電子線路中的EMC標(biāo)準(zhǔn)與EMC設(shè)計(jì)

　　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(dǎo)線組成。當(dāng)電路中有電壓存在時(shí)，在所有帶電的元器件周圍都會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)；當(dāng)電路中有電流流過時(shí)，在所有載流體的周圍都存在磁場(chǎng)。

　　在電子線路中只要有電場(chǎng)或磁場(chǎng)存在，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。兩者是相輔相成的，電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生位移電流，電流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。在高速PCB及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)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(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。

3 電源電路中的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　在電子產(chǎn)品中，各種干擾往往會(huì)通過電源傳輸給電子設(shè)備，從而對(duì)這些設(shè)備造成危害。通過對(duì)微機(jī)系統(tǒng)的失效概率統(tǒng)計(jì)可知：微機(jī)系統(tǒng)100次故障，其中90次來自電源，10次是微機(jī)本身，可見電源的可靠性最重要。具有良好抗干擾設(shè)計(jì)的電源，能使用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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?！被颉安钅！狈绞酱嬖?。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(jìn)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(jìn)行傳輸并造成設(shè)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(shè)備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象，就不會(huì)造成由電源引起的對(duì)用電設(shè)備的影響。

表4 電源干擾的類型

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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(gè)電感對(duì)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(huì)引起磁芯的飽和；而對(duì)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”。

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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(duì)于脈沖干擾，其諧波頻率往往高達(dá)上百M(fèi)Hz，實(shí)際使用效果往往并不明顯。某研究機(jī)構(gòu)對(duì)20種電源濾波器的抑制浪涌波的能力進(jìn)行了測(cè)試，超過20 dB的僅有4種，甚至有的會(huì)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(duì)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(jí)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(duì)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(jí)繞組與屏蔽層之間的分布電容；C2為次級(jí)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(fù)載對(duì)地阻抗；e1為初級(jí)干擾（共模型）電壓；e2為次級(jí)干擾（共模型）電壓。

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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(dá)到60 dB左右，但實(shí)際使用后發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(jí)線路濾波器

　　一般情況下，在圖1所示的電路中再加一級(jí)差模濾波器，用于衰減差模干擾。通常，差模濾波器的設(shè)計(jì)如圖3所示。

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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(diǎn)，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(duì)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(yīng)并聯(lián)使用。

　　3.3 參數(shù)選擇

　　對(duì)于不同的電路，電源線路濾波器參數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)電流、電壓、頻率范圍等因素綜合考慮，有時(shí)應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)來確定。本節(jié)只對(duì)壓敏電阻、TVS管的參數(shù)選擇進(jìn)行說明。

　　3.3.1 壓敏電阻器

　?。?） 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(guān)系。當(dāng)兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內(nèi)部幾乎無電流流過；略高于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)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(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器又恢復(fù)為高阻狀態(tài)；超過最大限制電壓值時(shí)，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無法再自行恢復(fù)。

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

　?。?） 壓敏電阻器的選取計(jì)算

　　一般來說，壓敏電阻器與被保護(hù)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(yīng)低于標(biāo)稱電壓，即使在電源波動(dòng)情況最壞時(shí)，也不應(yīng)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(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電壓值即為選用值。對(duì)于過壓保護(hù)方面的應(yīng)用，壓敏電壓值VmA應(yīng)大于實(shí)際電路的電壓值，一般使用下式進(jìn)行選擇：

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　　式中：a為電路電壓波動(dòng)系數(shù)，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時(shí)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(jì)算得到的VmA的實(shí)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(jì)算結(jié)果應(yīng)擴(kuò)大1.414倍。另外，選用時(shí)還必須注意：

　?、?必須保證在電壓波動(dòng)最大時(shí)，連續(xù)工作電壓也不會(huì)超過最大允許值，否則將縮短壓敏電阻器的使用壽命。
　?、?在電源線與大地間使用壓敏電阻器時(shí)，有時(shí)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(chǎng)合標(biāo)稱電壓更高的壓敏電阻器。
　?、?壓敏電阻所吸收的浪涌電流應(yīng)小于產(chǎn)品的最大通流量。

　　3.3.2 TVS管

　　（1） TVS管的作用