电子电路中的EMC标准与EMC设计
目前，电子产品越来越容易受到电磁干扰的威胁，本文分析电子线路中产生电磁感应的主要元器件，以及电磁干扰的基本原理；列出电磁兼容抗扰度实验的类型；提出电源电路中电磁兼容设计的基本方法，并用两个实例验证了其可行性。
关键词 电磁兼容 电磁干扰 压敏电阻 TVS管
引言
电磁兼容设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰EMI(Electromagnetic Interference)进行优化设计，使之能成为符合各国或地区电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)标准的产品。随着电子产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的 LSI电路，这些装置比以往任何时候都更容易受到电磁干扰的威胁；而与此同时，大功率家电及办公自动化设备的增多，以及移动通信、无线网络的广泛应用等，又大大增加了电磁干扰的发生源。这些变化迫使人们把电磁兼容作为重要的技术问题加以关注。
1 电磁兼容标准
为了适应国际商贸与技术发展的要求，国家技术监督局对声音和电视广播设备、信息技术设备、家用和电热、电动工具、电源、照明电器、火花点火发动机的驱动装置、金融及贸易结算电子设备、安保电子产品、低压电器10类进行强制性EMC认证。
目前对于电磁兼容的标准，不同的行业有不同等级标准要求。信息技术设备的无线电干扰要求如表1、表2所列。
表1 电源端口传导发射要求
表2 机箱端口辐射发射要求
为了达到电磁兼容标准，电子产品在使用前需进行电磁兼容的抗扰度实验，如表3所列。
表3 电磁兼容的抗扰度实验
2 电磁感应与电磁干扰
一般电子线路都是由电阻器、电容器、电感器、变压器、有源器件和导线组成。当电路中有电压存在时，在所有带电的元器件周围都会产生电场；当电路中有电流流过时，在所有载流体的周围都存在磁场。
在电子线路中只要有电场或磁场存在，就会产生电磁干扰。两者是相辅相成的，电场会产生位移电流，电流又会产生磁场。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波，并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。
3 电源电路中的电磁兼容设计
在电子产品中，各种干扰往往会通过电源传输给电子设备，从而对这些设备造成危害。通过对微机系统的失效概率统计可知：微机系统100次故障，其中90次来自电源，10次是微机本身，可见电源的可靠性最重要。具有良好抗干扰设计的电源，能使用户在产品设计中无需考虑由电源引起的抗干扰问题，大大缩短用户的产品开发周期，节约开发成本。
3.1 电源干扰的类型
电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间进行变化。其中也包括电压变化（如电压的跌落、浪涌与中断）、频率变化、波形失真（电压的或电流的）、持续噪声或杂波，以及瞬变等。 表4中的几种干扰，能够通过电源进行传输并造成设备的破坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波，而静电放电等干扰只要电源设备本身不产生停振、输出电压跌落等现象，就不会造成由电源引起的对用电设备的影响。
表4 电源干扰的类型
3.2 抑制干扰的方法
3.2.1 在电源输入端加入线路滤波器
典型的电源线路滤波器如图1所示。其中，L1和L2的线圈同方向绕在同一磁芯上，这两个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是互相抵消的，因此不会引起磁芯的饱和；而对于共模电流则可以反映为很大的电感，以便获得最大的滤波效果，所以又称为“共模电感”。
图1 典型的电源线路滤波器
CX电容用来衰减差模干扰，CY电容用于衰减共模干扰，R用于消除滤波器中可能出现的静电积累。
电源滤波器主要用于抑制30 MHz以下频率范围的噪声，而对于脉冲干扰，其谐波频率往往高达上百MHz，实际使用效果往往并不明显。某研究机构对20种电源滤波器的抑制浪涌波的能力进行了测试，超过20 dB的仅有4种，甚至有的会在输出端产生振荡。
3.2.2 采用带屏蔽层的变压器
由于共模干扰是一种相对大地的干扰，所以它主要通过变压器绕组间的耦合电容来传递。如果在初、次级之间插入屏蔽层，并使之良好接地，便能使干扰电压通过屏蔽层旁路掉，从而减小输出端的干扰电压。屏蔽层对变压器的能量传输并无不良影响，但影响了绕组间的耦合电容。图2画出了带屏蔽层的隔离变压器的共模干扰通路。其中，C1为初级绕组与屏蔽层之间的分布电容；C2为次级烧组与屏蔽层之间的分布电容；Z1为屏蔽层接地阻抗；Z2为负载对地阻抗；e1为初级干扰（共模型）电压；e2为次级干扰（共模型）电压。
图2 带屏蔽层的隔离变压器
图2中，要使共模衰减量增大，只需使变压器屏蔽层接地阻抗变小。理论上带屏蔽层的变压器能使衰减量达到60 dB左右，但实际使用后发现，对于尖峰干扰有抑制，其效果也不十分明显。
3.2.3 在电源的输入端加入多级线路滤波器
一般情况下，在图1所示的电路中再加一级差模滤波器，用于衰减差模干扰。通常，差模滤波器的设计如图3所示。
图3 差模滤波器
3.2.4 采用吸波器件
压敏电阻器、瞬态电压抑制管（Transient Voltage Suppressor，TVS管）等吸波器件有共同的特点，即在阈值电压以下呈现高阻抗，而一旦超过阈值电压，阻抗便急剧下降，因此对尖峰电压有一定的抑制作用，但也有各自的局限性。例如压敏电阻的电流吸收能力不够大，TVS管的阈值电压一般仅为300～400 V。压敏电阻器、TVS管在电路中应并联使用。
3.3 参数选择
对于不同的电路，电源线路滤波器参数的选择应根据电流、电压、频率范围等因素综合考虑，有时应通过实验来确定。本节只对压敏电阻、TVS管的参数选择进行说明。
3.3.1 压敏电阻器
（1） 压敏电阻器的作用
压敏电阻器是一种金属化物变阻器，其电压与电流不遵守欧姆定律，而成特殊的非线性关系。当两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过；略高于标称额定电压值时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大；低于标称额定电压值时，压敏电阻器又恢复为高阻状态；超过最大限制电压值时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。
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