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EMC在电路设计中的应用
新闻来源:武汉三好  |  2015-11-26
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EMC在电路设计中的应用

                  

敖开发

 

【摘要】

EMC(电磁兼容)是指电子、电气设备或系统在电磁环境中能正常工作,且不影响该环境中其它设备或系统正常工作的能力。 其主要包括对向外界发送的电磁骚扰强度的测试和对其在规定电磁骚扰强度的电磁环境条件下进行敏感度测试两个方面的测试要求。随着电子电气技术的不断发展,电磁兼容技术在电子、电气产品的发展中起着越来越重要的作用,它有助于改进产品质量,提高企业品牌和产品知名度,使国内产品成功打入国际市场。本文对电子、电气产品中骚扰的产生机理,骚扰的分类及其有效的抑制方法做了简要描述,并结合我在实际应用中遇到的案例进行分析和解决。

【关键词】

EMC、电路设计、电路抗干扰、电磁兼容

【正文】

自2001年国家质量监督检验检疫总局推出“中国强制性产品认证制度”,标志着中国的电子、电气产品已经与国际化接轨,目前国内大部分电子、电气产品都已列入3C的目录,是国家强制性实施的认证标准之一。其次客户需求的不断提高和对国家法律法规和政策规范的不断深入了解,越来越多的采购招投标中都以EMC检测报告作为评定设备优劣的门槛;另外电子、电气产品的日新月异导致不同产品同网络、同时工作越来越多,EMC不合格的产品会对电网和周围环境造成污染,从而导致设备故障等问题。因此掌握电磁兼容技术,并合理的应用到产品设计中就显得不可或缺。

EMC中涉及到的骚扰基本包含三个方面:辐射、传到、谐波,而每一种骚扰的产生和抑制都有所不同,所带来的影响也各不相同。

一、 辐射骚扰

辐射骚扰主要是指能量电磁波形式在空间传播而干扰其它设备或系统的   

现象。辐射骚扰是电磁兼容的重要内容,主要产品频段在30MHz以上,其产生主要来自:(1)产品电路中的骚扰源及本机振荡的高次谐波通过空间直接向外辐射形成骚扰;(2)辐射骚扰信号通过变压器、放大器等放大电路放大后,经过输入/输出线向外辐射。辐射骚扰在电子、电气设备设计中的限值要求如下表:

30MHz—1GHz

准峰值  50dB

 

 

平均值

峰值

1GHz —3GHz    (3米测距)

A级

 56dB

 76dB

B级

 50dB

 70dB

3GHz —6GHz     (3米测距)

A级

 60dB

 80dB

B级

 54dB

 74dB

 

二、 传导骚扰

传导骚扰又称为骚扰电压,是用来衡量电子、电气产品在运行过程中对整个 

电网发送电子干扰信号大小的一个指标,在电源端口的传导骚扰主要是150KHz—30MHz频率范围。所有电子产品在用电时都会对电网发出干扰信号,如果干扰信号过大,就会影响整个电网的用电质量,从而干扰到其它电器的正常运行。传导骚扰的产生途径有:(1)晶振频率的高次谐波通过传导方式在电源线上产生骚扰;(2)开关电路中脉冲波形谐波分量通过传导方式在电源线上形成骚扰;(3)电流较大的半波整流电路产生的骚扰。电源端子骚扰电压在设计中的限值要求如下表:

 

A级

B级

频率

准峰值

平均值

准峰值

平均值

0.15—0.5MHz

 79dB

 66dB

 66dB

 56dB

0.5—5MHz

 73dB

 60dB

 56dB

 46dB

5—30MHz

 60dB

 50dB

 

三、 谐波骚扰

谐波骚扰是电力系统中由于电力电子设备及其新技术的大量采用,如整流

器、逆变器等大容量的电力晶闸管这些非线性负荷,即所加的电压与产生的电流不成线性关系,而造成的波形畸变。而供电波形的畸变会导致电能质量下降威胁电力系统的安全运行。几乎所有的谐波都是由于功率较大的设备产生,所以在谐波实验室中一般低于75W的设备是不需要做谐波测试的。谐波的骚扰源头有:(1)整流后滤波电路中大电容存在,使整流二极管在正弦波整个周期内有部分时间截止,电流呈非正弦波;半波整流电流(如白炽灯)输入电压虽然是正弦波,二极管只有正半周导通,电流输出为脉冲波形;(2)电路中脉冲波形影响,通过傅里叶变换可知存在丰富谐波;(3)非线性负载器件影响,例如手电钻、豆浆机等。谐波骚扰在电子、电气设备设计中的限值要求如下表:

A类设备

D类设备

奇次谐波

偶次谐波

奇次谐波

谐波次数n

最大允许谐波电流A

谐波次数n

最大允许谐波电流A

谐波次数n

每瓦允许的最大谐波电流mA/W

最大允许谐波电流A

3

2.3

2

1.08

3

3.4

2.3

5

1.14

4

0.43

5

1.9

1.14

7

0.77

6

0.3

7

1.0

0.77

9

0.4

8n40

0.23×8/n

9

0.5

0.4

11

0.33

 

 

11

0.35

0.33

13

0.21

 

 

15n39

3.85/n

0.15×15/n

15n39

0.15×15/n

 

 

 

 

 

 

上面对骚扰的来源、分类和影响做了简单的描述,了解其来源就可以对其作出预防和消除,将骚扰降到最低,其解决方式总体上分为从设计源头解决和成品整改两种方式。整改的常用方法一般包括滤波、接地、隔离与屏蔽,而在设计 初期所采用的方法就比较多如:(1)改变电路工作频点,降低骚扰强度;(2)改变PCB走线布局,切断骚扰传播路径;(3)增加负反馈或其它补偿措施改善电路工作波形,以减小谐波分量;(4)通过阻尼和吸收方式,改善波形,使之接近正弦波,减少骚扰源;(5)在触发管引脚上套磁珠或加屏蔽,有效抑制辐射骚扰;(6)在电源输入端设计滤波电路,隔离电源线路的骚扰;(7)增加信号输出端口部分的接地,将信号线上导入/导出的骚扰转移到大地上消耗掉;(8)通过材质选择和结构开孔合理设计实现屏蔽、绝缘来阻断干扰传输;等等这些都是在设计初期行之有效的骚扰消除方式。下面结合实际案例对整改过程中的常用方法做进一步的分析。

一、 滤波

滤波主要应用在抑制传导骚扰中,它能有效的隔离电源线上的骚扰,在选择滤波方式时首先要判断骚扰源是差模信号还是共模信号,然后确定干扰的频点进行抑制。滤波的设计可以通过增加滤波器或滤波电路的方式;也可以采取在电源输入端口增加电容的方式,根据干扰的不同,如果是差模干扰可以加X电容,如果是共模干扰可以用Y电容抑制,增加电容的方式是通过电容吸收掉线路上的电磁波的原理实现的。

在通常的传导骚扰的整改项目中常常会采用增加滤波器的方式解决,但也要看骚扰的频率范围,在我们设计的一款多媒体一体机中,就通过在电源输入接口处增加滤波器的方式解决了传导骚扰的问题。在传导测试时通过频谱观测发现在21KHz附近传导骚扰超标3dBuV,由于频率范围在15—200KHz范围的骚扰基本上都是电源引起可以通过增加该频段的电源滤波器解决,于是我在该系统的电源输入端增加了通用的电源滤波器,再次测试发现该频率点的骚扰降了12dBuV完全满足了要求。滤波器的增加要根据实际骚扰源的分析来选择才能行之有效,达到降低骚扰的目的。

二、 接地

接地是电路设计中不可或缺的部分,所有的电路设计都必须考虑接地。他对产品的电磁兼容和稳定性有着至关重要的作用,也是解决这些问题最简单有效的方法。“地”就是参考零电位。在设计中通过最短的线路、最小的阻抗将所有地线接到参考零电位,同时考虑信号的辐射这就是最好的设计方案。

电气设计中一般接地有三种:单点接地、多点接地、浮地,每一种接地都有一定的规律和注意事项,只有了解这些事项再结合实际情况分析就能很好解决EMC问题了。

1、 单点接地

单点接地是在整个系统中,只有一参考零电位点,其他需要接地的地方都要通过低阻抗的导线接到该参考点,通过等电位方式实现不同点接地。单点接地适用于频率较低的电路中(1MHZ以下),例如低频的开关电源电路、普通的单片机和PLC电路等。对于计算机主板、无线通信设备等采用高频数字电路的PCB,由于其含有大量的高次谐波,一般不建议采用单点接地方式。

2、 多点接地

多点接地是指设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上,以实现

接地阻抗最小。多点接地电路设计相对简单,接地线上可能出现的高频驻波现象显著减少,适用于工作频率较高(>10MHZ)的场合。但多点接地设计不好会导致设备内部地线环路,从而降低设备对外界电磁场的抵御能力,同时加大了地线辐射干扰的可能性。因此,在多点接地的情况下,要注意地环路问题,尤其是不同的模块、设备之间地线回路导致的电磁干扰。

3、 浮地

浮地其实是设备地线在电气上与大地绝缘的一种接地方式。其大多用在塑料外壳的设备上。由于浮地自身的一些弱点,不太适合一般的大系统中。

对于固定的设备或系统,当传输线的长度L大于信号频率的波长λ时,则视为高频电路,反之,则视为低频电路。根据经验法则,对于低于1MHz的电路,采用单点接地较好;对于高于10MHz,则采用多点接地为佳。而介于两者之间的频率而言,只要最长传输线的长度L﹤λ/20,则可采用单点接地以避免公共阻抗耦合。

三、 隔离与屏蔽

隔离与屏蔽是利用导电或导磁材料制成的壳、板、罩等各种形状的屏蔽体,将电磁能量限制在一定的空间范围内以起到抑制辐射干扰的一种有效措施。这种方式多用于通信设备中高频功率放大电路。采用隔离与屏蔽的主要目的是:限制设备内部的电磁辐射能量越出某一区域或防止外部的电磁辐射能量进入某一区域。隔离与屏蔽又分为电隔离与屏蔽和磁隔离与屏蔽。电隔离与屏蔽的屏蔽体必须带接地线,尽量就近接地,这样才能实现有效的屏蔽。磁隔离与屏蔽体一般选用钢、铁、坡莫合金等高导磁率的铁磁性材料,这种磁屏蔽体在空气中可使大部分磁通量从中流过,从而达到了减弱磁场的目的。被屏蔽物要放在屏蔽体中心位置,尽可能不让磁通经过被屏蔽物,避免降低屏蔽效果。隔离与屏蔽在EMC整改电路中应用非常广泛,主要因为这种方式比较直接有效,找到辐射源窗口直接屏蔽就能很好解决。

在开关电源的设计中经常会遇到骚扰超标的情况,在我们多媒体一体机中有一款电源在使用初期就存在这样的问题,在初期设计时变压器初级绕组与次级绕组间没有屏蔽层,后来测试发现在80—100MHz范围内有1个点辐射超标,而且传导也有一个点超标,通过观察分析,确认为变压器初级的共模噪声向次级噪声传导造成,通过绕制变压器时在初级与次级之间加上锡箔屏蔽层,并接至直流地上最终解决了骚扰问题。类似的屏蔽设计在900MHz的通信模块设计中也遇到过,通过隔离信号和电源模块顺利解决了骚扰问题。

 

 

综上所述,EMC是一个很复杂的课题也是一个重点课题,要在电子、电气设计中很好的应用避免骚扰影响就必须多学习基础知识多积累经验,在设计初期主动充分的考虑每一个环节,尤其是对行之有效且成本最低的接地方式的高效应用。在出现整改时不能盲目修改,需要有实际数据做支撑,详细分析确认问题点再来整改。

 

 

参考文献

 

[1]杨克俊,《电磁兼容原理与设计技术》,人民邮电出版社,2004

[2]白同云,《电磁兼容设计》,北京:北京邮电大学出版社,2001

[3]GB4943-2011《信息技术设备的安全》

[4]姜建国,开关电源的EMC设计,电源世界,2002(3)

[5]李云,电源噪声滤波器的基本原理与应用方法,电子技术应用,2001