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EMC设计方案浅谈

陶显芳| 电磁干扰,电磁兼容,EMC设计,静电感应,滤波器| 2011-03-23
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    *EMC设计方案浅谈
解决方案
    *传导干扰EMC滤波电路设计
    *地线对EMC的影响


电磁兼容(EMC)设计的目的就是想办法使自己设计或生产的电子设备产生各种干扰信号的幅度符合别人的要求;同时还要想办法让自己设计或生产的电子设备在受到其它电子设备产生干扰的情况下还能正常工作。因此,EMC标准一般都是强制性的。

防止电子设备产生传导干扰和辐射干扰最好的方法,是采金属机壳对电磁场进行屏蔽,以及对电源输入电路用变压器进行隔离,并且还要对变压器也进行静电感应和磁感应屏蔽。但由于金属机壳比较笨重,并且成本很高,另外50周的电源变压器体积很大,并且对其进行静电感应和磁感应屏蔽也比较麻烦,因此,这两种方法只有一些要求特别高的场合才会使用,例如:精密测试仪表,对于一般的普通电器设备,目前已很少使用。

在 塑料机壳内表面喷涂导电材料也是一种对电磁屏蔽很有效的方法,比如,在塑料机壳内表面喷涂石墨,对超高频电磁屏蔽效果就非常好,因为,石墨既导电又有电 阻,是吸收电磁波的良好材料,它不容易对电磁波产生反射,并对电磁波产生衰减作用。如果只从屏蔽效果来比较,石墨对电磁场屏蔽的效果的确不如导电良好的金 属,但金属屏蔽也有缺点,它最大的缺点就是产生电磁波反射,并使电磁反射波相互迭加,严重时会产生电磁振荡。

当被屏蔽干扰信号的波长正好与 金属机壳的某个尺寸接近的时候,金属机壳很容易会变成一个大谐振腔,即:电磁波会在金属机壳内来回反射,并会产生互相迭加,其工作原理与图13基本相同。 这种情况在电脑机壳内最容易实现,当电脑机壳的边长正好等于某干扰信号的半个波长,且干扰信号源正好位于电脑机壳的中央位置的时候,干扰信号很容易就会在 机壳内部产生电磁振荡。当某一干扰信号频率正好在谐振腔中产生谐振的时候,电磁波的能量反而会被加强。被加强了的干扰信号,一方面会破坏设备自身的正常工 作,另一方面干扰信号也会从金属机壳的裂缝逃逸出去,产生辐射干扰,雷达设备经常使用的裂缝天线就是这个工作原理。特别指出,电磁波在金属机壳中产生辐射 或谐振,与外壳接地或不接地无关。

大多数电器设备传导干扰都是由开关电源引起的,为了提高开关电源的工作效率,一般都希望开关管导通和关断 速度越高越好,即:方波的前、后沿越陡越好,这样的结果会使开关电源产生的干扰更加严重,要进行抑制更加困难。因此,在对开关电源进行设计时,不要无条件 地追求开关电源的工作效率为越高越好。

不管采用什么样的滤波电路来抑制电子设备产生的传导干扰,其主要目的都是要把图6中的V1、V2、 V3等三个干扰信号的幅度降到最低。例如:要抑制V1干扰信号,最有效的方法是在V1的两端并联一个电容,由于这个电容连接的位置比较特殊,需要符合安全 标准,因此,一般人们都称他为Y电容;同理,要抑制V2干扰信号,最有效的方法也是在V2的两端并联一个Y电容。由于Y电容会引起设备漏电或机客带电,容 易危及人身安全,所以这两个Y电容都是属于安全电容,其容量不能大,并且要求耐压很高,否则,机器将会漏电。安全标准规定,一般在亚?带机器对地漏电电流 不能超过0.7mA,在温带机器对地漏电电流不能超过0.35mA,因此,Y电容的总容量一般都不能超过4700P。

特别提示,Y电容为安全电容,必须经过安全检测部门人证过后才能使用。Y电容的耐压一般都标有安全认证标志和AC250V或AC275V字样,但其真正的直流耐压高达5000V以上,因此,Y电容不能随便用AC250V,或DC400V之类的电容来代用。

抑 制V3干扰信号最有效的方法,同样也是在V3的两端并联一个电容,由于这个电容连接的位置比较特殊,也需要符合安全标准,因此,一般人们都称他为X电容。 X电容同样也属于安全电容,其容量可以比Y电容大,但必须在X电容的两端并联一个安全电阻,用于防止电源线拔插时电源线插头长时间带电。安全标准规定,当 正在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内,电源线插头两端带电的电压(或对地电位)必须小于原来电压的30%。

X电容也是安全电容,必须经过安全检测部门认证过后才能使用。X电容的耐压一般都标有安全认证标志和AC250V或AC275V字样,但其真正的直流耐压达2000V以上,使用的时候不要随便用AC250V,或DC400V之类的电容来代用。

X电容一般都选用纹波电流比较大的聚脂薄膜安全电容,这种电容体积一般都很大,但其允许瞬间充放电的电流也很大,即:内阻比较小。普通电容纹波电流的指标一般都很小,动态内阻比较大,用普通电容代替X电容,除了耐压条件不能满足以外,一般纹波电流指标也是难以满足要求的。

实 际上,光靠用Y电容和X电容就想把传导干扰信号完全滤除是不可能的。因为干扰信号的频谱非常宽,基本覆盖了几十KHz到几百MHz甚至上千MHz的频率范 围。对低端干扰信号的滤除需要很大容量的滤波电容,但受到安全条件的限制,Y电容和X电容的容量都不能用大;对高端干扰信号的滤除,大容量电容的滤波性能 又极差,特别是聚脂薄膜电容的高频性能一般都比较差,因为它是用卷绕工艺生产的,并且聚脂薄膜介质高频响应特性与陶瓷或云母相比相差很远,一般聚脂薄膜介 质都具有吸附效应,它会降低电容器的工作频率,聚脂薄膜电容工作频率范围大约都在1MHz左右,超过1MHz其阻抗将显著增加。

因此,抑制电子设备产生的传导干扰除了选用Y电容和X电容进行滤波以外,一般还要同时选用多个电感滤波器一 起组合对干扰除进行滤波。电感滤波器属于低通滤波器,但电感滤波器也有很多种类和无数多种规格,例如有:差模、共模,以及高频、低频等,每种电感主要都是 针对某一小段频率的干扰信号滤除而起作用,对其它频率的干扰信号的滤除起作用不大。因为,电感量很大的电感,其线圈匝数很多,分布电容也很大,高频信号会 通过分布电容旁路掉,另外,导磁率很高的磁芯,其工作频率也不高。目前,国内大量使用的电感滤波器磁芯的工作频率大多数都在75MHz以下,对于工作频率 要求比较高的场合,必须选用高频环形磁芯,高频环形磁芯导磁率一般都不高,但漏感特别小。

图14是根据上面分析而设计的EMC滤波电路,EMC滤波电路如虚线框内所示。

图 14中,C1、C2是Y安全电容,其主要作用是对V1、V2进行旁路,V1、V2属于共模干扰信号,因此C1、C2的功能主要是对共模干扰信号进行抑制, 同时C1、C2对V3也有一定的旁路作用,但因两个电容串联起来的容量很小,因此,其主要功能是高频差模干扰信号进行抑制;C3是X安全电容,其主要作用 是对V3进行旁路,V3属于差模干扰信号,因此,C3的主要功能是对差模干扰信号进行抑制;C4也是X安全电容,虽然它没有对V3直接进行旁路,但它也是 差模干扰信号抑制的滤波电容;R1是残余电压释放电阻,其阻值要与C3、C4等配合使用,使时间常数τ=R1*(C3+C4)小于2秒,但R1不能用得太 小,太小会损耗电源功率。当电容充放电时间等于τ时,电容器两端的电压上升或下降的值是最大值的63%。

图14中,L1、L2是电感滤波 器,L1为差模干扰信号电感滤波器,L2为共模干扰信号电感滤波器,由于差模干扰信号电感滤波器很容易产生磁饱和,以及电感滤波器的体积也比较大,因此目 前很少人使用,基本上都是用共模电感滤波器来代替。实际应用中 共模电感滤波器的两个线圈之间也存在很大的漏感,因此,它对差模干扰信号也具有一定的滤波作用。

根据EMC的定义或原理,EMC滤波电路不但要抑制本电子设备产生的电磁干扰,同时也要对外来的电磁干扰信号进行抑制,因此,图14所示的EMC滤波电路还不是十分完美的。为了提高EMC滤波电路对外来电磁干扰信号的抑制能力,最好在输入端也安装一个低通滤波器,并且这个低通滤波器对本电子设备产生的电磁干扰也有很强的抑制能力。

另 外,由于电磁干扰信号的频谱非常宽,单独用一个电感滤波器是很难达到满意要求的,因为,目前采用的电感滤波器都不是理想的电感滤波器,每种规格的电感滤波 器只能对应某一频段滤波效果为最好,因此,最好同时把高、中、低三种不同频率滤波特性的电感滤波器同时都用上。图15是一种具有对外来传导干扰信号有很强 抑制能力的EMC滤波电路,同时,EMC滤波电路还可以把高、中、低三种不同频率滤波特性的电感滤波器组合起来使用,使性能进一步提高。

图 15与图14相比,多了一个L0低通电感滤波器,目的是为了提高对外来传导干扰信号的抑制能力。如果只考虑提高抑制本电子设备干扰的能力,可把C1、C2 的连接位置移放到电源线的最前端,即:尽量靠近测试仪表的接入处,抑制干扰效果会更显著。需要检查电子设备对外来电磁干扰信号的抑制能力,可在电源线输入 端输入一个干扰信号,然后检测电子设备被干扰影响的程度,如:电视机出现行扫描不同步等。对不同的电子设备,干扰信号也有不同的要求,这些标准制定一般都 是由行业协会提出,最后由标准制定单位推荐使用。

1.传导干扰EMC滤波电路设计

传导干扰分共模信号干扰和差模信号干扰,我们先来分析共模信号干扰。

我 们可以从图6、图7、图8、图10、图12、图14、图15等看出,共模干扰信号主要是通过电子设备对地的分布电容构成回路传输的。如图5中的C5就是干 扰设备对地的分布电容。C5的容量与干扰设备的体积有关,与地面的距离有关,但检测时,设备到地面的距离是固定的,C5的容量大约在十几到几千微微法之 间。由于C5的容量很小,对低频信号的阻抗很大,因此,能够通过C5电容的共模干扰信号基本上都是属于高频信号。

在图14、图15电路中,为了降低共模干扰信号输出,还在电路中串入L0、L1、L2等电感,以及C1、C2等电容。与C5电容的特性相反,电感滤波器对低频信号的阻抗很小,而对高频信号的阻抗却很大。

图16表示C5电容与L0、L1、L2等电感滤波器的频率-阻抗特性图。图16中红线表示设备对地电容C5的频率阻抗曲线;蓝线是滤波电感L0、L1、L2的频率阻抗曲线。

对 于电容来说,在频率的低端电容的阻抗很大,低频共模干扰信号一般难以通过;但当频率升高到一定某一个数值的时候,电容的阻抗就会降低,共模干扰信号就会很 容易通过,因此,产生共模干扰的信号的频率主要集中在红线的右端。但对于电感L0、L1、L2来说,在频率的低端电感的阻抗很小,低频共模干扰信号一般很 容易通过,但当频率升高到某一个数值的时候,电感的阻抗会升高,使共模干扰信号难以通过,因此,出现共模干扰信号的频率主要集中在蓝线的左端。由此,可以 得出结论,出现共模干扰信号的频率就是在电容阻抗曲线与电感阻抗曲线的交汇处,如图16中的a、b、c或对应频率f1、f2、f3附近。

图16中有 三条蓝色电感滤波器的阻抗曲线,分别对应不同数值的电感。当符合标准的共模干扰信号对应的阻抗参考线为Z1时,图16中的三种电感参数全部合格;当符合标 准的共模干扰信号对应的阻抗参考线为Z2时,选用的三种电感参数只有两种合格,其中第一个性能最优,但成本相应也会提高。另外我们还可以看出,选用不同的 电感参数,对应出现共模干扰信号的频率也不一样。

我们再来分析差模干扰。我们同样可以从图6、图7、图8、图10、图12、图14、图15 等看出,差模干扰信号没有通过设备对地的分布电容构成回路,主要是通过电源输电线路进行传输。在图14、图15中对差模干扰信号起抑制作用的主要是L0、 L1、L2、C3、C4,以及C1、C2。一般C1、C2都是在安全标准允许的条件下把容量用到最大,参数可调的一般只有C3、C4两个电容,和L0、 L1、L2三个电感滤波器。

图17表示C3、C4滤波电容器与L0、L1、L2等电感滤波器的频率-阻抗特性图。图17中的两条红线,表示 滤波电容器C3、C4选取不同容量时的频率阻抗曲线;两条蓝线,表示滤波电感L0、L1、L2选取不同电感值时的频率阻抗曲线。对于电容来说,在频率的低 端电容的阻抗很大,低频差模干扰信号一般难以通过;但当频率升高到一定范围的时候,电容的阻抗就会降低,差模干扰信号就很容易通过,因此,出现差模干扰信 号的频率主要集中在红线的左端。

但 对于电感L0、L1、L2来说,在频率的低端电感的阻抗很小,低频差模干扰信号一般很容易通过,但当频率升高到一定范围的时候,电感的阻抗也会升高,使差 模干扰信号难以通过,因此,出现差模干扰信号的频率主要集中在蓝线的左端。由此,可以得出结论,出现差模干扰信号的频率全部都集中在电容阻抗曲线与电感阻 抗曲线相交处的左端,如图17中的a、b、c、e或对应频率f1、f2、f3、f4的左边。因此,滤波电容器C3、C4与电感滤波器L0、L1、L2的数 值,对于差模干扰信号抑制效果来说都是越大越好。

从图16和图17可以看出,出现共模干扰信号的频率既不是频率的低端,也不是频率的高端,而是在某个频率的附近;而出现差模干扰信号的频率全部都是集中在某个频率的低端。

特别指出,上面分析,完全是把电容器和电感器看成一个理想器件来进行分析的结果,实际应用中的电容器并不是一个理想的电容器,电感滤波器也不是一个理想的电感滤波器。因此,在进行实际电路设计时一定要反复查看自己所选择器件的参数,特别是各种器件的频率响应曲线。

2.地线对EMC的影响

很多人都认为,电路中的地线或接地电路都是不带电的,实际上,这种认为是错误的。在一般的直流电路或低频电路中,当不考虑电磁感应时,可以认为电路中的地线或接地电路是不带电的,但在存在电磁感应的电路中,就不要轻易认为电路中的地线或接地电路是不带电的。

举 个简单例子吧,谁会相信,几十万伏的高压输电线的正中心是不带电的。但事实上,由于电场的相互作用,导体中的电荷分布主要都是集中在导体的外表面,而导体 的中心电荷几乎为0,所以带电导体的中心是不带电的。这个原理可以用验电器在一个带电空心金属球的中心进行测试作证明,在一个带电空心金属球的中心电场强 度的确为零,从而也可证明带电导体中心的电场强度为零,即不带电。

在具有电磁感应的电路中,无论电路是否闭合回路,或者是开路,在与电场方 向一致的导体中都会产生位移电流,无论是导体或者是绝缘体在电场中都会产生极化带电;当电场的方向不断改变时,电流的方向也会跟随电场的方向改变而改变, 电流将一会儿向前跑,一会儿向后跑。导体被极化带电的过程,可参考图12中的天线被极化的过程。另外,磁感应也会使导体或电路产生感应电动势,使导体或电 路带电。

一个被充满电的电容器,它的两个电极就是带电体,一端带正电,另一端带负电,而真正不带电的地方是在电容器的中间;同理,一个被感 应的变压器次级线圈,它的两个输出端口也会带电,而真正不带电的地方只有在变压器线圈的中间抽头处。严格来说,只有电位为零的物体,我们才能称它不带电; 或者说,只要电位不为零的物体我们都应该称它为带电体。但这样一来,我们实际中接触到很多的具体电路就只能用等效电路来表示了,所以,有时把问题太复杂化 了也不好,但过于简单有时也会把实质性的问题给掩盖住了。

一只小鸟,如果它站在电视发射天线的中间,它一般是不会产生触电危险的,但如果它 站在电视发射天线的某一端,它可能会立刻被电死。这说明发射天线的中间是不带电的,而发射天线的两端都是带电的。但为什么小鸟站在几十万伏的高压线上,它 没有被触电,而站在只有几十伏电压的发射天线的某一端上却会被电死呢?这就是电磁感应的性质,微波炉就是根据电磁感应原理制造的。

小鸟站在高压线上没被电死的原因,是因为小鸟的电容很小,虽然几十万伏的高压对它来回充放电,电流很小(i=C*dv/dt);而小鸟站在发射天线的某一端,因为发射天线电压信号的频率很高,电容来回充放电的电流很大,因此,小鸟很容易会被电死。

由 此可知,如果把多个不是真正零电位的电路或带电体互相连接在一起,接点处将会出现电流。比如,三相变压器的中线一般都接地,当三相电源负载不平衡的时候, 接地处就会产生电流;又如,把变压器次级线圈的一端接地,接地端也会产生电流,而电流的大小与变压器次级线圈的电容有关,与工作频率也有关,与输出电压也 有关。

在进行电路设计的时候,对地线的连接和处理一定要特别慎重,否则将会出现严重的地线干扰。这里再次指出,一般电路中的地,不是大地, 其电位并不等于零,它只不过是一根公共连接线,当它没有与大地连接时,我们更不应该把它看成地线。理想的地线应该是,电位处处为零,即:在理想的地线中是 没有电流流动的,如果导体中有电流流动,我们就不能把它当成地线。

下面我们以图18为例来分析地线对EMC产生的影响。图18中Q1表示开 关电源,T1为开关变压器,D1为整流二极管,C1、C2、C3为滤波电容器,A1为功率放大器,S1为功率放大器输入信号,R1为功率放大器输出负 载,G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8为各个器件的地;Ui表示整流输出电压,Uo表示经过滤波后的输出电压。我们先来看G1,G1是开关 电源变压器次级的地,这个G1地的电位不是0,变压器次级真正的0电位是在变压器次级线圈的中心抽头处,如果变压器次级线圈的两个端子不接成回路,它相当 于一个振子天线;如果把G1与大地相接,哪怕变压器次级线圈的另一端不与其它电路连接,G1也会产生地电流,并且变压器次级线圈热端的电位会升高一倍,其 工作原理与广播电台的中波发射天线的工作原理很类似。

变压器输出电压经二极管D1整流后为脉动直流,脉动直流含有非常丰富的高频谐波,不能直接向功率放大器供电,必须要经过储能滤波,使脉动直流变成一种纹波很小的直流后,再给功率放大器供电。

图 18中C1是储能滤波电容,它的功能是把开关电源输出的脉冲功率进行存储,然后再给负载提供稳定的功率和电压输出。电容C1充电的时候相当于功率存储,放 电的时候,相当于功率输出。由于C1的充放电电流特别大,如果电路处理不当,充放电回路产生的电磁干扰将非常严重。产生感应电动势的大小,与电流的变化律 成正比,与磁通的变化率成正比,与产生感应磁通回路的面积成正比,与互感的大小成正比;而充电回路电流的大小,与开关电源输出电压的变化率成正比,与充电 电容器的大小成正比。

图19是开关电源整流输出电压以及电源滤波电容的纹波电压和纹波电流波形。图19中红线表示电容器充电时的电压、电流 变化曲线,蓝线表示电容器放电时的电压、电流变化曲线。其中Ui表示整流输出电压,Uo表示经过滤波后的输出电压,uc表示滤波电容的纹波电压,ic表示 滤波电容的纹波电流。

由图19可以看出,电源滤波回路同时存在两种非常严重的电磁辐射,一个由变压器输出电压方波产生的高频电场辐射,另一个是由电源滤波回路电容器充放电电流产生的高频磁场辐射,统称电磁辐射。

为 了减少电磁辐射,比较简便和有效的办法就是减少电磁辐射的面积,或减少电压和电流的上升率,减少电压上升率会增加电源开关管的损耗;减少电流上升率可以在 电容充放电回路中串联一个小电感,但串联电感又会产生新的磁辐射,并且增加成本。为了减少电磁辐射的有效辐射面积,整流二极管D1、电源滤波电容C1必须 紧靠开关电源变压器的次级,电源滤波电容C1的地G2更应该就近与变压器次级的地G1连接,并且在PCB板上还要做到一点接地,即:在这两个接地点之间不 要插入其它的接地点。变压器输出电压经过C1电容滤波后,脉动电压的成分以及高次谐波部分都将会大大减少,此时,G1或G2与大地连接,流入大地的谐波电 流也将会大大减小。

我们再看其它的地,G7是功率放大器A1输出的地,同时G7还是功率放大器A1电源的负极。我们可以把功率放大器A1看 成是一个软开关,功率放大器的输出级一般都是由两个推拉管组成,两个放大管受输入信号的控制来回导通,不断地向负载R1提供功率输出,并且不停地向电源索 取能量——电流。流过功率放大器A1或负载R1的电流是脉动电流,因此,率放大器的电源输入回路以及功率输出回路也会向外产生很强的电磁辐射,为了减少电 磁辐射,要尽量减少电源输入回路以及功率输出回路的面积。

对于功率放大器A1的供电回路来说,减少电磁辐射面积最好的方法,是把电源直接接 到功率放大器电源输入脚的两端。一个充满了电的电容可以把它看成是一个电源,因此,C2、C3都可以看成是给功率放大器供电的电源,所以,C2、C3应该 尽量靠近功率放大器供电的输入端,并与电源输入的两端紧密相连。C3是高频电容,它能在很短的时间内输出较大的电流,即高频响应好,并且体积比C2小,它 靠近功率放大器的电源输入端更为便利,对减少电磁辐射很有利。因此,G4应该优先与G7连接,其次是储能电容C2的地G3,最好G7、G4、G3三个地能 够接在一个点上,即在它们之间不要插入其它接地点,最后G7再与G8相连。C2是一个大容量储能电容,但它瞬间不能提供出大电流,因此,需要并联一个高频 电容C3。

G5是信号源的地,G6是功率放大器输入信号的地,理所当然它们两个地应该连接在一起。功率放大器输入信号的回路很容易被其它电 流回路产生电磁感应干扰,因此,输入信号回路的面积也要尽量地小,输入信号的输入地线与信号输入线要尽量要靠近,并且要平行一起走,使电磁感应在每根信号 线上产生的干扰信号,对放大器来说,均为共模信号,这样可以互相抵消。如果G5和G6不是一点接地,G5和G6之间产生的电位差将会成为放大器输入信号的 一部分,即:干扰信号通过地线会串扰到输入信号之中,将会被破坏放大器的正常工作,严重时还会使放大器出现自激。

图20是经过接地优化以后 的原理图,经过接地优化以后,原来图19中的8个接地点现在减少5个,变成了3个,然后,这3个接地点之间不管用导线怎么样互相连通,在连接的导线(地 线)中都不会出现大的脉动电流或者互相产生信号干扰,如果把其中任何一个接地点与大地连接,也不会产生大的脉动电流。因此,经过接地优化以后,不但可以降 低设备中各部分电路之间通过地线产生的各种信号互相干扰,同时`也可以降低本设备对其它设备产生的干扰。

结束语

最后指出,抑制电磁辐射干扰的最有效方法是对电磁场进行屏蔽,用导体把两个带电体之间的电力线截断,或用高导磁率的磁性材料把产生干扰磁场的物体进行屏蔽。 但用于电场屏蔽的导体需要良好接地才能有效,如果屏蔽电场的导体不能良好接地,屏蔽电场的导体不但起不到屏蔽作用,反而对电场辐射干扰起到接力赛的效果, 因为电场也会通过感应使屏蔽导体带电。另外,用导体对磁感应干扰进行屏蔽,也会产生意想不到的作用。因为,磁力线穿过导体的时候,也会产生感应电流,即: 涡流。涡流又会产生磁场,这个新产生的磁场的方向正好与干扰磁场的方向相反,两者正好可以互相抵消。

目前,对电磁兼容EMC电路设计,还没有一种有效的方法能像设计一个放大器那样,可以通过计算使放大器的放大倍数精确到百分之几以内。对电磁兼容EMC进行设计的主要方法还是靠经验或借助别人的经验,需要不断实践才会不断提高。

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