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电磁干扰浅析——传导干扰和辐射干扰

陶显芳| 电磁干扰,传导干扰,辐射干扰| 2011-03-23
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    *传导干扰
    *辐射干扰


电磁干扰(Electromagnetic Interference),简称EMI,有传导干扰和辐射干扰两 种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰;辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个 电网络或电子设备。为了防止一些电子产品产生的电磁干扰影响或破坏其它电子设备的正常工作,各国政府或一些国际组织都相继提出或制定了一些对电子产品产生 电磁干扰有关规章或标准,符合这些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。电磁兼容性EMC标准不是恒定不变的,而是天天都在改变,这也是各国政府或经济组织,保护自己利益经常采取的手段。

1.传导干扰

传 导干扰一般是通过电压或电流的形式在电路中进行传播的,图6是测试电子设备产生传导干扰的基本方法,或表示传导干扰通过电源线传输的几种方式。图6中,电 子设备表示干扰信号源,CI表示共模干扰信号,DI表示差模干扰信号;V1、V2、V3分别表示用仪表对干扰信号进行测量的连接方法,低通滤波器是为了便 于对V1、V2、V3进行测试,而另外加接进去的;R1、R2、R3、R4分别为各电子设备的接地电阻,也包括大地之间的电阻,接地电阻一般为几欧姆到几 十欧姆,其阻值与地线的安装和地表面土壤结构有关;C1为电子设备对大地的电容,其容量与电子设备的体积还有地面距离有关,一般为几微微法到几千微微法。 从图6中我们可以看出:

V1=CI-DI,V2=CI+DI,V3=DI

从图6中我们还可 以看出,差模干扰信号DI是通过电子设备两根电源输送线传输的,因此,必须用低通滤波器对它进行隔离;而共模干扰信号CI是通过电子设备对大地的电容C1 传输的,由于C1的容量一般都非常小,C1对低频共模干扰信号的阻抗很大,因此,在低频段,共模干扰信号一般很容易进行抑制,但在的高频段,对共模干扰信 号进行抑制,难度却要比差模干扰信号抑制的难度大很多。

1-1.回路电流产生传导干扰

图 7是一个开关电源电路的几个主要部分,图中,C1、C2、C3、C4是各主要部分的对地电容或对机壳的电容,R1、R2、R3是地电阻或机壳的电阻(机壳 接地);i1、i2、i3、i4是开关电源电路中几个主要部分的回路电流,i1是交流输入回路电流,i2是整流回路电流,i3是开关回路电流,i4是输出 整流回路电流。在这4个电流之中,i3的作用是最主要的,因为它受开关管Q1控制,其它电流全部都受它牵动而发生变化。

从电路中我们可以看出,i1、i2、i3所属的3个回路都是相互连接的,根据回路电流定律,i1、i2、i3之间具有代数和的关系,因此,只要3个电流中有一个电流的高频谐波对其它电路产生干扰,那么,3个电流都会对其它电路产生干扰,并且这种干扰主要是差模信号干扰。

i4与变压器初级的3个回路电流没有直接关系,它是通过磁感应产生的,因此它不会产生差模信号干扰,但它会产生共模信号干扰,i4产生共模信号干扰的主要回路一个是通过对地电容C4,另一个是变压器T1初、次级之间的电容(图中没有画出)。

另 外,还有4个回路电流i5、i6、i7、i8,这四个回路电流一般人是不会太注意的。这四个电流与前面的3个电流i1、i2、i3基本没有直接联系,它们 都是通过电磁感应(电场与磁场感应)产生的。在这几个电流中,其中以i7最严重,因为,变压器初级线圈产生的反电动势一端正好通过C3与大地相连,另一端 经过其它3个回路与交流输入回路相连。

这里特别指出,凡是经过电容与大地相连回路的电流都是属于共模信号干扰电流,因此,i5、i6、i7、i8全部都属于共模信号干扰电流。

1-2.电磁感应产生传导干扰

我 们知道,在开关电源里面,开关电源变压器是最大的磁感应器件。反激式开关电源变压器,就是通过把流过变压器初级线圈的电流转换成磁能,并把磁能存储在变压 器铁心之中,然后,等电源开关管关断的时候,流过变压器初级线圈的电流为0的时候,开关电源变压器才把存储在变压器铁心之中磁能转换成电能,通过变压器次 级线圈输出。开关电源变压器在电磁转换过程中,工作效率不可能100%,因此,也会有一部分能量损失,其中的一部分能量损失就是因为产生漏磁,或漏磁通。 这些漏磁通穿过其它电路的时候,也会产生感应电动势。

图8是磁感应产生传导干扰的原理图,图8表示开关电源变压器产生的漏磁通穿过其它电路 时,在其它电路中也产生感应电动势,其中漏磁通M1、M2、M3产生的感应电动势e1、e2、e3属于是差模干扰信号;M5、M6、M7、M8产生的感应 电动势e5、e6、e7、e8属于是共模干扰信号。

图 9是开关电源变压器产生的漏磁通的原理图。开关电源变压器的漏磁通大约在5%~20%之间,反激式开关电源变压器为了防止磁饱和,在磁回路中一般都留有气 隙,因此漏磁通比较大,即:漏感比较大。因此,产生漏感干扰也特别严重,在实际应用中,一定要用铜箔片在变压器外围进行磁屏蔽。从原理上来说,铜箔片不是 导磁材料,对漏磁通是起不到直接屏蔽作用的,但铜箔片是良导体,交变漏磁通穿过铜箔片的时候会产生涡流,涡流产生的磁场方向正好与漏磁通的方向相反,是部 分漏磁通被抵消,因此,铜箔片也可以起到磁屏蔽的作用。

检测漏磁通干扰的简便方法是,用示波器探头接成一个小短路环进行测量,最简便的方法就是把探头与地线端短路连在一起,相当于一个磁感应检测线圈。把磁感应检测线圈靠近变压器或干扰电路,很容易看到干扰信号的存在。

值 得一提的是,开关电源变压器初级线圈的漏感产生的反电动势et,在所有干扰信号之中是最不容忽视的,如图10所示。当电源开关管关断的时候,开关电源变压 器初级线圈的漏感产生的反电动势et几乎没有回路可释放,一方面,它只能通过初级线圈的分布电容进行充电,并让初级线圈的分布电容与漏感产生并联谐振;另 一方面,它只能通过辐射向外进行释放,其中通过对地电容C3与大地相连,也是反电动势et释放能量的一个回路,因此,它对输入端也会产生共模信号干扰。

2.辐射干扰

辐 射干扰一般是通过电磁感应的形式在空间进行传播的,图11是测试电子设备产生辐射干扰的基本方法,或表示电子设备产生的干扰信号通过电磁感应向空中辐射的 原理。图11中,电子设备表示干扰信号源,V1表示测量仪表,C1表示电子设备对大地的电容,C2表示电子设备与天线偶合的电容,即:电子设备通过电场对 天线产生感应,这里的天线也可以看成是被干扰的设备。图11的测试方法就是测试电子设备周围规定距离某处的电磁场强度,由于干扰信号一般都是一个频率成份 非常丰富的非正弦波,因此,无法对它进行直接测量,只能对它其中某一个频率信号单独进行测量。

电 子设备与天线感应产生的电流是位移电流,一般频率很高的位移电流在电路中每处的电流方向以及电流大小和电压幅度都是不一样的,我们无法对它直接进行测量, 因此,在进行信号测量的时候一般都使用谐振天线,使天线谐振回路对某个频率的干扰交流信号产生谐振,然后再检测谐振信号的电压幅度。在测试过程中,天线需 要经常进行调谐,调谐就是调节天线振子的长度,或磁感应天线谐振回路中的电容,更多的是调谐选频放大器输入回路中的谐振电路参数。

图12是极化天线 的工作原理图,图12a和图12b表示天线在电场中被感应产生极化的两种不同情形。所谓极化就是导体或物体在电场力的作用下产生带电,这种带电是极化带 电,即:导体或物体的一端带正电,而另一端带负电。一般地说,导体或物体被极化带电,只是两端带电,而中心点是不带电的。由于,极化天线的电场是一个交变 电场,所以,天线总是在图12a和图12b之间来回变化。12a和图12b最左边的图形是表示电场方向和天线的电荷分布曲线,中间图形表示载流子在极化天 线中流动,右边图形表示天线的等效电路。

天线来回极化的工作原理可以等效成一个串联谐振电路,当天线在电场力的作用下被极化带电时,它又相当于一个电容在充电;当天线中的载流子在电场力的作用下来回移动时,它又相当于一个电感,并且在天线的周围会产生磁场。

当 天线谐振电路产生谐振时,在天线串联谐振电路中会产生很大的谐振电流和很高的谐振电压(假设谐振电路的品质因数非常高),但实际使用的测量天线品质因数都 不高,因为天线还要输出能量,即:需要从天线中取出测试信号。要想从天线中取出信号,可以通过高频信号线(双线)把两根天线串联起来,相当于电缆线连接在 两根天线的中间,然后把高频信号线(双线)的另一端作为输出;另一种方法是,高频信号线(双线)其中的一条接天线,另一条接大地,高频信号线(双线)的另 一端作为输出。前一种天线一般叫半波双振子天线或全波双振子天线,后一种叫半波或全波单振子天线。显然,双振子天线性能要比单振子天线好很多。

这 种测量方法是不很精确的,但没有其它更好的方法。因为,任何谐振回路都是一个储能电路,这种储能电路是一点、一点地把电能量进行积累并存储起来的,在进行 能量积累的过程中自身也会损耗能量,最后达到接收能量与损耗能量完全平衡的时候,谐振回路的电压幅度才停止增长,即:谐振回路的电压幅度与谐振回路的品质 因数Q值有关,但谐振回路的品质因数Q值对于不同频率信号是不一样的,并且这种谐振回路无法检测干扰脉冲的瞬时值。

图13是谐振回路产生谐 振的工作原理图。图13a是一个含有谐波分量非常丰富的电压方波,图13b是LC串联回路产生谐振时的电压波形。当电压方波作用于LC串联回路时,方波的 前后沿都会对LC串联回路产生激励(即接收能量),每次激励过后又会产生阻尼振荡(即损耗能量),当输入电压波形的上升率dv/dt值大于谐振回路波形 (正弦波)的上升率时,电路就会产生激励;当输入电压波形的上升率dv/dt值小于谐振回路波形的上升率时,电路就会产生阻尼。

由 于每次激励过后振荡回路的能量还没有损耗完,紧接着又来一次新的激励,使振荡电压一次、又一次地进行叠加,如果激励的相位与振荡波形的相位能保持同步,则 振荡电压的幅度会越来越高,直到激励的能量与电路损耗的能量相等为止。因此,当谐振回路的品质因数Q值很高时,谐振电压也可以升得很高,理想的情况是Q值 无限高(即天线没有损耗),则产生谐振电压的幅度也会升得无限高,但这种情况是不存在的。

从图13还可以看出,LC串联回路产生谐振时的电压幅度与 激励波形的相位密切相关,而与激励波形的幅度反而相关不是特别大。如果图13a中的电压方波之间的相位或周期不是严格保持相等,那么图13b中的波形就会 产生严重抖动,并且谐振电压的幅度也会下降很多。因此,用图11中的测量方法并不能完全客观地测量出干扰信号在某空间处的电磁场强度。

另外还需指出,测试用的接收天线还分电场感应电线和磁场感应天线,还有电磁场感应天线。图11中仅以电场偶合天线为例进行分析。

图 13中只是对干扰信号接收天线的原理进行了分析,实际应用中天线是不具体区分接收天线和发射天线的,两者都可以同用一根天线。因此,电路中任何带电的导体 或有电流流过的导体都可以看成是发射天线。从图11可以看出,电子设备产生辐射干扰的大小除了干扰信号幅度之外,还与感应电容C1、C2的大小有关,即: 与电场辐射的面积有关(电容与面积大小成正比),与磁场辐射的面积也有关,因此,尽量减小干扰信号的辐射面积是一种降低辐射干扰的好办法。

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