監(jiān)護儀中ＥＭＣ技術的研究與探討

[摘要]隨著電氣電子技術的發(fā)展，家用電器產(chǎn)品日益普及和電子化，廣播電視、郵電通訊和計算機網(wǎng)絡的日益發(fā)達，電磁環(huán)境日益復雜和惡化，使得電氣電子產(chǎn)品的電磁兼容性問題也受到各國政府和生產(chǎn)企業(yè)的日益重視。監(jiān)護儀的電磁兼容性（EMC）是一項非常重要的質量指標，它不僅關系到產(chǎn)品本身的工作可靠性和使用安全性，而且還可能影響到其他設備和系統(tǒng)的正常工作，關系到電磁環(huán)境的保護問題，所以我們必須認真對待監(jiān)護儀的電磁兼容性問題。

[關鍵詞]電磁兼容 濾波 屏蔽 接地 布線

中圖分類號：TM5 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720098－02

一、電磁兼容的含義

EMC包括EMI（電磁干擾）及EMS（電磁耐受性）兩部分，所謂EMI電磁干擾，乃為機器本身在執(zhí)行應有功能的過程中所產(chǎn)生不利于其它系統(tǒng)的電磁噪聲；而EMS乃指機器在執(zhí)行應有功能過程中不受周圍電磁環(huán)境影響的能力。電磁兼容（EMC）一般指電氣及電子設備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設備都能正常工作又互不干擾，達到“兼容”狀態(tài)。換句話說，電磁兼容是指電子線路、設備、系統(tǒng)相互不影響，從電磁角度具有相容性的狀態(tài)，相容性包括設備內電路模塊之間的相容性、設備之間的相容性和系統(tǒng)之間的相容性。

二、從濾波方面解決電磁兼容性控制關鍵技術

濾波是將信號頻譜劃分為有用頻率分量和騷擾頻率分量，剔除和抑制騷擾頻率分量，切斷騷擾頻率信號沿信號線或電源線傳播的路徑。借助濾波器可明顯地減少傳導干擾電平，因此恰當?shù)卦O計、選擇和正確地使用濾波器對抑制干擾是非常重要的。

為了抑制干擾，我公司嘗試了各種電源濾波器，最后采用了型號為6EHG1-2的濾波器，電路圖如下：

該網(wǎng)絡中2個電感器，L1和L2，3個電容器，CY1、CY2和CX。當把這個濾波器插入到被騷擾設備（負載）的供電電源入口處時，即把濾波器的（LINE）端接電源的進線，濾波器的（LOAD）端接被騷擾設備。這樣，L1、CY1、L2和CY2，分別構成L-E和N-E兩對獨立端口間的低通濾波器，用來抑制電源系統(tǒng)內存在的共摸騷擾信號，CY1、CY2也被稱為共摸電容。其中，L1和L2是繞在同一磁環(huán)上的兩只獨立線圈，稱為共模扼流圈。它們所繞圈數(shù)相同，線圈繞向相反，致使濾波器接入電路后，兩只線圈內電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內相互抵消，不會使磁環(huán)達到磁飽和狀態(tài)，從而使兩只線圈，L1和L2的電感量值保持不變。但是，由于種種原因，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對均勻，兩只線圈的繞制也不可能完全對稱等，使得LI和L2的電感量不相等。于是L1和L2之差（L1-L2）稱為差模電感。它和CX又組成L-N獨立端口間的一只低通濾波器，用來抑制電源上存在的差模騷擾信號（CX也被稱為差模電容），從而實現(xiàn)對電源系統(tǒng)騷擾信號的抑制，保護電源系統(tǒng)內的設備不受影響。

為了減少DC/DC變換器通過輸入、輸出端傳導EMI，除了在輸入、輸出端采取LC濾波外，還在電源的輸入地到金屬外殼之間、輸出地到金屬外殼之間增加高頻濾波電容，以減少共模干擾的產(chǎn)生。但此處要注意電容耐壓要大于500V，以滿足產(chǎn)品隔離電壓的要求。

上圖中，L1、C1組成的輸入濾波電路和L2、C2組成的輸出濾波電路能減少紋波電流的大小，從而減少通過輻射傳播的電磁干擾。濾波電容C1、C2采用多個電容并聯(lián)，以減少等效串聯(lián)電阻，從而減小紋波電壓。C3、C4、C5、C6用于濾除共模干擾，其值不宜取大，以避免有較大的漏電流。此外，我們還在電源的出口和PCB電源線的入口設置鐵養(yǎng)體抑制元件，既可抑制電源與PCB之間的高頻干擾的傳輸，也可抑制PCB之間高頻噪音（騷擾）的相互干擾。

三、從屏蔽方面解決電磁兼容性控制關鍵技術

屏蔽就是以某種材料制成的屏蔽殼體將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來，形成電磁隔離，即其內的電磁場不能超出這一區(qū)域，而外來的輻射電磁場不能進入這一區(qū)域（或者進出該區(qū)域的電磁能量將受到很大的衰減）。屏蔽不僅對輻射干擾有良好的抑制效果，而且對靜電干擾和干擾的電容性耦合、電感性耦合均有明顯的抑制作用，因此屏蔽是抑制電磁干擾的重要技術。

低頻磁場的屏蔽常用高磁導率的鐵磁材料，其屏蔽原理是利用鐵磁材料的高磁導率對干擾磁場進行分路。由于磁力線是連續(xù)的閉合曲線，我們可把磁通管所構成的閉合回路稱為磁路。根據(jù)磁路理論有：Um=RmФM

（1），式中Um為磁路兩點間的磁位差（A），Фm為通過磁路的磁通量（Wb），

Фm=∫sBds（2），Rm為磁路中兩點a、b間的磁阻：Rm=∫abHdl/∫sBds（3），

若磁路橫截面S是均勻的，且磁場也是均勻的，則（3）式可化簡為：Rm=Hl/BS=l/μS（4），式中μ為材料的導磁率（H/m），S為磁路的橫截面積（m2），l為磁路的長度（m）。由（1）式可見，當兩點間磁位差Um一定時，磁阻Rm越小，磁通Фm越大；由式（4）可見，Rm與μ是成反比的，導磁率μ越大則磁阻Rm越小，此時磁通主要沿著磁阻小的途徑形成回路。由于鐵磁材料的磁導率μ比空氣的磁導率μ0大得多，所以鐵磁材料的磁阻很小。將鐵磁材料置于磁場中時，磁通將主要通過鐵磁材料，而通過空氣的磁通將大為減少，從而起到磁場屏蔽作用。

如下圖所示的屏蔽線圈用鐵磁材料作屏蔽罩，由于其導磁率很大，其磁阻比空氣小得多，因此如圖（a）所示，線圈產(chǎn)生的磁通主要沿屏蔽罩通過，即被限制在屏蔽體內，從而使線圈周圍的元件、電路和設備不受線圈磁場的影響或騷擾。同樣，如圖（b）所示，外界磁通也將通過屏蔽體而很少進入屏蔽罩內，從而使外部磁場不致騷擾屏蔽罩內的線圈。

我公司的監(jiān)護儀主要在物理板和主板上加一鐵磁材料制成的屏蔽盒，從而起到內外互不干擾的目的。

四、從搭接和接地技術方面解決電磁兼容性控制關鍵技術

搭接是指導體間的低阻抗連接，只有良好的搭接才能使電路完成其設計功能，使干擾的各種抑制措施得以發(fā)揮作用，而不良搭接將向電路引入各種電磁干擾。因此在電磁兼容設計中，必須考慮搭接技術，以保證搭接的有效性、穩(wěn)定性和長久性。電纜連接器與設備殼體的搭接能使電纜屏蔽獲得最佳效果。如果沒有搭接措施，或者搭接不良，連接器屏蔽效能將大為降低，不利于全部電纜的屏蔽完善性，不利于維持電纜的低損耗傳輸性。在一些永久性搭接處，為了保護搭接體，我們在接縫表面進行附加涂覆（涂油漆或電鍍）。

接地技術是電磁兼容技術中的一項重要技術，也是任何電子、電氣設備或系統(tǒng)正常工作時必須采取的重要技術。它不僅是保護設施和人身安全的必要手段，也是抑制電磁干擾，保障設備或系統(tǒng)電磁兼容性，提高設備或系統(tǒng)可靠性的重要技術措施。

接地是電子設備工作所必需的技術措施。接地有安全接地和信號接地，同時接地也引入接地阻抗及地回路干擾，事實證明接地設計對各種干擾的影響是很大的。因此，在電磁兼容領域中，接地技術至關重要，其中包括接地點的選擇，電路組合接地的設計和抑制接地干擾措施的合理應用等。

我們在設計時將電源地與數(shù)字信號地用光電耦合器隔開，光電耦合器的原理圖如下圖所示。

發(fā)光二極管發(fā)光的強弱隨電路1輸出信號電流的變化而變化。強弱變化的光使光電晶體管產(chǎn)生相應變化的電流，作為電路2的輸入信號。光電耦合器完全切斷了兩個電路的地回路。這樣，兩個電路的地電位即使不同，也不會造成干擾。

在實際設計時我們將模擬信號地和數(shù)字信號地分別設置，直流電源地和交流電源地分別設置。放大器與信號源的接地點采用一點接地這樣就剔除了電壓的干擾。

五、從線路板設計方面解決電磁兼容性控制關鍵技術

為了得到更好的EMC特性，去耦電容盡可能地靠近每個集成塊，因為布線阻抗將減少去耦電容的效力。我們通常將兩個去耦電容并聯(lián)，這樣不僅能提供更寬的頻譜范圍，而且能提供更寬的布線以減少引線自感，因此也就能更有效的改善去耦能力，兩個電容的取值應相差兩個數(shù)量級以提供更有效的去耦（如0.1uF+0.001uF并聯(lián)）。在器件選擇方面我們首選表面貼器件，因為表面帖器件有更小的安裝面積和更低的安裝位置，因此有更好的EMC特性。

布線是印刷電路板電磁兼容設計的關鍵技術。合理的導線寬度，采取正確的布線策略，如加粗地線、將地線閉合成環(huán)路、減少導線不連續(xù)性、采用多層PCB等。在物理板和主控板的PCB設計時我們采用4層布線，第1層為信號層，第2層為接地平面層，第3層為電源平面層，第4層為信號層，我們將電源平面靠近接地平面，并且安排在接地平面之下，這樣可以利用兩金屬平板間的電容作電源的平滑電容，同時接地平面還對電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。加粗地線和電源線，導線采用45°角的路徑，并且大面積鋪地，將相同的電源大面積連在一起。在PCB布線時我們是首先確定元器件在板上的位置，然后布置地線、電源線，再安排高速信號線，最后考慮低速信號線。元件的位置按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進行分組，以免互相干擾。電源線盡可能靠近地線以減少差模輻射的環(huán)面積，也有助于減少電路的交擾。

六、結束語

本文在監(jiān)護儀的傳輸通道抑制上從五個方面討論了監(jiān)護儀的EMC技術，由于從電路設計一開始我們就充分考慮了電磁兼容性控制關鍵技術，從而大大縮短了監(jiān)護儀的設計時間，節(jié)約了監(jiān)護儀的生產(chǎn)成本，今后我們設計電子產(chǎn)品要全方位考慮，其中電磁兼容性是我們首先要考慮的問題。

參考文獻：

[1]Mark I.Montrose著，劉元安等譯，電磁兼容和印刷電路板，人民郵電出版社.

[2]華成英、童詩白主編，模擬電子技術基礎，高等教育出版社.

[3]周志敏、紀愛華，編著電磁兼容技術，電子工業(yè)出版社.

作者簡介：

彭衛(wèi)民（1974-），男，漢族，湖南省雙峰縣人，1999年哈爾濱理工大學本科畢業(yè)，2008年哈爾濱工業(yè)大學電子與通信專業(yè)在職研究生，現(xiàn)就職于深圳市杰納瑞醫(yī)療儀器有限公司。