??? 一個好的電子產(chǎn)品，除了產(chǎn)品自身的功能以外,，電路設(shè)計(ECD)和電磁兼容設(shè)計(EMCD)的技術(shù)水平，對產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)性能指標起到非常關(guān)鍵的作用,。本文通過舉例對開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計，介紹了一般電子產(chǎn)品中電磁干擾" title="電磁干擾">電磁干擾的解決方法,。
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2,、對振鈴電壓的抑制
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??? 由于變壓器的初級有漏感，當(dāng)電源開關(guān)管" title="開關(guān)管">開關(guān)管V1由飽和導(dǎo)通到截止關(guān)斷時會產(chǎn)生反電動勢" title="反電動勢">反電動勢,，反電動勢又會對變壓器初級線圈的分布電容進行充放電,，從而產(chǎn)生阻尼振蕩，即產(chǎn)生振鈴,，如圖4所示,。變壓器初級漏感產(chǎn)生反電動勢的電壓幅度一般都很高,，其能量也很大,，如不采取保護措施，反電動勢一般都會把電源開關(guān)管擊穿,，同時反電動勢產(chǎn)生的阻尼振蕩還會產(chǎn)生很強的電磁輻射,，不但對機器本身造成嚴重干擾，對機器周邊環(huán)境也會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾,。
??? 圖2中的D1,、R2、C6是抑制反電動勢和振鈴電壓幅度的有效電路,，當(dāng)變壓器初級漏感產(chǎn)生反電動勢時,，反電動勢通過二極管D1對電容器C6進行充電，相當(dāng)于電容器把反電動勢的能量吸收掉,，從而降低了反電動勢和振鈴電壓的幅度,。電容器C6充滿電后，又會通過R2放電,，正確選擇RC放電的時間常數(shù),，使電容器在下次充電時的剩余電壓剛好等于方波電壓的幅度，此時電源的工作效率最高,。
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3,、對傳導(dǎo)干擾信號" title="干擾信號">干擾信號的抑制
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??? 圖1中,，當(dāng)電源開關(guān)管V1導(dǎo)通或者關(guān)斷時，在電容器C5,、變壓器T1的初級和電源開關(guān)管V1組成的電路中會產(chǎn)生脈動直流i1,，如果把此電流回路" title="電流回路">電流回路看成是一個“變壓器”的“初級線圈”，由于電流i1的變化速率很高,，它在“初級線圈”中產(chǎn)生的電磁感應(yīng),，也會對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)，我們可以把周圍電路都看成是同一“變壓器”的多個“次級線圈”,，同時變壓器T1的漏感也同樣對各個“次級線圈”產(chǎn)生感應(yīng)作用,，因此電流i1通過電磁感應(yīng)，在每個“次級線圈”中都會產(chǎn)生的感應(yīng)電流,，我們分別把它們記為i2,、i3、i4 ···,。
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??? 其中i2和i3是差模干擾信號,，它們可以通過兩根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)的其它線路之中和干擾其它電子設(shè)備；i4是共模干擾信號,，它是電流i1回路通過電磁感應(yīng)其它電路與大地或機殼組成的回路產(chǎn)生的,，并且其它電路與大地或機殼是通過電容耦合構(gòu)成回路的，共模干擾信號可以通過電源線與大地傳導(dǎo)到電網(wǎng)其它線路之中和干擾其它電子設(shè)備,。
??? 與電源開關(guān)管V1的集電極相連的電路,，也是產(chǎn)生共模干擾信號的主要原因，因為在整個開關(guān)電源電路中,，數(shù)電源開關(guān)管V1集電極的電位最高,，最高可達600V以上，其它電路的電位都比它低,，因此電源開關(guān)管V1的集電極與其它電路(也包括電源輸入端的引線)之間存在很強的電場,，在電場的作用下，電路會產(chǎn)生位移電流,，這個位移電流基本屬于共模干擾信號,。
??? 圖2中的電容器C1、C2和差模電感器L1對i1,、i2和i3差模干擾信號有很強的抑制能力,。由于C1、C2在電源線拔出時還會帶電,，容易觸電傷人,，所以在電源輸入的兩端要接一個放電電阻R1。
??? 對共模干擾信號i4要進行完全抑制,，一般很困難,，特別是沒有金屬機殼屏蔽的情況下,，因為在感應(yīng)產(chǎn)生共模干擾信號的回路中，其中的一個“元器件”是線路板與大地之間的等效電容,，此“元器件”的數(shù)值一般是不穩(wěn)定的,，進行設(shè)計時對指標要留有足夠的余量。圖2中L2和C3,、C4是共模干擾信號抑制電路器件,，在輸入功率較大的電路中，L2一般要用兩個,，甚至三個,，其中一個多為環(huán)形磁心電感。
??? 根據(jù)上面分析,，產(chǎn)生電磁干擾的原因主要是i1流過的主要回路,，這個回路主要由電容器C5、變壓器T1初級和電源開關(guān)管V1組成,，根據(jù)電磁感應(yīng)原理,，這個回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：
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???? e=dψ/dt=SdB/dt （2）
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??? 式中e為感應(yīng)電動勢，ψ為磁通量,，S電流回路的面積,，B為磁感應(yīng)密度，其值與電流強度成正比,，dψ/dt為磁通變化率,。由此可見，感應(yīng)電動勢與電流回路的面積成正比,。因此要減少電磁干擾,，首先是要設(shè)法減小電流回路的面積，特別是i1電流流過的回路面積,。另外，為了減少變壓器漏感對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)的影響,，一方面要求變壓器的漏感要做得小,，另一方面一定要在變壓器的外圍包一層薄銅皮，以構(gòu)成一個低阻抗短路線圈,，把漏感產(chǎn)生的感應(yīng)能量通過渦流損耗掉,。
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4、對輻射干擾信號的抑制
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??? 電磁輻射干擾也是通過電磁感應(yīng)的方式,，由帶電體或電流回路及磁感應(yīng)回路對外產(chǎn)生電磁輻射的,。任何一根導(dǎo)體都可以看成是一根電磁感應(yīng)天線，任何一個電流回路都可以看成是一個環(huán)形天線,，電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應(yīng)輻射的重要器件,。要想完全抑制電磁輻射是不可能的,，但通過對電路進行合理設(shè)計，或者采取部分屏蔽措施,，可以大大減輕電磁干擾的輻射,。
??? 例如，盡量縮短電路引線的長度和減小電流回路的面積,，是減小電磁輻射的有效方法,；正確使用儲能濾波電容，把儲能濾波電容盡量近地安裝在有源器件電源引線的兩端,，每個有源器件獨立供電,，或單獨用一個儲能濾波電容供電(充滿電的電容可以看成是一個獨立電源)，防止各電路中的有源器件(放大器)通過電源線和地線產(chǎn)生串?dāng)_,；把電源引線的地和信號源的地嚴格分開,，或?qū)π盘栆€采取雙線并行對中交叉的方法，讓干擾信號互相抵消,，也是一種減小電磁輻射的有效方法,；利用散熱片也可以對電磁干擾進行局部屏蔽，對信號引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法,，讓信號線夾在兩條平行地線的中間,，這相當(dāng)于雙回路，干擾信號也會互相抵消,，屏蔽效果非常顯著,；機器或敏感器件采用金屬外殼是最好的屏蔽電磁干擾方法，但非金屬外殼也可以噴涂導(dǎo)電材料(如石墨)進行電磁干擾屏蔽,。
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5,、對高壓的靜電的消除
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??? 圖1中，如果輸出電壓高于1000V,，必須考慮靜電消除,。雖然大多數(shù)的開關(guān)電源都采取變壓器進行“冷熱地”隔離，由于“熱地”,，也叫“初級地”,，通過電網(wǎng)可構(gòu)成回路，當(dāng)人體接觸到“初級地”的時候會“觸電”,，所以人們都把“初級地”叫做“熱地”,，表示不能觸摸的意思。而“冷地”也叫“次級地”,，盡管電壓很高,，但它與大地不構(gòu)成回路，當(dāng)人體接觸到“次級地”的時候不會“觸電”,，因此,，人們都把“次級地”叫做“冷地”,，表示可以觸摸的意思。
??? 但不管是“冷地”或者是“熱地”,，其對大地的電位差都不可能是零,，即還是會帶電。如彩色電視機中的開關(guān)電源,，“熱地”對大地的電位差大約有400VP-P(峰峰值),，“冷地”對大地的電位差大約有1500VP-P(峰峰值)。
?? “熱地”帶電大家比較好理解,，而“冷地”帶電一般人是難以理解的,。那么“冷地”帶電這個電壓是怎樣產(chǎn)生的呢？這個電壓是由變壓器次級產(chǎn)生的,，雖然變壓器次級的一端與“冷地”連接,，但真正的零電位是在變壓器次級線圈的中心，或整流輸出濾波電容器介質(zhì)的中間,。這一點我們稱為電源的“浮地”,，即它為零電位，但又不與大地相連,。由此可知“冷地”帶電的電壓正好等于輸出電壓的一半,，如電視機顯像管的高壓陽極需要大約3萬伏的高壓，真正的零電位是在高壓濾波電容(顯像管石墨層之間的電容)的中間,，或高壓包的中間抽頭處,，由此可以求出電視機中的冷地與地之間的電壓(靜電)大約為15000V。同理,，“熱地”回路的“浮地”是在儲能濾波電容器C5的中間,，所以“熱地”正常帶電電壓應(yīng)為整流輸出電壓的一半，約為200 VP(峰值),，如把開關(guān)管導(dǎo)通或截止時產(chǎn)生的反電動勢也疊加在其之上,，大約有400VP-P(峰峰值)。
??? 圖2中的R3就是用來降低冷地與大地之間靜電電壓的,，C8的作用是降低“冷熱”地之間的動態(tài)電阻,。一般數(shù)字電路IC的耐壓都很低，如果“冷地”帶電的電壓很高,，通過靜電感應(yīng)，或人體觸摸,，很容易就會把IC擊穿,。
??? 順便指出，“冷地”帶電是屬于靜電的范疇,，它只相當(dāng)于對一個小電容充電,，這個小電容的一端是大地,，另一端是“冷地”，電容量相當(dāng)于“冷地”對大地之間的等效電容,。另外,，圖2中的C1、C2,、C3,、C4、C8,、R1,、R8、T1屬于安全器件,，使用時要注意安全要求,。
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結(jié)束語
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??? 電磁兼容設(shè)計在我國是一門很嶄新的科學(xué)，電磁兼容性EMC的相關(guān)標準還很不完善,，很多測試方法或定量分析還需要人們進一步去摸索和探討,，很多新的電磁兼容性EMC設(shè)計理論還需人們?nèi)?chuàng)立。本文所涉及的一些電磁兼容設(shè)計的知識極為膚淺,，內(nèi)容只是冰山一角,，希望我國的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員，在這一方面能夠趕超世界水平,，多為國家作貢獻,。