電磁兼容技術(shù)及其在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

梁偉中

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院國(guó)有資產(chǎn)管理處，廣東 深圳 518172）

電磁兼容技術(shù)及其在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

梁偉中

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院國(guó)有資產(chǎn)管理處，廣東 深圳 518172）

電子設(shè)備與系統(tǒng)良好的電磁兼容性是通過(guò)科學(xué)合理的電磁兼容設(shè)計(jì)與制造獲得，并通過(guò)及時(shí)有效的電磁兼容維護(hù)得以保持。本文以一個(gè)應(yīng)用實(shí)例為基礎(chǔ)，研究電磁兼容技術(shù)和方法，探討系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，提高整個(gè)電源系統(tǒng)的抗干擾能力。

電磁兼容性；設(shè)計(jì)；維護(hù)；電源系統(tǒng)

引言

電子技術(shù)的高速發(fā)展和電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今時(shí)代的一個(gè)重要特征。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，電子線路和設(shè)備數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)，電磁環(huán)境呈現(xiàn)不斷惡化的態(tài)勢(shì)，帶來(lái)許多不可靠因素。在電子設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電磁兼容設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵項(xiàng)目。

1 電磁兼容簡(jiǎn)介

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4765-1995《電磁兼容術(shù)語(yǔ)》對(duì)“電磁兼容”的定義是“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力”。它包含兩個(gè)方面含義，即設(shè)備或系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的電磁輻射要限制在一定水平內(nèi)，不產(chǎn)生超過(guò)規(guī)定限度的電磁干擾Electromagnetic Interference（EMI），另外一方面體現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)的電磁敏感Electromagnetic Sensibility（EMS）特性，即不受其他設(shè)備的電磁干擾。上述可以簡(jiǎn)單理解為設(shè)備或系統(tǒng)不會(huì)相互干擾影響各自正常工作，在一個(gè)相對(duì)苛刻甚至相互矛盾的環(huán)境下，找到一個(gè)能同時(shí)完成各自功能且共存的狀態(tài)[1]。

實(shí)施設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)和維護(hù)，具有內(nèi)在和外在的必要性。系統(tǒng)和產(chǎn)品的電磁兼容性必須在其設(shè)計(jì)階段就予以重視，作為一項(xiàng)衡量電子產(chǎn)品安全和技術(shù)重要指標(biāo)來(lái)考慮，并且從研發(fā)階段開始，始終貫徹在其研發(fā)、測(cè)試、使用和維護(hù)的整個(gè)生命周期過(guò)程中。設(shè)備和系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境很難做到與當(dāng)初的假定設(shè)想的完全一致，因此需在使用階段對(duì)其進(jìn)行電磁兼容管理維護(hù)，以解決由于當(dāng)時(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)所引起的電磁不兼容問(wèn)題[2]。由此可見(jiàn)產(chǎn)品的電磁兼容性除保證產(chǎn)品本身的可靠性和提高其生存能力，還對(duì)保護(hù)環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要作用。

電磁兼容問(wèn)題主要由以下三個(gè)因素引起的：（1）干擾源：產(chǎn)生干擾的元器件、設(shè)備或系統(tǒng)；（2）耦合路徑：能夠把干擾能量從干擾源耦合到敏感設(shè)備內(nèi)的通路；（3）敏感設(shè)備：對(duì)電磁干擾產(chǎn)生影響的電路或設(shè)備[3]。

控制干擾源的電磁干擾、抑制電磁干擾傳播路徑以及增強(qiáng)敏感設(shè)備的抗干擾能力，電磁兼容技術(shù)就是圍繞著上述三個(gè)要素展開的，消除其中一個(gè)因素就能解決電磁兼容問(wèn)題，如下圖1所示。由此可見(jiàn)，電磁兼容的本質(zhì)就是抗干擾問(wèn)題。

圖1 電源電磁干擾的傳輸路徑Fig.1 Way of EMI transmission

2 電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)

電磁兼容性設(shè)計(jì)的基本方法——“電磁兼容分層與綜合設(shè)計(jì)法”，在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)把整體電磁兼容性指標(biāo)逐級(jí)分配到各功能塊上，包括元件級(jí)、部件級(jí)、電路級(jí)、模塊級(jí)和集成系統(tǒng)級(jí)等，然后，再按照要實(shí)現(xiàn)的功能和電磁兼容性指標(biāo)加以綜合分析，進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾姶偶嫒菪栽O(shè)計(jì)。

常用的電磁兼容性設(shè)計(jì)主要有接地設(shè)計(jì)，屏蔽設(shè)計(jì)和濾波設(shè)計(jì)[4]。下面簡(jiǎn)要介紹一些電磁兼容設(shè)計(jì)的方法及注意事項(xiàng)。

2.1 接地設(shè)計(jì)技術(shù)

接地設(shè)計(jì)首要目的是保證人員安全，通過(guò)給設(shè)備或系統(tǒng)提供一個(gè)參考零電點(diǎn)或面的基準(zhǔn)，為電流流回源提供一條低阻抗路徑，從而使設(shè)備或系統(tǒng)工作達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，起到抑制電磁干擾的效果。

接地分為信號(hào)接地和設(shè)備接地兩大類。信號(hào)接地是信號(hào)電路的電線或有信號(hào)電流流通的地線，它有四種方式，即單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地、懸浮接地[3]；設(shè)備接地是保證用電安全，為雷擊電流或靜電電流提供泄放路徑，從而提高設(shè)備抗干擾性，設(shè)備接地可以分為設(shè)備安全接地、防雷接地和接零保護(hù)接地。

2.2 屏蔽設(shè)計(jì)技術(shù)

屏蔽技術(shù)是利用屏蔽體對(duì)電磁能流的發(fā)射、吸收和引導(dǎo)作用，“切斷”高頻電磁場(chǎng)干擾源至器件或設(shè)備的傳輸路徑，減少回路間的電磁場(chǎng)感應(yīng)的影響和干擾源和敏感器之間的分布電容，從而達(dá)到消除或減弱干擾源對(duì)其它器件或設(shè)備不良影響的效果，抑制電磁輻射干擾，它有三種方式，即電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽[3]。

2.3 濾波設(shè)計(jì)技術(shù)

濾波器用途在于對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇和抑制，利用感性和容性器件的頻率響應(yīng)原理，將噪聲干擾衰減到一定水平，使工作頻率信號(hào)通過(guò)，同時(shí)能衰減進(jìn)入和出自設(shè)備的電磁干擾信號(hào)。按頻率特性，濾波器可以分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。

電磁騷擾濾波器（EMI電源濾波器）是抑制電磁傳導(dǎo)干擾極有效的器件，它包括信號(hào)濾波器和電源線濾波器，對(duì)電源線上共模不對(duì)稱EMI騷擾和差模對(duì)稱EMI騷擾都有抑制作用。

3 電磁兼容性電源應(yīng)用實(shí)例

提高電源線上的抗干擾能力是整體提高電子設(shè)備或系統(tǒng)抗擾度的一個(gè)重要方法，這是因?yàn)殡娮釉O(shè)備對(duì)電源線的干擾和電壓波動(dòng)十分敏感，下面以某家用型臭氧治療儀中電源電路設(shè)計(jì)為實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹電磁兼容性中濾波、屏蔽和接地技術(shù)在電源電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

該治療儀系統(tǒng)主要有單片機(jī)控制單元模塊、電源電路模塊、臭氧發(fā)生器模塊、氣源流量控制管路和鍵盤輸入模塊等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 家用臭氧治療儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structune of Ozone Medical Apparatus

臭氧發(fā)生器模塊是通過(guò)電源電壓升至高壓后接臭氧發(fā)生管，再經(jīng)過(guò)電暈放電，從而產(chǎn)生臭氧。因此，設(shè)備自身的高壓干擾會(huì)傳導(dǎo)耦合到整個(gè)系統(tǒng)電源，干擾單片機(jī)控制模塊，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作；由于該產(chǎn)品定位為家用型，外觀設(shè)計(jì)小巧方便，治療儀內(nèi)部空間狹小、布線難度大，因此對(duì)整體的電磁兼容性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為此，本文在此設(shè)計(jì)出一種采用濾波、屏蔽和接地技術(shù)的電源設(shè)計(jì)電路，如下圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電源電路圖Fig.3 Schematic circuit diagram of system power

在現(xiàn)今電器網(wǎng)絡(luò)中，各類設(shè)備的開關(guān)操作或者雷擊放電產(chǎn)生的電涌電壓都會(huì)對(duì)電氣電子設(shè)備產(chǎn)生沖擊。因此，在交流電源進(jìn)線處，我們首先設(shè)置一個(gè)帶防浪涌的EMI電源濾波器，利用三個(gè)壓敏電阻把浪涌電壓波鉗位在壓敏電阻附近，從而把浪涌電壓旁路掉。電感（L1，L2）和電容（C1,C2,C3）等器件組成低通濾波器電路，用來(lái)抑制電源線上不對(duì)稱共模EMI騷擾，同時(shí)，L1和L2組成的共模電感，能對(duì)共模電流起到抑制作用。因此上述的設(shè)計(jì)電路能有效地利用壓敏電阻、電源濾波器抑制浪涌電壓沖擊和高頻率電磁波的干擾，達(dá)到電磁兼容的目的。

在本系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)中，為了更好地解決電路環(huán)流在公共阻抗上產(chǎn)生的電壓變化對(duì)敏感設(shè)備帶來(lái)的干擾，系統(tǒng)采用了隔離變壓器用以解決設(shè)備間的電氣隔離問(wèn)題，其原理如下圖4所示。隔離表壓器把電網(wǎng)設(shè)備與用電設(shè)備相隔離，以達(dá)到穩(wěn)定電壓、隔離諧波以及保護(hù)人身安全的作用。

圖4 帶屏蔽體隔離變壓器原理圖Fig.4 The Schematic Diagram of Isolation Transformer

4 結(jié)論

電磁騷擾源的抑制技術(shù)與提高抗擾度的設(shè)計(jì)具有互易性，例如電源濾波器不僅是抑制電氣、電子設(shè)備或者系統(tǒng)自身的電磁騷擾源，同樣對(duì)電磁環(huán)境中的電磁騷擾提供阻抗的通路，從而提高了設(shè)備或系統(tǒng)的抗騷擾能力。

本電源電路設(shè)計(jì)結(jié)合利用了電源EMI濾波器的雙向特性和帶電屏蔽隔離變壓器的屏蔽隔離作用[5]，使交流電流經(jīng)過(guò)濾波、整流電路后的直流電源更加純正，這對(duì)后面直流電路中的單片機(jī)控制單元的運(yùn)行穩(wěn)定有很大作用，并且電源EMI濾波器還通過(guò)安全接地方法，將干擾旁路到電源地線上，使系統(tǒng)進(jìn)一步提高整體抗干擾能力和安全穩(wěn)定性。

[1]何惠森.基于AC-DC開關(guān)電源系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性研究[D].陜西：西安電子科技大學(xué)，2012.HE Huisen.Study of EMC and Stability for AC-DC Switch Power Supply System[D].Shan xi:XIDIAN University,2012(in chinese)

[2]李高升.電子信息系統(tǒng)電磁兼容維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2013 LI gaosheng.Investigation on Key T echniques of Electromagnetic Compatibility Maintenance for Electronic Information Systems[D].Changshan: Graduate School of National University of Defense Technolog,2013(in chinese)

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[5]謝勇.家電等產(chǎn)品EMC檢測(cè)認(rèn)證及整改對(duì)策的工程應(yīng)用[D].廣州: 華南理工大學(xué)大學(xué),2014 XIE yong.EMC Testing,Certification and Modification for Household Appliances Etc[D].Guangz hou:South China University of Technology.2014(in chinese)

【責(zé)任編輯：高潮】

Application of Electromagnetic Compatibility Technology in Power Supply

LIANG Weizhong
（Section of State-owned Assets Management Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China）

State of Electromagnetic Compatibility(EMC) of electronics equipments and systems is achieved via scientific and appropriate EMC design and fabrication,and is kept by timely and effective EMC maintenance.Based on an application example,this paper studies EMC technology and method,discusses the design and implementation of the system,and improves the anti-interference ability of the whole power supply system.

electromagnetic compatibility(EMC); design; maintenance; power system

TN03,TN86

A

1672-6332（2017）03-0032-03

2017-10-19

梁偉中（1982-），男（漢），廣東肇慶人，講師，碩士，主要研究方向：電子技術(shù)。E-mail:23066464@qq.com