电子线路与电磁兼容设计（下）

　　电磁兼容设计
　　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。
　　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。
　　这种脉冲尖峰电流如用付立叶级数展开，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PFC（Power Factor corrector）功率因素矫正电路，或差模滤波电感器。PFC 功率因素矫正电路一般为一个并联式升压开关电源，其输出电压一般为DC400V，没有经功率因素矫正之前的电源设备，其功率因数一般只有0.4~0.6，经功率因素矫正后功率因数最高可达到0.98。功率因素矫正电路虽然可以完全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 电磁兼容设计。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，但不能提高功率因素。
　　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。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。
　　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，屏蔽效果非常显着；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。
　　对高压的静电的消除
　　如果输出电压高于1000V，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“次级地”的时候不会“触电”，因此，人们都把“次级地”叫做“冷地”，表示可以触摸的意思。但不管是“冷地”或者是“热地”，其对大地的电位差都不可能是零，即还是会带电。如彩色电视机中的开关电源，“热地”对大地的电位差大约有400VP-P（峰峰值），“冷地”对大地的电位差大约有1500VP-P（峰峰值）。
　　“热地”带电大家比较好理解，而“冷地”带电一般人是难以理解的。那么“冷地”带电这个电压是怎样产生的呢？这个电压是由变压器次级产生的，虽然变压器次级的一端与“冷地”连接，但真正的零电位是在变压器次级线圈的中心，或整流输出滤波电容器介质的中间。这一点我们称为电源的“浮地”，即它为零电位，但又不与大地相连。由此可知“冷地”带电的电压正好等于输出电压的一半，如电视机显像管的高压阳极需要大约3 万伏的高压，真正的零电位是在高压滤波电容（显像管石墨层之间的电容）的中间，或高压包的中间抽头处，由此可以求出电视机中的冷地与地之间的电压（静电）大约为15000V。同理，“热地”回路的“浮地”是在储能滤波电容器C5 的中间，所以“热地”正常带电电压应为整流输出电压的一半，约为200 VP（峰值），如把开关管导通或截止时产生的反电动势也叠加在其之上，大约有400VP-P（峰峰值）。
　　一般数字电路IC 的耐压都很低，如果“冷地”带电的电压很高，通过静电感应，或人体触摸，很容易就会把IC 击穿。顺便指出，“冷地”带电是属于静电的范畴，它只相当于对一个小电容充电，这个小电容的一端是大地，另一端是“冷地”，电容量相当于“冷地”对大地之间的等效电容。
　　电磁兼容设计在我国是一门很崭新的科学，电磁兼容性EMC 的相关标准还很不完善，很多测试方法或定量分析还需要人们进一步去摸索和探讨，很多新的电磁兼容性EMC 设计理论还需人们去创立。