摘 要:本文阐述了电磁兼容性研究的意义,研究了开关电源中电磁兼容性问题产生的原因与解决方法,讨论了印刷电路板电磁兼容性问题与一般设计的注意要点,介绍了家用电器中电磁兼容问题及其避免方法。
关键词:电磁干扰 电磁兼容性 开关电源 印刷电路板 元器件
中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)04(a)-0052-02
1 电磁兼容性研究的重要意义
电磁兼容性是研究电磁干扰的学科。电磁干扰和电磁效应是人们早就发现的电磁现象,1981年英国科学家发表“论干扰”的文章,标志着研究电磁干扰问题的开始。1989年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题,使干扰问题的研究方向朝着产业化迈进。
理论和实践都表明,不管复杂系统还是简单装置,任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件:首先应该具有干扰源;其次有传播干扰能量的途径和通道;第三还必须有被干扰对象的响应。
实际上,两个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的偶合。正因为多种途径的偶合同时存在,反复交叉偶合,共同产生干扰,才使电磁干扰变得难以控制。 电磁兼容(EMC)是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何其他系统或装置构成不能承受的电磁干扰的能力。因此,人们对电磁兼容的含义作出了科学的概括,认为电磁兼容是:设备在共同的电磁环境中,能一起执行各自功能的共存状态。即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁干扰导致或遭受不允许的降级,它也不会使同一电磁环境中其它设备因受其电磁干扰而导致或遭受不允许的降级。
近年来,由于用电设备往往都采用了功能上多样化、设计结构上更加复杂化、容量大功率化,以及高频率 高灵敏度 ,以至于这种相互包容相互兼顾、各司其职互不干扰各显其能的状态很难获得。要使系统达到满意的电磁兼容性,必须根据系统的电磁环境,要求系统中每个用电设备产生的电磁辐射和传导等信号不超过一定限度,同时又要求它的响应具有一定的抗干扰能力。只有对每个用电设备作这两方面的约束,才能保证系统达到相对满意的兼容。
电磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科,涉及到电子、通信、计算机、电力、铁路交通、航空航天、军事以至人民生活各个方面。在当今信息社会,随着电子技术、计算机技术的发展,一个系统中采用的电气及电子设备数量大大增加,而且电子设备的频带日益加宽,功率逐渐增大,灵敏度提高,联接各种设备的电缆网络也越来越复杂,因此,电磁兼容问题日显重要。怎样能取得用电设备相对满意的兼容性呢,下面仅就常用的几个用电装置的电磁兼容性作一讨论。
2 开关电源的电磁兼容性讨论
2.1 开关电源中电磁兼容性问题的产生原因
电路中开关电源因工作在高电压大电流的开关工作状态下,引起电磁兼容性问题的原因是复杂的。主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合及电磁波耦合几种。
(1)共阻耦合主要是骚扰源与受骚扰体在电气上存在的共同阻抗,通过该阻抗使骚扰信号进入受骚扰体。公共导线也因两个电流环之间的互感而引起或因两个电压节点之间的互容耦合而引起;
(2)线间耦合主要是产生骚扰电压及骚扰电流的导线或PCB因并行布线而产生的相互耦合;
(3)磁场耦合主要是指在大电流的脉冲电源线附近,产生的低频磁场对骚扰对象产生的耦合;
(4)电场耦合主要是由于电位差的存在,产生感应电场对受骚扰体产生的场耦合;
(5)电磁波耦合主要是由于脉动的电压或电流产生的高频电磁波通过空间向外辐射,对相应的受骚扰体产生的耦合。
实际上,每一种耦合方式是不能严格区分的,只是侧重点不同而已。同时,由于电源变压器的漏电感及分布电容,主功率开关器件在高频开或关时开关电压及开关电流均接近方波,从频谱分析知,方波信号含有丰富的高次谐波,尤其在它的工作状态非理想化时,常伴随高频高压的尖峰谐波震荡,该谐波震荡产生的高次谐波,通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。
2.2 开关电源电磁兼容性问题的解决方法
对于传导性的公共阻抗耦合的解决是将连接线分离使系统各自独立避免形成公共阻抗。
由于频繁的动作,开关电源在电路的导通或闭合时,会有大量的电荷聚集在电源线和电器的内部器件上,这样必然会产生静电干扰;同时,由于电压、电流的高变化率,会产生快速瞬变脉冲干扰。开关电源的干扰以传导干扰为主,EMI滤波器是目前最有效的抑制方法。此外,经验表明开关电源的EMC性能往往可以在不增加任何元器件和改变线路的条件下通过修改印刷线路板的布线设计得到大大改善。
对开关电源产生的对外骚扰,如电源线谐波电流、电源线传导骚扰、电磁场辐射骚扰等。一方面,可以增强输入/输出滤波电路的设计,改善APFC电路的性能,另一方面,加强机壳的屏蔽效果,改善机壳的缝隙泄漏,并进行良好的接地处理。
此外,加装滤波器是一种很好的抑制传导干扰的方法。例如,在电源输入端接上滤波器,可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害,也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元,在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用,它不仅可以抑制传输线上的传导干扰,同时对传输线上的辐射发射也具有显著的抑制效果,设计恰当、选择合适、安装正确滤波器以及根据实际情况加以调整是抗干扰技术的重要组成部分。
所有电源滤波器都必须接地(厂家特别说明允许不接地的除外),因为滤波器的共模旁路电容必须在接地时才起作用。一般的接地方法是除了将滤波器与金属外壳相接之外,还要用较粗的导线将滤波器外壳与设备的接地点相连。接地阻抗越低,滤波效果越好。滤波器尽量安装在靠近电源入口处。滤波器的输入及输出端要尽量远离,避免干扰信号从输入端直接耦合到输出端。在安装滤波器时,要特别注意滤波器的输入导线与输出导线的间隔距离,不能把它们捆在一起走线,否则EMI信号很容易从输入线上耦合到输出线上,这将大大降低滤波器的抑制效果。
要减小开关电源的内部骚扰,实现其自身的电磁兼容性,提高开关电源的稳定性及可靠性,还应该注意数字电路与模块电路PCB布线的正确分区,数字电路与模拟电路电源的去耦,数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻骚扰,减小地环地影响,布线时注意相邻线间的间距及信号性质,避免产生串扰,减小输出整流回路及续流二极管回路与支流滤波电路所包围的面积,减小变压器的漏电、滤波电感的分布电容,运用谐振频率高的滤波电容器等。
总之,在开关电源设计中,为了少走弯路和节省时间,应充分考虑并满足抗干扰性的要求,避免在设计完成后去进行抗干扰的补救措施。
3 印刷电路板(简称PCB)的电磁兼容性探讨
印刷电路板(PCB)是电子产品中电路元器件的支撑件,它提供电路元器件之间的电气连接,是各种电子设备最基本的组成部分,而且PCB的密度越来越高,PCB设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大,它的性能直接关系到电子设备质量的好坏以及电磁兼容性的优劣。那么,哪些因素能引起PCB的电磁兼容问题、在进行PCB设计时应采取什么样办法,这是我们要讨论的。
3.1 PCB产生电磁兼容问题的原因
(1)PCB尺寸大小会引起引线间阻抗或散热问题;
(2)数字电路、模拟电路、电源电路;高频电路、低频电路;高速、中速和低速逻辑电路,在PCB上布局和布线不合理,它们会各自和互相产生干扰;
(3)易产生分布参数的高频元件,可能产生噪声干扰某些噪声元件;如果在PCB上得不到合理的布局和布线,同样会引起电磁干扰问题;
(4)如果屏蔽和接地问题处理不当,会引起相当的电磁干扰问题;
(5)在高频的情况下,PCB上的走线、过孔电阻、接插件的分布电容、电感的影响;相邻线间的串扰;负载到电源间的通路阻抗、射频电流的影响;可能还会产生天线效应而向外辐射;负载的变化会引起电源噪声和开关噪声;以及环路电阻的影响,终端反射的干扰等等。另外,长距离的平行线也可能产生线间干扰。
3.2 PCB电磁兼容问题的解决方法
要使电子电路获得最佳性能,除了元器件的选择和电路设计之外,良好的PCB布线在电磁兼容性中也是一个非常重要的因素,如果忽视了线路布局对电磁兼容性的影响,使大量的信号辐射到空间形成骚扰。就算后来加上滤波器、瞬态抑制器件、外壳屏蔽和正确的接地,也不能解决这些问题。在PCB设计时以下几方面必须注意。
(1)首先要考虑PCB尺寸大小,引线的长短,PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,整机体积过大,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。因此要选择合适的PCB尺寸。各部件之间的引线要尽量短。
(2)确定特殊部件的位置。根据电路的功能,对电路的部件进行布局。将数字电路,模拟电路以及电源电路分别放置,使相互间的信号耦合为最小。将高频电路与低频电路分开,最好各自隔离或单独做成一块电路板。在PCB中,遇有高、中和低速逻辑电路时,应把相互有关的元器件尽量放得靠近些,这样可以获得较好的抗噪声效果。易受干扰的器件不能相互挨得太近,输入和输出器件应尽量远离;噪声组件与非噪声组件要距离再远一些。
(3)在模拟数字混合线路板的设计时应注意降低数字信号和模拟信号间的相互干扰。系统只采用一个参考面,使用统一地,将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线,而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下,数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地,反之亦然。这样就不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题;还有就是器件布局要合适;不要对地进行分割,在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。
(4)在高频情况下,印刷线路板上的走线、过孔、电阻及接插件的分布电感与电容(电容的分布电感 、电感的分布电容)等不可忽略。电阻会产生对高频信号的反射和吸收。走线的分布电容也会起作用,这些小的分布参数对于高速系统必须特别注意。
(5)布线要分离,以便将PCB同一层内相邻线路之间的串扰和噪声耦合最小化;同时设置分流和保护线路对关键信号进行隔离和保护,将关键信号从与其他信号线的耦合中隔离开来。为了抑制印制板导线之间的串扰,在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线,尽可能拉开线与线之间的距离,信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线,可以有效地抑制串扰。
(6)在地线设计时,接地阻抗应最小化,以提高用电设备的抗噪声能力。应尽量加粗接地线,否则接地电位将随电流的变化而变化,抗噪声性能将变差;当采用多层线路板设计时,可将其中一层作为“全地平面”,这样可减少接地阻抗,同时又起到屏蔽作用;最好选用多层板,对信号线形成均匀的接地面,以加大信号线和接地面间的分布电容,抑制其向空间辐射的能力,从而减小辐射骚扰。不管是对多层PCB的基准接地层还是单层PCB的地线,射频电流的返回通路都应尽可能短,返回通路的阻抗低,PCB的电磁兼容性能越好;尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻,环路区域应当尽可能小,以免产生天线效应,噪声通过走线向外发射。
总之,印制线路板是电子产品最基本的部件,也是绝大部分电子元器件的载体,一个好的印制线路板可以解决大部分的电磁骚扰问题,只要同时在接口电路排板时增加适当瞬态抑制器件和滤波电路就可以同时解决大部分抗干扰问题,较好的满足产品的电磁兼容要求。
4 家用电器中电磁兼容问题及其避免方法
各种家用电器,其在正常工作时,都要发出各种不同波长、频率的电磁波,产生电磁干扰和电磁污染。各种电器在运行中不断反复动作,电感电路的能量反复变换,使电磁场动荡不停,这些都将对周围电器的工作可靠性产生影响。
许多家用电器是用电动机驱动的。带换向器式电动机的家用电器产生的电磁骚扰尤为严重。由于其带有换向器和电刷,在转子高速旋转时,电刷不断地接通和断开,极易产生电刷电弧,形成火花骚扰,电动机为感性负载,当切换负载的供电电源时会产生高反向电压。火花骚扰和高反向电压均具有频谱宽、谐波丰富的特点,而这些频率范围覆盖许多广播、通讯等电子设备的正常工作频率,严重时会影响设备无法正常工作。消除电动机产生骚扰的行之有效的方法是滤波屏蔽和接地。
家用电器中微处理器电路的各种外部集成电路是用总线形式连接的,靠地址线选通外设,在未被微处理器选中时,器件处于高阻状态,在一定条件下,电荷很容易产生积累,并在被选中时产生静电放电。值得提出的是,除了解决上述电磁干扰之外,微处理器还特别要提高自身的抗干扰性。高频数字脉冲一旦受到外界的骚扰,很容易不能正常工作,甚至造成整个系统的崩溃。
家用电器的某些元器件,如操作开关、继电器、接触器在动作时会在其母线上产生多个瞬态脉冲族,称为群脉冲干扰。快速瞬变群脉冲一般不会对器件和系统造成破坏,但对于家用电器中的微处理器可以造成很大的影响。当这些高频的尖脉冲出现在地址总线、数据总线或逻辑门电路上时,会使微处理器和逻辑电路产生时序错误,造成微处理器程序混乱等。因此,抗尖脉冲干扰是带有微处理器家用电器的电磁兼容性设计的重要环节。这些元器件应加以特殊处理,一般在他们的两端并联或串连电容元件和二极管以吸收尖脉冲干扰;其次,在极为重要的电路中应增加一些吸收尖脉冲的元器件。加去耦电容,在保证灵敏度和信噪比的情况下加衰减器,使信号线远离干扰源。
总之,由于家用电器的种类繁多、结构复杂,电磁兼容性是其中的一个重要衡量指标,对其技术的研究显得极为重要。
参考文献
[1]蒋红梅,崔玲玲.开关电源的电磁兼容性技术及解决方法.电源世界,2008,11.
[2]百度文库,印刷电路板PCB的电磁兼容性设计,https://wenku.baidu.com/view/a9b768620b1c59eef8c7b499.html.
[3]顾海林.电磁干扰与电磁兼容性技术综述.科技创新导报,2008,28.