電磁干擾EMI與電磁兼容EMC

-.z.二．電磁干擾EMI與電磁兼容EMC電磁干擾〔ElectromagneticInterference〕，簡(jiǎn)稱EMI，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生干擾；輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過空間耦合把干擾信號(hào)傳給另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。為了防止一些電子產(chǎn)品產(chǎn)生的電磁干擾影響或破壞其它電子設(shè)備的正常工作，各國政府或一些國際組織都相繼提出或制定了一些對(duì)電子產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾有關(guān)規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn)，符合這些規(guī)章或標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品就可稱為具有電磁兼容性EMC〔Electromagneticpatibility〕。電磁兼容性EMC標(biāo)準(zhǔn)不是恒定不變的，而是天天都在改變，這也是各國政府或經(jīng)濟(jì)組織，保護(hù)自己利益經(jīng)常采取的手段。1．傳導(dǎo)干擾傳導(dǎo)干擾一般是通過電壓或電流的形式在電路中進(jìn)展傳播的，圖6是測(cè)試電子設(shè)備產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的根本方法，或表示傳導(dǎo)干擾通過電源線傳輸?shù)膸追N方式。圖6中，電子設(shè)備表示干擾信號(hào)源，CI表示共模干擾信號(hào)，DI表示差模干擾信號(hào)；V1、V2、V3分別表示用儀表對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)展測(cè)量的連接方法，低通濾波器是為了便于對(duì)V1、V2、V3進(jìn)展測(cè)試，而另外加接進(jìn)去的；R1、R2、R3、R4分別為各電子設(shè)備的接地電阻，也包括之間的電阻，接地電阻一般為幾歐姆到幾十歐姆，其阻值與地線的安裝和地外表土壤構(gòu)造有關(guān)；C1為電子設(shè)備對(duì)的電容，其容量與電子設(shè)備的體積還有地面距離有關(guān)，一般為幾微微法到幾千微微法。從圖6中我們可以看出：V1=CI?DI〔17〕V2=CI+DI〔18〕V3=DI〔19〕從圖6中我們還可以看出，差模干擾信號(hào)DI是通過電子設(shè)備兩根電源輸送線傳輸?shù)模虼?，必須用低通濾波器對(duì)它進(jìn)展隔離；而共模干擾信號(hào)CI是通過電子設(shè)備對(duì)的電容C1傳輸?shù)?，由于C1的容量一般都非常小，C1對(duì)低頻共模干擾信號(hào)的阻抗很大，因此，在低頻段，共模干擾信號(hào)一般很容易進(jìn)展抑制，但在的高頻段，對(duì)共模干擾信號(hào)進(jìn)展抑制，難度卻要比差模干擾信號(hào)抑制的難度大很多。1-1．回路電流產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾圖7是一個(gè)開關(guān)電源電路的幾個(gè)主要局部，圖中，C1、C2、C3、C4是各主要局部的對(duì)地電容或?qū)C(jī)殼的電容，R1、R2、R3是地電阻或機(jī)殼的電阻〔機(jī)殼接地〕；i1、i2、i3、i4是開關(guān)電源電路中幾個(gè)主要局部的回路電流，i1是交流輸入回路電流，i2是整流回路電流，i3是開關(guān)回路電流，i4是輸出整流回路電流。在這4個(gè)電流之中，i3的作用是最主要的，因?yàn)樗荛_關(guān)管Q1控制，其它電流全部都受它牽動(dòng)而發(fā)生變化。從電路中我們可以看出，i1、i2、i3所屬的3個(gè)回路都是相互連接的，根據(jù)回路電流定律，i1、i2、i3之間具有代數(shù)和的關(guān)系，因此，只要3個(gè)電流中有一個(gè)電流的高頻諧波對(duì)其它電路產(chǎn)生干擾，則，3個(gè)電流都會(huì)對(duì)其它電路產(chǎn)生干擾，并且這種干擾主要是差模信號(hào)干擾。i4與變壓器初級(jí)的3個(gè)回路電流沒有直接關(guān)系，它是通過磁感應(yīng)產(chǎn)生的，因此它不會(huì)產(chǎn)生差模信號(hào)干擾，但它會(huì)產(chǎn)生共模信號(hào)干擾，i4產(chǎn)生共模信號(hào)干擾的主要回路一個(gè)是通過對(duì)地電容C4，另一個(gè)是變壓器T1初、次級(jí)之間的電容〔圖中沒有畫出〕。另外，還有4個(gè)回路電流i5、i6、i7、i8，這四個(gè)回路電流一般人是不會(huì)太注意的。這四個(gè)電流與前面的3個(gè)電流i1、i2、i3根本沒有直接聯(lián)系，它們都是通過電磁感應(yīng)〔電場(chǎng)與磁場(chǎng)感應(yīng)〕產(chǎn)生的。在這幾個(gè)電流中，其中以i7最嚴(yán)重，因?yàn)?，變壓器初?jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)一端正好通過C3與相連，另一端經(jīng)過其它3個(gè)回路與交流輸入回路相連。這里特別指出，但凡經(jīng)過電容與相連回路的電流都是屬于共模信號(hào)干擾電流，因此，i5、i6、i7、i8全部都屬于共模信號(hào)干擾電流。1-2．電磁感應(yīng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾我們知道，在開關(guān)電源里面，開關(guān)電源變壓器是最大的磁感應(yīng)器件。反激式開關(guān)電源變壓器，就是通過把流過變壓器初級(jí)線圈的電流轉(zhuǎn)換成磁能，并把磁能存儲(chǔ)在變壓器鐵心之中，然后，等電源開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，流過變壓器初級(jí)線圈的電流為0的時(shí)候，開關(guān)電源變壓器才把存儲(chǔ)在變壓器鐵心之中磁能轉(zhuǎn)換成電能，通過變壓器次級(jí)線圈輸出。開關(guān)電源變壓器在電磁轉(zhuǎn)換過程中，工作效率不可能100%，因此，也會(huì)有一局部能量損失，其中的一局部能量損失就是因?yàn)楫a(chǎn)生漏磁，或漏磁通。這些漏磁通穿過其它電路的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小可由〔13〕、〔14〕或〔16〕式求得。圖8是磁感應(yīng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的原理圖，圖8表示開關(guān)電源變壓器產(chǎn)生的漏磁通穿過其它電路時(shí)，在其它電路中也產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其中漏磁通M1、M2、M3產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1、e2、e3屬于是差模干擾信號(hào)；M5、M6、M7、M8產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e5、e6、e7、e8屬于是共模干擾信號(hào)。圖9是開關(guān)電源變壓器產(chǎn)生的漏磁通的原理圖。開關(guān)電源變壓器的漏磁通大約在5%~20%之間，反激式開關(guān)電源變壓器為了防止磁飽和，在磁回路中一般都留有氣隙，因此漏磁通比擬大，即：漏感比擬大。因此，產(chǎn)生漏感干擾也特別嚴(yán)重，在實(shí)際應(yīng)用中，一定要用銅箔片在變壓器外圍進(jìn)展磁屏蔽。從原理上來說，銅箔片不是導(dǎo)磁材料，對(duì)漏磁通是起不到直接屏蔽作用的，但銅箔片是良導(dǎo)體，交變漏磁通穿過銅箔片的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向正好與漏磁通的方向相反，是局部漏磁通被抵消，因此，銅箔片也可以起到磁屏蔽的作用。檢測(cè)漏磁通干擾的簡(jiǎn)便方法是，用示波器探頭接成一個(gè)小短路環(huán)進(jìn)展測(cè)量，最簡(jiǎn)便的方法就是把探頭與地線端短路連在一起，相當(dāng)于一個(gè)磁感應(yīng)檢測(cè)線圈。把磁感應(yīng)檢測(cè)線圈靠近變壓器或干擾電路，很容易看到干擾信號(hào)的存在。值得一提的是，開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈的漏感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)et，在所有干擾信號(hào)之中是最不容無視的，如圖10所示。當(dāng)電源開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈的漏感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)et幾乎沒有回路可釋放，一方面，它只能通過初級(jí)線圈的分布電容進(jìn)展充電，并讓初級(jí)線圈的分布電容與漏感產(chǎn)生并聯(lián)諧振；另一方面，它只能通過輻射向外進(jìn)展釋放，其過對(duì)地電容C3與相連，也是反電動(dòng)勢(shì)et釋放能量的一個(gè)回路，因此，它對(duì)輸入端也會(huì)產(chǎn)生共模信號(hào)干擾。2．輻射干擾輻射干擾一般是通過電磁感應(yīng)的形式在空間進(jìn)展傳播的，圖11是測(cè)試電子設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾的根本方法，或表示電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過電磁感應(yīng)向空中輻射的原理。圖11中，電子設(shè)備表示干擾信號(hào)源，V1表示測(cè)量?jī)x表，C1表示電子設(shè)備對(duì)的電容，C2表示電子設(shè)備與天線偶合的電容，即：電子設(shè)備通過電場(chǎng)對(duì)天線產(chǎn)生感應(yīng)，這里的天線也可以看成是被干擾的設(shè)備。圖11的測(cè)試方法就是測(cè)試電子設(shè)備周圍規(guī)定距離*處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，由于干擾信號(hào)一般都是一個(gè)頻率成份非常豐富的非正弦波，因此，無法對(duì)它進(jìn)展直接測(cè)量，只能對(duì)它其中*一個(gè)頻率信號(hào)單獨(dú)進(jìn)展測(cè)量。電子設(shè)備與天線感應(yīng)產(chǎn)生的電流是位移電流，一般頻率很高的位移電流在電路中每處的電流方向以及電流大小和電壓幅度都是不一樣的，我們無法對(duì)它直接進(jìn)展測(cè)量，因此，在進(jìn)展信號(hào)測(cè)量的時(shí)候一般都使用諧振天線，使天線諧振回路對(duì)*個(gè)頻率的干擾交流信號(hào)產(chǎn)生諧振，然后再檢測(cè)諧振信號(hào)的電壓幅度。在測(cè)試過程中，天線需要經(jīng)常進(jìn)展調(diào)諧，調(diào)諧就是調(diào)節(jié)天線振子的長(zhǎng)度，或磁感應(yīng)天線諧振回路中的電容，更多的是調(diào)諧選頻放大器輸入回路中的諧振電路參數(shù)。圖12是極化天線的工作原理圖，圖12-a〕和圖12-b〕表示天線在電場(chǎng)中被感應(yīng)產(chǎn)生極化的兩種不同情形。所謂極化就是導(dǎo)體或物體在電場(chǎng)力的作用下產(chǎn)生帶電，這種帶電是極化帶電，即：導(dǎo)體或物體的一端帶正電，而另一端帶負(fù)電。一般地說，導(dǎo)體或物體被極化帶電，只是兩端帶電，而中心點(diǎn)是不帶電的。由于，極化天線的電場(chǎng)是一個(gè)交變電場(chǎng)，所以，天線總是在圖12-a〕和圖12-b〕之間來回變化。12-a〕和圖12-b〕最左邊的圖形是表示電場(chǎng)方向和天線的電荷分布曲線，中間圖形表示載流子在極化天線中流動(dòng)，右邊圖形表示天線的等效電路。天線來回極化的工作原理可以等效成一個(gè)串聯(lián)諧振電路，當(dāng)天線在電場(chǎng)力的作用下被極化帶電時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)電容在充電；當(dāng)天線中的載流子在電場(chǎng)力的作用下來回移動(dòng)時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)電感，并且在天線的周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)天線諧振電路產(chǎn)生諧振時(shí)，在天線串聯(lián)諧振電路中會(huì)產(chǎn)生很大的諧振電流和很高的諧振電壓〔假設(shè)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)非常高〕，但實(shí)際使用的測(cè)量天線品質(zhì)因數(shù)都不高，因?yàn)樘炀€還要輸出能量，即：需要從天線中取出測(cè)試信號(hào)。要想從天線中取出信號(hào)，可以通過高頻信號(hào)線〔雙線〕把兩根天線串聯(lián)起來，相當(dāng)于電纜線連接在兩根天線的中間，然后把高頻信號(hào)線〔雙線〕的另一端作為輸出；另一種方法是，高頻信號(hào)線〔雙線〕其中的一條接天線，另一條接，高頻信號(hào)線〔雙線〕的另一端作為輸出。前一種天線一般叫半波雙振子天線或全波雙振子天線，后一種叫半波或全波單振子天線。顯然，雙振子天線性能要比單振子天線好很多。這種測(cè)量方法是不很準(zhǔn)確的，但沒有其它更好的方法。因?yàn)?，任何諧振回路都是一個(gè)儲(chǔ)能電路，這種儲(chǔ)能電路是一點(diǎn)、一點(diǎn)地把電能量進(jìn)展積累并存儲(chǔ)起來的，在進(jìn)展能量積累的過程中自身也會(huì)損耗能量，最后到達(dá)接收能量與損耗能量完全平衡的時(shí)候，諧振回路的電壓幅度才停頓增長(zhǎng)，即：諧振回路的電壓幅度與諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q值有關(guān)，但諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q值對(duì)于不同頻率信號(hào)是不一樣的，并且這種諧振回路無法檢測(cè)干擾脈沖的瞬時(shí)值。圖13是諧振回路產(chǎn)生諧振的工作原理圖。圖13-a〕是一個(gè)含有諧波分量非常豐富的電壓方波，圖13-b〕是LC串聯(lián)回路產(chǎn)生諧振時(shí)的電壓波形。當(dāng)電壓方波作用于LC串聯(lián)回路時(shí)，方波的前后沿都會(huì)對(duì)LC串聯(lián)回路產(chǎn)生鼓勵(lì)〔即接收能量〕，每次鼓勵(lì)過后又會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩〔即損耗能量〕，當(dāng)輸入電壓波形的上升率dv/dt值大于諧振回路波形〔正弦波〕的上升率時(shí)，電路就會(huì)產(chǎn)生鼓勵(lì)；當(dāng)輸入電壓波形的上升率dv/dt值小于諧振回路波形的上升率時(shí)，電路就會(huì)產(chǎn)生阻尼。由于每次鼓勵(lì)過后振蕩回路的能量還沒有損耗完，緊接著又來一次新的鼓勵(lì)，使振蕩電壓一次、又一次地進(jìn)展疊加，如果鼓勵(lì)的相位與振蕩波形的相位能保持同步，則振蕩電壓的幅度會(huì)越來越高，直到鼓勵(lì)的能量與電路損耗的能量相等為止。因此，當(dāng)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q值很高時(shí)，諧振電壓也可以升得很高，理想的情況是Q值無限高〔即天線沒有損耗〕，則產(chǎn)生諧振電壓的幅度也會(huì)升得無限高，但這種情況是不存在的。從圖13還可以看出，LC串聯(lián)回路產(chǎn)生諧振時(shí)的電壓幅度與鼓勵(lì)波形的相位密切相關(guān)，而與鼓勵(lì)波形的幅度反而相關(guān)不是特別大。如果圖13-a〕中的電壓方波之間的相位或周期不是嚴(yán)格保持相等，則圖13-b〕中的波形就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重抖動(dòng)，并且諧振電壓的幅度也會(huì)下降很多。因此，用圖11中的測(cè)量方法并不能完全客觀地測(cè)量出干擾信號(hào)在*空間處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。另外還需指出，測(cè)試用的接收天線還分電場(chǎng)感應(yīng)電線和磁場(chǎng)感應(yīng)天線，還有電磁場(chǎng)