EMC設計方案淺談

1、EMC設計方案淺談2011年03月23日 來源：網絡 作者：陶顯芳 責任編輯：doeboy 中心議題    *EMC設計方案淺談解決方案    *傳導干擾EMC濾波電路設計    *地線對EMC的影響電磁兼容(EMC)設計的目的就是想辦法使自己設計或生產的電子設備產生各種干擾信號的幅度符合別人的要求；同時還要想辦法讓自己設計或生產的電子設備在受到其它電子設備產生干擾的情況下還能正常工作。因此，EMC標準一般都是強制性的。 防止電子設備產生傳導干擾和輻射干擾最好的方法，是采金屬機殼對電磁場進行屏蔽，以及對電

2、源輸入電路用變壓器進行隔離，并且還要對變壓器也進行靜電感應和磁感應屏蔽。但由于金屬機殼比較笨重，并且成本很高，另外50周的電源變壓器體積很大，并且對其進行靜電感應和磁感應屏蔽也比較麻煩，因此，這兩種方法只有一些要求特別高的場合才會使用，例如：精密測試儀表，對于一般的普通電器設備，目前已很少使用。在 塑料機殼內表面噴涂導電材料也是一種對電磁屏蔽很有效的方法，比如，在塑料機殼內表面噴涂石墨，對超高頻電磁屏蔽效果就非常好，因為，石墨既導電又有電 阻，是吸收電磁波的良好材料，它不容易對電磁波產生反射，并對電磁波產生衰減作用。如果只從屏蔽效果來比較，石墨對電磁場屏蔽的效果的確不如導電良好的金 屬，但金屬

3、屏蔽也有缺點，它最大的缺點就是產生電磁波反射，并使電磁反射波相互迭加，嚴重時會產生電磁振蕩。當被屏蔽干擾信號的波長正好與 金屬機殼的某個尺寸接近的時候，金屬機殼很容易會變成一個大諧振腔，即：電磁波會在金屬機殼內來回反射，并會產生互相迭加，其工作原理與圖13基本相同。 這種情況在電腦機殼內最容易實現，當電腦機殼的邊長正好等于某干擾信號的半個波長，且干擾信號源正好位于電腦機殼的中央位置的時候，干擾信號很容易就會在 機殼內部產生電磁振蕩。當某一干擾信號頻率正好在諧振腔中產生諧振的時候，電磁波的能量反而會被加強。被加強了的干擾信號，一方面會破壞設備自身的正常工 作，另一方面干擾信號也會從金屬機殼的裂縫

4、逃逸出去，產生輻射干擾，雷達設備經常使用的裂縫天線就是這個工作原理。特別指出，電磁波在金屬機殼中產生輻射 或諧振，與外殼接地或不接地無關。大多數電器設備傳導干擾都是由開關電源引起的，為了提高開關電源的工作效率，一般都希望開關管導通和關斷 速度越高越好，即：方波的前、后沿越陡越好，這樣的結果會使開關電源產生的干擾更加嚴重，要進行抑制更加困難。因此，在對開關電源進行設計時，不要無條件 地追求開關電源的工作效率為越高越好。不管采用什么樣的濾波電路來抑制電子設備產生的傳導干擾，其主要目的都是要把圖6中的V1、V2、 V3等三個干擾信號的幅度降到最低。例如：要抑制V1干擾信號，最有效的方法是在V1的兩端

5、并聯一個電容，由于這個電容連接的位置比較特殊，需要符合安全 標準，因此，一般人們都稱他為Y電容；同理，要抑制V2干擾信號，最有效的方法也是在V2的兩端并聯一個Y電容。由于Y電容會引起設備漏電或機客帶電，容 易危及人身安全，所以這兩個Y電容都是屬于安全電容，其容量不能大，并且要求耐壓很高，否則，機器將會漏電。安全標準規(guī)定，一般在亞?帶機器對地漏電電流 不能超過0.7mA，在溫帶機器對地漏電電流不能超過0.35mA，因此，Y電容的總容量一般都不能超過4700P。特別提示，Y電容為安全電容，必須經過安全檢測部門人證過后才能使用。Y電容的耐壓一般都標有安全認證標志和AC250V或AC275V字樣，但其

6、真正的直流耐壓高達5000V以上，因此，Y電容不能隨便用AC250V，或DC400V之類的電容來代用。抑 制V3干擾信號最有效的方法，同樣也是在V3的兩端并聯一個電容，由于這個電容連接的位置比較特殊，也需要符合安全標準，因此，一般人們都稱他為X電容。 X電容同樣也屬于安全電容，其容量可以比Y電容大，但必須在X電容的兩端并聯一個安全電阻，用于防止電源線拔插時電源線插頭長時間帶電。安全標準規(guī)定，當 正在工作之中的機器電源線被拔掉時，在兩秒鐘內，電源線插頭兩端帶電的電壓(或對地電位)必須小于原來電壓的30%。X電容也是安全電容，必須經過安全檢測部門認證過后才能使用。X電容的耐壓一般都標有安全認證標志

7、和AC250V或AC275V字樣，但其真正的直流耐壓達2000V以上，使用的時候不要隨便用AC250V，或DC400V之類的電容來代用。X電容一般都選用紋波電流比較大的聚脂薄膜安全電容，這種電容體積一般都很大，但其允許瞬間充放電的電流也很大，即：內阻比較小。普通電容紋波電流的指標一般都很小，動態(tài)內阻比較大，用普通電容代替X電容，除了耐壓條件不能滿足以外，一般紋波電流指標也是難以滿足要求的。實 際上，光靠用Y電容和X電容就想把傳導干擾信號完全濾除是不可能的。因為干擾信號的頻譜非常寬，基本覆蓋了幾十KHz到幾百MHz甚至上千MHz的頻率范 圍。對低端干擾信號的濾除需要很大容量的濾波電容，但受到安全

8、條件的限制，Y電容和X電容的容量都不能用大；對高端干擾信號的濾除，大容量電容的濾波性能 又極差，特別是聚脂薄膜電容的高頻性能一般都比較差，因為它是用卷繞工藝生產的，并且聚脂薄膜介質高頻響應特性與陶瓷或云母相比相差很遠，一般聚脂薄膜介 質都具有吸附效應，它會降低電容器的工作頻率，聚脂薄膜電容工作頻率范圍大約都在1MHz左右，超過1MHz其阻抗將顯著增加。因此，抑制電子設備產生的傳導干擾除了選用Y電容和X電容進行濾波以外，一般還要同時選用多個電感濾波器一 起組合對干擾除進行濾波。電感濾波器屬于低通濾波器，但電感濾波器也有很多種類和無數多種規(guī)格，例如有：差模、共模，以及高頻、低頻等，每種電感主要都是

9、 針對某一小段頻率的干擾信號濾除而起作用，對其它頻率的干擾信號的濾除起作用不大。因為，電感量很大的電感，其線圈匝數很多，分布電容也很大，高頻信號會 通過分布電容旁路掉，另外，導磁率很高的磁芯，其工作頻率也不高。目前，國內大量使用的電感濾波器磁芯的工作頻率大多數都在75MHz以下，對于工作頻率 要求比較高的場合，必須選用高頻環(huán)形磁芯，高頻環(huán)形磁芯導磁率一般都不高，但漏感特別小。圖14是根據上面分析而設計的EMC濾波電路，EMC濾波電路如虛線框內所示。圖 14中，C1、C2是Y安全電容，其主要作用是對V1、V2進行旁路，V1、V2屬于共模干擾信號，因此C1、C2的功能主要是對共模干擾信號進行抑制，

10、 同時C1、C2對V3也有一定的旁路作用，但因兩個電容串聯起來的容量很小，因此，其主要功能是高頻差模干擾信號進行抑制；C3是X安全電容，其主要作用 是對V3進行旁路，V3屬于差模干擾信號，因此，C3的主要功能是對差模干擾信號進行抑制；C4也是X安全電容，雖然它沒有對V3直接進行旁路，但它也是 差模干擾信號抑制的濾波電容；R1是殘余電壓釋放電阻，其阻值要與C3、C4等配合使用，使時間常數=R1*(C3+C4)小于2秒，但R1不能用得太 小，太小會損耗電源功率。當電容充放電時間等于時，電容器兩端的電壓上升或下降的值是最大值的63%。圖14中，L1、L2是電感濾波 器，L1為差模干擾信號電感濾波器，

11、L2為共模干擾信號電感濾波器，由于差模干擾信號電感濾波器很容易產生磁飽和，以及電感濾波器的體積也比較大，因此目 前很少人使用，基本上都是用共模電感濾波器來代替。實際應用中 共模電感濾波器的兩個線圈之間也存在很大的漏感，因此，它對差模干擾信號也具有一定的濾波作用。根據EMC的定義或原理，EMC濾波電路不但要抑制本電子設備產生的電磁干擾，同時也要對外來的電磁干擾信號進行抑制，因此，圖14所示的EMC濾波電路還不是十分完美的。為了提高EMC濾波電路對外來電磁干擾信號的抑制能力，最好在輸入端也安裝一個低通濾波器，并且這個低通濾波器對本電子設備產生的電磁干擾也有很強的抑制能力。另 外，由于電磁干擾信號的

12、頻譜非常寬，單獨用一個電感濾波器是很難達到滿意要求的，因為，目前采用的電感濾波器都不是理想的電感濾波器，每種規(guī)格的電感濾波 器只能對應某一頻段濾波效果為最好，因此，最好同時把高、中、低三種不同頻率濾波特性的電感濾波器同時都用上。圖15是一種具有對外來傳導干擾信號有很強 抑制能力的EMC濾波電路，同時，EMC濾波電路還可以把高、中、低三種不同頻率濾波特性的電感濾波器組合起來使用，使性能進一步提高。圖 15與圖14相比，多了一個L0低通電感濾波器，目的是為了提高對外來傳導干擾信號的抑制能力。如果只考慮提高抑制本電子設備干擾的能力，可把C1、C2 的連接位置移放到電源線的最前端，即：盡量靠近測試儀表

13、的接入處，抑制干擾效果會更顯著。需要檢查電子設備對外來電磁干擾信號的抑制能力，可在電源線輸入 端輸入一個干擾信號，然后檢測電子設備被干擾影響的程度，如：電視機出現行掃描不同步等。對不同的電子設備，干擾信號也有不同的要求，這些標準制定一般都 是由行業(yè)協(xié)會提出，最后由標準制定單位推薦使用。1傳導干擾EMC濾波電路設計傳導干擾分共模信號干擾和差模信號干擾，我們先來分析共模信號干擾。我 們可以從圖6、圖7、圖8、圖10、圖12、圖14、圖15等看出，共模干擾信號主要是通過電子設備對地的分布電容構成回路傳輸的。如圖5中的C5就是干 擾設備對地的分布電容。C5的容量與干擾設備的體積有關，與地面的距離有關，

14、但檢測時，設備到地面的距離是固定的，C5的容量大約在十幾到幾千微微法之 間。由于C5的容量很小，對低頻信號的阻抗很大，因此，能夠通過C5電容的共模干擾信號基本上都是屬于高頻信號。在圖14、圖15電路中，為了降低共模干擾信號輸出，還在電路中串入L0、L1、L2等電感，以及C1、C2等電容。與C5電容的特性相反，電感濾波器對低頻信號的阻抗很小，而對高頻信號的阻抗卻很大。圖16表示C5電容與L0、L1、L2等電感濾波器的頻率-阻抗特性圖。圖16中紅線表示設備對地電容C5的頻率阻抗曲線；藍線是濾波電感L0、L1、L2的頻率阻抗曲線。對 于電容來說，在頻率的低端電容的阻抗很大，低頻共模干擾信號一般難以通

15、過；但當頻率升高到一定某一個數值的時候，電容的阻抗就會降低，共模干擾信號就會很 容易通過，因此，產生共模干擾的信號的頻率主要集中在紅線的右端。但對于電感L0、L1、L2來說，在頻率的低端電感的阻抗很小，低頻共模干擾信號一般很 容易通過，但當頻率升高到某一個數值的時候，電感的阻抗會升高，使共模干擾信號難以通過，因此，出現共模干擾信號的頻率主要集中在藍線的左端。由此，可以 得出結論，出現共模干擾信號的頻率就是在電容阻抗曲線與電感阻抗曲線的交匯處，如圖16中的a、b、c或對應頻率f1、f2、f3附近。 圖16中有 三條藍色電感濾波器的阻抗曲線，分別對應不同數值的電感。當符合標準的共模干擾信號對應的阻

16、抗參考線為Z1時，圖16中的三種電感參數全部合格；當符合標 準的共模干擾信號對應的阻抗參考線為Z2時，選用的三種電感參數只有兩種合格，其中第一個性能最優(yōu)，但成本相應也會提高。另外我們還可以看出，選用不同的 電感參數，對應出現共模干擾信號的頻率也不一樣。我們再來分析差模干擾。我們同樣可以從圖6、圖7、圖8、圖10、圖12、圖14、圖15 等看出，差模干擾信號沒有通過設備對地的分布電容構成回路，主要是通過電源輸電線路進行傳輸。在圖14、圖15中對差模干擾信號起抑制作用的主要是L0、 L1、L2、C3、C4，以及C1、C2。一般C1、C2都是在安全標準允許的條件下把容量用到最大，參數可調的一般只有C

17、3、C4兩個電容，和L0、 L1、L2三個電感濾波器。圖17表示C3、C4濾波電容器與L0、L1、L2等電感濾波器的頻率-阻抗特性圖。圖17中的兩條紅線，表示 濾波電容器C3、C4選取不同容量時的頻率阻抗曲線；兩條藍線，表示濾波電感L0、L1、L2選取不同電感值時的頻率阻抗曲線。對于電容來說，在頻率的低 端電容的阻抗很大，低頻差模干擾信號一般難以通過；但當頻率升高到一定范圍的時候，電容的阻抗就會降低，差模干擾信號就很容易通過，因此，出現差模干擾信 號的頻率主要集中在紅線的左端。但 對于電感L0、L1、L2來說，在頻率的低端電感的阻抗很小，低頻差模干擾信號一般很容易通過，但當頻率升高到一定范圍的

18、時候，電感的阻抗也會升高，使差 模干擾信號難以通過，因此，出現差模干擾信號的頻率主要集中在藍線的左端。由此，可以得出結論，出現差模干擾信號的頻率全部都集中在電容阻抗曲線與電感阻 抗曲線相交處的左端，如圖17中的a、b、c、e或對應頻率f1、f2、f3、f4的左邊。因此，濾波電容器C3、C4與電感濾波器L0、L1、L2的數 值，對于差模干擾信號抑制效果來說都是越大越好。 從圖16和圖17可以看出，出現共模干擾信號的頻率既不是頻率的低端，也不是頻率的高端，而是在某個頻率的附近；而出現差模干擾信號的頻率全部都是集中在某個頻率的低端。特別指出，上面分析，完全是把電容器和電感器看成一個理想器件來進行分析

19、的結果，實際應用中的電容器并不是一個理想的電容器，電感濾波器也不是一個理想的電感濾波器。因此，在進行實際電路設計時一定要反復查看自己所選擇器件的參數，特別是各種器件的頻率響應曲線。2地線對EMC的影響很多人都認為，電路中的地線或接地電路都是不帶電的，實際上，這種認為是錯誤的。在一般的直流電路或低頻電路中，當不考慮電磁感應時，可以認為電路中的地線或接地電路是不帶電的，但在存在電磁感應的電路中，就不要輕易認為電路中的地線或接地電路是不帶電的。舉 個簡單例子吧，誰會相信，幾十萬伏的高壓輸電線的正中心是不帶電的。但事實上，由于電場的相互作用，導體中的電荷分布主要都是集中在導體的外表面，而導體 的中心電

20、荷幾乎為0，所以帶電導體的中心是不帶電的。這個原理可以用驗電器在一個帶電空心金屬球的中心進行測試作證明，在一個帶電空心金屬球的中心電場強 度的確為零，從而也可證明帶電導體中心的電場強度為零，即不帶電。在具有電磁感應的電路中，無論電路是否閉合回路，或者是開路，在與電場方 向一致的導體中都會產生位移電流，無論是導體或者是絕緣體在電場中都會產生極化帶電；當電場的方向不斷改變時，電流的方向也會跟隨電場的方向改變而改變， 電流將一會兒向前跑，一會兒向后跑。導體被極化帶電的過程，可參考圖12中的天線被極化的過程。另外，磁感應也會使導體或電路產生感應電動勢，使導體或電 路帶電。一個被充滿電的電容器，它的兩個

21、電極就是帶電體，一端帶正電，另一端帶負電，而真正不帶電的地方是在電容器的中間；同理，一個被感 應的變壓器次級線圈，它的兩個輸出端口也會帶電，而真正不帶電的地方只有在變壓器線圈的中間抽頭處。嚴格來說，只有電位為零的物體，我們才能稱它不帶電； 或者說，只要電位不為零的物體我們都應該稱它為帶電體。但這樣一來，我們實際中接觸到很多的具體電路就只能用等效電路來表示了，所以，有時把問題太復雜化 了也不好，但過于簡單有時也會把實質性的問題給掩蓋住了。一只小鳥，如果它站在電視發(fā)射天線的中間，它一般是不會產生觸電危險的，但如果它 站在電視發(fā)射天線的某一端，它可能會立刻被電死。這說明發(fā)射天線的中間是不帶電的，而發(fā)

22、射天線的兩端都是帶電的。但為什么小鳥站在幾十萬伏的高壓線上，它 沒有被觸電，而站在只有幾十伏電壓的發(fā)射天線的某一端上卻會被電死呢？這就是電磁感應的性質，微波爐就是根據電磁感應原理制造的。小鳥站在高壓線上沒被電死的原因，是因為小鳥的電容很小，雖然幾十萬伏的高壓對它來回充放電，電流很小(i=C*dv/dt)；而小鳥站在發(fā)射天線的某一端，因為發(fā)射天線電壓信號的頻率很高，電容來回充放電的電流很大，因此，小鳥很容易會被電死。由 此可知，如果把多個不是真正零電位的電路或帶電體互相連接在一起，接點處將會出現電流。比如，三相變壓器的中線一般都接地，當三相電源負載不平衡的時候， 接地處就會產生電流；又如，把變壓

23、器次級線圈的一端接地，接地端也會產生電流，而電流的大小與變壓器次級線圈的電容有關，與工作頻率也有關，與輸出電壓也 有關。在進行電路設計的時候，對地線的連接和處理一定要特別慎重，否則將會出現嚴重的地線干擾。這里再次指出，一般電路中的地，不是大地， 其電位并不等于零，它只不過是一根公共連接線，當它沒有與大地連接時，我們更不應該把它看成地線。理想的地線應該是，電位處處為零，即：在理想的地線中是 沒有電流流動的，如果導體中有電流流動，我們就不能把它當成地線。下面我們以圖18為例來分析地線對EMC產生的影響。圖18中Q1表示開 關電源，T1為開關變壓器，D1為整流二極管，C1、C2、C3為濾波電容器，A

24、1為功率放大器，S1為功率放大器輸入信號，R1為功率放大器輸出負 載，G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8為各個器件的地；Ui表示整流輸出電壓，Uo表示經過濾波后的輸出電壓。我們先來看G1，G1是開關 電源變壓器次級的地，這個G1地的電位不是0，變壓器次級真正的0電位是在變壓器次級線圈的中心抽頭處，如果變壓器次級線圈的兩個端子不接成回路，它相當 于一個振子天線；如果把G1與大地相接，哪怕變壓器次級線圈的另一端不與其它電路連接，G1也會產生地電流，并且變壓器次級線圈熱端的電位會升高一倍，其 工作原理與廣播電臺的中波發(fā)射天線的工作原理很類似。變壓器輸出電壓經二極管D1整流后為脈動直流，脈

25、動直流含有非常豐富的高頻諧波，不能直接向功率放大器供電，必須要經過儲能濾波，使脈動直流變成一種紋波很小的直流后，再給功率放大器供電。 圖 18中C1是儲能濾波電容，它的功能是把開關電源輸出的脈沖功率進行存儲，然后再給負載提供穩(wěn)定的功率和電壓輸出。電容C1充電的時候相當于功率存儲，放 電的時候，相當于功率輸出。由于C1的充放電電流特別大，如果電路處理不當，充放電回路產生的電磁干擾將非常嚴重。產生感應電動勢的大小，與電流的變化律 成正比，與磁通的變化率成正比，與產生感應磁通回路的面積成正比，與互感的大小成正比；而充電回路電流的大小，與開關電源輸出電壓的變化率成正比，與充電 電容器的大小成正比。圖1

26、9是開關電源整流輸出電壓以及電源濾波電容的紋波電壓和紋波電流波形。圖19中紅線表示電容器充電時的電壓、電流 變化曲線，藍線表示電容器放電時的電壓、電流變化曲線。其中Ui表示整流輸出電壓，Uo表示經過濾波后的輸出電壓，uc表示濾波電容的紋波電壓，ic表示 濾波電容的紋波電流。由圖19可以看出，電源濾波回路同時存在兩種非常嚴重的電磁輻射，一個由變壓器輸出電壓方波產生的高頻電場輻射，另一個是由電源濾波回路電容器充放電電流產生的高頻磁場輻射，統(tǒng)稱電磁輻射。 為 了減少電磁輻射，比較簡便和有效的辦法就是減少電磁輻射的面積，或減少電壓和電流的上升率，減少電壓上升率會增加電源開關管的損耗；減少電流上升率可以

27、在 電容充放電回路中串聯一個小電感，但串聯電感又會產生新的磁輻射，并且增加成本。為了減少電磁輻射的有效輻射面積，整流二極管D1、電源濾波電容C1必須 緊靠開關電源變壓器的次級，電源濾波電容C1的地G2更應該就近與變壓器次級的地G1連接，并且在PCB板上還要做到一點接地，即：在這兩個接地點之間不 要插入其它的接地點。變壓器輸出電壓經過C1電容濾波后，脈動電壓的成分以及高次諧波部分都將會大大減少，此時，G1或G2與大地連接，流入大地的諧波電 流也將會大大減小。我們再看其它的地，G7是功率放大器A1輸出的地，同時G7還是功率放大器A1電源的負極。我們可以把功率放大器A1看 成是一個軟開關，功率放大器

28、的輸出級一般都是由兩個推拉管組成，兩個放大管受輸入信號的控制來回導通，不斷地向負載R1提供功率輸出，并且不停地向電源索 取能量電流。流過功率放大器A1或負載R1的電流是脈動電流，因此，率放大器的電源輸入回路以及功率輸出回路也會向外產生很強的電磁輻射，為了減少電 磁輻射，要盡量減少電源輸入回路以及功率輸出回路的面積。對于功率放大器A1的供電回路來說，減少電磁輻射面積最好的方法，是把電源直接接 到功率放大器電源輸入腳的兩端。一個充滿了電的電容可以把它看成是一個電源，因此，C2、C3都可以看成是給功率放大器供電的電源，所以，C2、C3應該 盡量靠近功率放大器供電的輸入端，并與電源輸入的兩端緊密相連。C3是高頻電容，它能在很短的時間內輸出較大的電流，即高頻響應好，并且體積比C2小，它 靠近功率放大器的電源輸入端更為便利，對減少電磁輻射很有利。因此，G4應該優(yōu)先與G7連接，其次是儲能電容