不十分明顯。

3.2.3? 在電源的輸入端加入多級線路濾波器

　　一般情況下，在圖1所示的電路中再加一級差模濾波器，用于衰減差模干擾。通常，差模濾波器的設計如圖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，即在閾值電壓以下呈現(xiàn)高阻抗，而一旦超過閾值電壓，阻抗便急劇下降，因此對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管在電路中應并聯(lián)使用。

3.3? 參數(shù)選擇

　　對于不同的電路，電源線路濾波器參數(shù)的選擇應根據(jù)電流、電壓、頻率范圍等因素綜合考慮，有時應通過實驗來確定。本節(jié)只對壓敏電阻、TVS管的參數(shù)選擇進行說明。

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系。當兩端所加電壓低于標稱額定電壓值時，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內部幾乎無電流流過；略高于標稱額定電壓值時，壓敏電阻器將迅速擊穿導通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大；低于標稱額定電壓值時，壓敏電阻器又恢復為高阻狀態(tài)；超過最大限制電壓值時，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無法再自行恢復。

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

（2） ?壓敏電阻器的選取計算

　　一般來說，壓敏電阻器與被保護器件或裝置并聯(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低于標稱電壓，即使在電源波動情況最壞時，也不應高于額定值中選擇的最大連續(xù)工作電壓，該最大連續(xù)工作電壓值所對應的標稱電壓值即為選用值。對于過壓保護方面的應用，壓敏電壓值VmA應大于實際電路的電壓值，一般使用下式進行選擇：

　　式中：a為電路電壓波動系數(shù)，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時為有效值）；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；

　　這樣計算得到的VmA的實際數(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，因此計算結果應擴大1.414倍。另外，選用時還必須注意：

① ?必須保證在電壓波動最大時，連續(xù)工作電壓也不會超過最大允許值，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，有時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合標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器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它能以10-12秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。由于它具有響應時間快、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、無損壞極限、體積小等優(yōu)點，目前已廣泛應用于計算機系統(tǒng)、通信設備、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)字照相機的保護、共模/差模保護、RF耦合/IC驅動接收保護、電機電磁波干擾抑制、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領域。

（2） ?TVS管的選取

　　計算選取時應注意以下幾點：

①? TVS額定反向關斷電壓VWM應大于或等于被保護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應小于被保護電路的損壞電壓，即VC=KC×VBR (其中，KC=1.3)。
④? 在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護電路內可能出現(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，國內不少需進行浪涌保護的設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，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? 應用實例

3.4.1? 交流電路

　　圖4為微機電源采用TVS管作線路保護的原理圖。

圖4? 微機電源部分原理圖

　　下面就圖4中的線路保護加以說明。

①? 在進線的交流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時根據(jù)上述參數(shù)，通過查表即可得到。
②? 在變壓器進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時根據(jù)上述參數(shù)，通過查表即可得到。
④? 整流濾波輸出直流10 V時，加上單向TVS管D3抑制干擾。單向TVS管D3的

選取D3時根據(jù)上述參數(shù)，通過查表即可得到。

　　通過如上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進線端加上壓敏電阻器，以便更有效地防止干擾進入計算機的CPU及存儲器中，從而進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

3.4.2? DCDC電路

　　圖5是一個直流電源的前級抑制干擾原理圖。

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不能通過機殼接地，則必須要加TVS2接KF，目的是把瞬變脈沖干擾信號“導”向大地。

結語

　　國內外對電磁環(huán)境和干擾的研究工作，多年來一直沿著兩個方面并行推進：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，其成果用于設計和開發(fā)具有更強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備電磁兼容的各種因素，總結增強電子設備電磁兼容性的各種方法，其成果用于設計和開發(fā)更為理想的電路結構，組裝出符合預期應用環(huán)境的電子裝置、設備和系統(tǒng)。對電子線路設計者來說，主要考慮后者。電子線路中的EMC設計，實際上主要是“堵”和“導”的方法；“堵”的方法是抑制干擾，不讓干擾進入系統(tǒng)；“導”的方法是把內部的干擾信號泄露出來。因此，在實際應用中往往多種方法并用，以提高整個系統(tǒng)的可靠性。