防电磁干扰的重要措施

防电磁干扰的重要措施---滤波技术1、概述防电磁干扰有三项措施，即屏蔽、滤波和接地。往往单纯采用屏蔽不能提供完整的电磁干扰防护，因为设备或系统上的电缆才是最有效的干扰接收与发射天线。许多设备单台做电磁兼容实验时都没有问题，但当两台设备连接起来以后，就不满足电磁兼容的要求了，这就是电缆起了接收和辐射天线的作用。唯一的措施就是加滤波器，切断电磁干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同够成完善的电磁干扰防护，无论是抑制干扰源、消除耦合或提高接收电路的抗能力，都可以采用滤波技术。2、滤波器的分类滤波器是由集中参数的电阻、电感和电容，或分布参数的电阻、电感和电容构成的一种网络。这种网络允许些频率通过，而对其它频率成份加以抑制。滤波器按类型一般分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、吸收滤波器、有源滤波器和专用通滤波器。滤波器按电路一般分为单容型（c型）、单电感型（L型）、r型、反r型、t型和p型。不同结构的电路合适于不同的源阻抗和负载阻抗，见图1所示。「型L型T型型。不同结构的电路合适于不同的源阻抗和负载阻抗，见图1所示。「型L型T型C型反「型工—兀型T型滤波器适用于信号源内阻和负载电阻比较小（如低于50Q）的情况，p型滤波器适用于信号源内阻和负载电阻都比较高的情况，当信号源内阻和负载电阻不相等时，可以选用L型或C型滤波电路，对于低信号源阻抗和高负载阻抗，可选L型滤波器，反之，可选用C型滤波器。选用不同型式的滤波器，有助于减少信号源内阻和负载电阻对滤波器频率特性的影响。滤波器的衰减特性滤波器最重要特性是对干扰的衰减特性，即插入损耗。式中：E—滤波器的插入损耗（dB）;dBV]—干扰信号通过滤波器后在负载电阻上的电压（V）；V2一在没有滤波器时，干扰信号在负载电阻上的电压（V）；低通滤波器是电磁兼容技术中采用最多的一种滤波器。

尬=101昭（1+护）式中：F=pfRCf—频率（Hz）；R一信号源和负载电阻（Q）；C—滤波电容（F）。式中：F=pfL/R其它型式的低通滤波器的插入损耗假设信号源内阻RS和负载电阻RL的数值相等，即RS=RL=R，则对于T型低通滤波器。对于n型低通滤波器：其它型式的低通滤波器的插入损耗假设信号源内阻RS和负载电阻RL的数值相等，即RS=RL=R，则对于T型低通滤波器。对于n型低通滤波器：对于L型低通滤波器：滤波器的选择根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗等参数及负载特性的要求，适当选择滤波器，一般考虑：其一，要求电磁干扰滤波器在相应工作频段范围内，能满足负载要求的衰减特性，若一种滤波器衰减量不能满足要求时，则可采用多级联，可以获得比单级更高的衰减，不同的滤波器级联，可以获得在宽频带内良好衰减特性。其二，要满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求，如果要抑制的频率和有用信号频率非常接近时，则需要频率特性非常陡峭的滤波器，才能满足把抑制的干扰频率滤掉，只允许通过有用频率信号的要求。其三，在所要求的频率上，滤波器的阻抗必须与它连接的干扰源阻抗和负载阻抗相匹配，如果负载是高阻抗，则滤波器的输出阻抗应为低阻；如果电源或干扰源阻抗是低阻抗，则滤波器的输出阻抗应为高阻；如果电源阻抗或干扰源阻抗是未知的或者是在一个很大的范围内变化，很难得到稳定的滤波特性，为了获得滤波器具有良好的比较稳定的滤波特性，可以在滤波器输入和输出端，同时并接一个固定电阻。其四，滤波器必须具有一定耐压能力，要根据电源和干扰源的额定电压来选择滤波器，使它具有足够高的额定电压，以保证在所有预期工作的条件下都能可靠地工作，能够经受输入瞬时高压的冲击。其五，滤波器允许通过应与电路中连续运行的额定电流一致。定电流的高了，会加大滤波器的体积和重量；定电流的低了，又会降低滤波器的可靠性。其六，滤波器应具有足够的机械强度，结构简单、重量轻、体积小、按装方便，安全可靠。滤波器的安装选择好滤波器，如果安装不适当，仍然会破坏滤波器的衰减特性。只有恰当地安装滤波器才能获得良好的效果，一般考虑：其一，滤波器最好安装在干扰源出口处，再将干扰源和滤波器完全屏蔽起来。如果干扰源内腔空间有限，则应在靠近干扰源电源线出口外侧，滤波器壳体与干扰源壳体应进行良好的搭接。其二，滤波器的输入和输出线必须分开，防止输入端与输出端线路耦合，降低滤波特性，通常利用隔板或底盘来固定滤波器。若不能实施隔离方法，则采用屏蔽引线。其三，滤波器中电容器导线应尽量短，以防止感抗与容抗在某频率上形成谐振。其四，滤波器接地线上有很大的短路电流，能辐射电磁干扰，要进行良好的屏蔽。其五，焊接在同一插座上的每根导线必须进行滤波，否则会使滤波的衰减特性完全失去。其六，管状滤波器必须完全同轴安装，使电磁干扰电流成辐射状流过滤波器。图4演示了滤波器安装时的一种常见错误，由于滤波器的输入线过长，外面进来的干扰还没经过滤波，就已经通过空间耦合的方式干扰到线路板上。而线路板上产生的干扰可以直接耦合到滤波器的输入线上，传导到机箱外面。造成超标的电磁发射。图6演示了滤波器安装时的一种常见错误，大部分滤波器内部的共模滤波电容连接到滤波器的金属外壳上，在安装时，通过将滤波器的金属外壳直接安装在机箱上实现滤波器的接地。在这种安装方式中，滤波器的外壳没连接到机壳上，因此对于共模滤波电容悬空，起不到滤波的作用。图6演示了滤波器安装时的一种常见错误，大部分滤波器内部的共模滤波电容连接到滤波器的金属外壳上，在安装时，通过将滤波器的金属外壳直接安装在机箱上实现滤波器的接地。在这种安装方式中，滤波器的外壳没连接到机壳上，因此对于共模滤波电容悬空，起不到滤波的作用。图7演示了滤波器安装时的正确方式，滤波器的输入线很短，并且利用机箱将滤波器的输入端和输出端隔离开。滤波器的使用为了提高电源的品质、电路的线性、减少各种杂波和非线性失真干扰和谐波干扰等均使用滤波器。对武器系统来讲，使用滤波器的场所有：其一，除总配电系统和分配电系统上设置电源滤波器外，进入设备的电源均要安装滤波器，最好使用线至线滤波器，而不使用线至地滤波器。其二，对脉冲干扰和瞬变干扰敏感的设备，使用隔离变压器供电时，应在付端加装滤波器。其三，对含电爆装置的武器系统供电时，应加滤波器。必要时，电爆装置的引线也要加装滤波器。其四，各分系统或设备之间的接口处，应有滤波器抑制干扰，确保兼容。其五，设备和分系统的控制信号，其输入和输出端均应加滤波器或旁路电容器。一个好的电子产品，除了产品自身的功能以外，电路设计和电磁兼容性（EMC）设计的技术水平，对产品的质量和技术性能指标起到非常关键的作用。本文通过举例对开关电源的电磁兼容设计，介绍了一般电子产品中电磁干扰的解决方法。

现代的电子产品，功能越来越强大，电子线路也越来越复杂，电磁干扰（EMI）和电磁兼容性问题变成了主要问题，电路设计对设计师的技术水平要求也越来越高。先进的计算机辅助设计（CAD）在电子线路设计方面很大程度地拓宽了电路设计师的工作能力，但对于电磁兼容设计的帮助却很有限。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进行优化设计，使之能成为符合各国或地区电磁兼容性标准的产品。EMC的定义是：在同一电磁环境中，设备能够不因为其它设备的干扰影响正常工作，同时也不对其它设备产生影响工作的干扰。电磁干扰一般都分为两种，传导干扰和辐射干扰。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。因此对EMC问题的研究就是对干扰源、耦合途径、敏感设备三者之间关系的研究。美国联邦通讯委员会在1990年、欧盟在1992提出了对商业? 7 7 ~数码产品的有关规章，这些规章要求各个公司确保他们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性。? 7 7 ~目前全球各地区基本都设置了EMC相应的市场准入认证，用以保护本地区的电磁环境和本土产品的竞争优势。如：北美的FCC、NEBC认证、欧盟的CE认证、日本的VCCEI认证、澳洲的C-tick人证、台湾地区的BSMI认证、中国的3C认证等都是进入这些市场的“通行证”。电磁感应与电磁干扰很多人从事电子线路设计的时候，都是从认识电子元器件开始，但从事电磁兼容设计实际上应从电磁场理论开始，即从电磁感应认识开始。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的时候，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的时候，在所有载流体的周围都存在磁场。电容器是电场最集中的元件，流过电容器的电流是位移电流，这个位移电流是由于电容器的两个极板带电，并在两个极板之间产生电场，通过电场感应，两个极板会产生充放电，形成位移电流。实际上电容器回路中的电流并没有真正流过电容器，而只是对电容器进行充放电。当电容器的两个极板张开时，可以把两个极板看成是一组电场辐射天线，此时在两个极板之间的电路都会对极板之间的电场产生感应。在两极板之间的电路不管是闭合回路，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（当电场的方向不断改变时），即电流一会儿向前跑，一会儿向后跑。电场强度的定义是电位梯度，即两点之间的电位差与距离之比。一根数米长的导线，当其流过数安培的电流时，其两端电压最多也只有零点几伏，即几十毫伏/米的电场强度，就可以在导体内产生数安培的电流，可见电场作用效力之大，其干扰能力之强。电感器和变压器是磁场最集中的元件，流过变压器次级线圈的电流是感应电流，这个感应电流是因为变压器初级线圈中有电流流过时，产生磁感应而产生的。在电感器和变压器周边的电路，都可看成是一个

变压器的感应线圈，当电感器和变压器漏感产生的磁力线穿过某个电路时，此电路作为变压器的“次级线圈”就会产生感应电流。两个相邻回路的电路，也同样可以把其中的一个回路看成是变压器的“初级线圈”而另一个回路可以看成是变压器的“次级线圈”，因此两个相邻回路同样产生电磁感应，即互相产生干扰。在电子线路中只要有电场或磁场存在，就会产生电磁干扰。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它系统或本系统内其他子系统的正常工作。开关电源EMC设计实例目前大多数电子产品都选用开关电源供电，以节省能源和提高工作效率；同时越来越多的产品也都含有数字电路，以提供更多的应用功能。开关电源电路和数字电路中的时钟电路是目前电子产品中最主要的电磁干扰源，它们是电磁兼容设计的主要内容。下面我们以一个开关电源的电磁兼容设计过程来进行分析。图1是一个普遍应用的反激式（或称为回扫式）开关电源工作原理图，50Hz或60Hz交流电网电压首先经整流堆整流，并向储能滤波电容器C5充电，然后向变压器T1与开关管V1组成的负载回路供电。图2是进行过电磁兼容设计后的电气原理图。1、对电流谐波的抑制一般电容器C5的容量很大，其两端电压纹波很小，大约只有输入电压的10%左右，而仅当输入电压Ui大于电容器C5两端电压的时候，整流二极管才导通，因此在输入电压的一个周期内，整流二极管的导通时间很短，即导通角很小。这样整流电路中将出现脉冲尖峰电流，如图3所示。这种脉冲尖峰电流如用傅立叶级数展开，将被看成由非常多的高次谐波电流组成，这些谐波电流将会降低电源设备的使用效率，即功率因数很低，并会倒灌到电网，对电网产生污染，严重时还会引起电网频率的波动，即交流电源闪烁。脉冲电流谐波和交流电源闪烁测试标准为：IEC61000-3-2及IEC61000-3-3。一般测试脉冲电流谐波的上限是40次谐波频率。解决整流电路中出现脉冲尖峰电流过大的方法是在整流电路中串联一个功率因数校正（PFC）电路，或差模滤波电感器。PFC电路一般为一个并联式升压开关电源，其输出电压一般为直流400V,没有经功率因数校正之前的电源设备，其功率因数一般只有0.4~0.6，经校正后最高可达到0.98。PFC电路虽然可以解决整流电路中出现脉冲尖峰电流过大的问题，但又会带来新的高频干扰问题，这同样也要进行严格的EMC设计。用差模滤波电感器可以有效地抑制脉冲电流的峰值，从而降低电流谐波干扰，但不能提高功率因数。图2中的L1为差模滤波电感器，差模滤波电感器一般用矽钢片材料制作，以提高电感量，为了防止大电流流过差模滤波电感器时产生磁饱和，一般差模滤波电感器的两个组线圈都各自留有一个漏感磁回路。L1差模滤波电感可根据试验求得，也可以根据下式进行计算：E=L*di/dt(1)

式中E为输入电压Uj与电容器C5两端电压的差值，即L1两端的电压降，L为电感量，di/dt为电流上升率。显然，要求电流上升率越小，则要求电感量就越大。2、对振铃电压的抑制由于变压器的初级有漏感，当电源开关管V1由饱和导通到截止关断时会产生反电动势，反电动势又会对变压器初级线圈的分布电容进行充放电，从而产生阻尼振荡，即产生振铃，如图4所示。变压器初级漏感产生反电动势的电压幅度一般都很高，其能量也很大，如不采取保护措施，反电动势一般都会把电源开关管击穿，同时反电动势产生的阻尼振荡还会产生很强的电磁辐射，不但对机器本身造成严重干扰，对机器周边环境也会产生严重的电磁干扰。图2中的D1、R2、C6是抑制反电动势和振铃电压幅度的有效电路，当变压器初级漏感产生反电动势时，反电动势通过二极管D1对电容器C6进行充电，相当于电容器把反电动势的能量吸收掉，从而降低了反电动势和振铃电压的幅度。电容器C6充满电后，又会通过R2放电，正确选择RC放电的时间常数，使电容器在下次充电时的剩余电压刚好等于方波电压的幅度，此时电源的工作效率最高。3、对传导干扰信号的抑制图1中，当电源开关管V1导通或者关断时，在电容器C5、变压器T1的初级和电源开关管V1组成的电路中会产生脉动直流i1,如果把此电流回路看成是一个变压器的“初级线圈”，由于电流i1的变化速率很高，它在“初级线圈”中产生的电磁感应，也会对周围电路产生电磁感应，我们可以把周围电路都看成是同一变压器的多个“次级线圈”，同时变压器T1的漏感也同样对各个“次级线圈”产生感应作用，因此电流i1通过电磁感应，在每个“次级线圈”中都会产生的感应电流，我们分别把它们记为i2、i3、i4…。其中i2和i3是差模干扰信号，它们可以通过两根电源线传导到电网的其它线路之中和干扰其它电子设备；i4是共模干扰信号，它是电流i1回路通过电磁感应其它电路与大地或机壳组成的回路产生的，并且其它电路与大地或机壳是通过电容耦合构成回路的，共模干扰信号可以通过电源线与大地传导到电网其它线路之中和干扰其它电子设备。与电源开关管V1的集电极相连的电路，也是产生共模干扰信号的主要原因，因为在整个开关电源电路中，数电源开关管V1集电极的电位最高，最高可达600V以上，其它电路的电位都比它低，因此电源开关管V1的集电极与其它电路（也包括电源输入端的引线）之间存在很强的电场，在电场的作用下，电路会产生位移电流，这个位移电流基本属于共模干扰信号。图2中的电容器C1、C2和差模电感器L1对i1、i2和i3差模干扰信号有很强的抑制能力。由于C1、C2在电源线拔出时还会带电，容易触电伤人，所以在电源输入的两端要接一个放电电阻R1。对共模干扰信号i4要进行完全抑制，一般很困难，特别是没有金属机壳屏蔽的情况下，因为在感应产生共模干扰信号的回路中，其中的一个“元器件”是线路板与大地之间的等效电容，此“元器件”的数值一般是不稳定的，进行设计时对指标要留有足够的余量。图2中L2和C3、C4是共模干扰信号抑制电路器件，在输入功率较大的电路中，L2一般要用两个，甚至三个，其中一个多为环形磁心电感。根据上面分析，产生电磁干扰的原因主要是i1流过的主要回路，这个回路主要由电容器C5、变压器T1初级和电源开关管V1组成，根据电磁感应原理，这个回路产生的感应电动势为：e=d屮/dt=S*dB/dt(2)式中e为感应电动势，屮为磁通量，S电流回路的面积，B为磁感应密度，其值与电流强度成正比，d屮/dt为磁通变化率。由此可见，感应电动势与电流回路的面积成正比。因此要减少电磁干扰，首先是要设法减小电流回路的面积，特别是i1电流流过的回路面积。另外，为了减少变压器漏感对周围电路产生电磁感应的影响，一方面要求变压器的漏感要做得小，另一方面一定要在变压器的外围包一层薄铜皮，以构成一个低阻抗短路线圈，把漏感产生的感应能量通过涡流损耗掉。4、 对辐射干扰信号的抑制电磁辐射干扰也是通过电磁感应的方式，由带电体或电流回路及磁感应回路对外产生电磁辐射的。任何一根导体都可以看成是一根电磁感应天线，任何一个电流回路都可以看成是一个环形天线，电感线圈和变压器漏感也是电磁感应辐射的重要器件。要想完全抑制电磁辐射是不可能的，但通过对电路进行合理设计，或者采取部分屏蔽措施，可以大大减轻电磁干扰的辐射。例如，尽量缩短电路引线的长度和减小电流回路的面积，是减小电磁辐射的有效方法；正确使用储能滤波电容，把储能滤波电容尽量近地安装在有源器件电源引线的两端，每个有源器件独立供电，或单独用一个储能滤波电容供电（充满电的电容可以看成是一个独立电源），防止各电路中的有源器件（放大器）通过电源线和地线产生串扰；把电源引线的地和信号源的地严格分开，或对信号引线采取双线并行对中交叉的方法，让干扰信号互相抵消，也是一种减小电磁辐射的有效方法；利用散热片也可以对电磁干扰进行局部屏蔽，对信号引线还可以采取双地线并行屏蔽的方法，让信号线夹在两条平行地线的中间，这相当于双回路，干扰信号也会互相抵消，屏蔽效果非常显著；机器或敏感器件采用金属外壳是最好的屏蔽电磁干扰方法，但非金属外壳也可以喷涂导电材料（如石墨）进行电磁干扰屏蔽。5、 对高压的静电的消除图1中，如果输出电压高于1,000V,必须考虑静电消除。虽然大多数的开关电源都采取变压器进行“冷热地”隔离，由于“热地”，也叫“初级地”，通过电网可构成回路，当人体接触到“初级地”的时候会“触电”，所以人们都把“初级地”叫做“热地”，表示不能触摸的意思。而“冷地”也叫“次级地”，尽管电压很高，但它与大地不构成回路，当人体接触到“