電子電路電磁抗干擾能力（EMS）的研究

吳秋杰

（市光法雷奧（佛山）汽車照明系統(tǒng)有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

電路設計中，技術上通常需要解決三大問題：電子元器件散熱問題、可靠性問題以及印刷電路板的布線空間問題。電磁兼容問題是電路可靠性問題的一個重要組成部分。電磁兼容又分為電磁干擾（EMI）和電磁耐受（EMS）。電磁耐受是考查電子電路在受到不同干擾情況下的可靠性情況。提高電子產(chǎn)品的電磁耐受能力，通常有兩種途徑：一是減少電子產(chǎn)品接收到的電磁干擾；二是提高產(chǎn)品控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下面將從這兩個方面展開討論。

1 電磁干擾的產(chǎn)生

首先介紹邁克爾-法拉第電磁感應定律[1]。當變化的閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，閉合電路中就有電流產(chǎn)生，有：

其中ε為感應電動勢，ΦB為磁通量，B為磁感應強度，S為垂直通過磁通量的面積，Δi為感應電流元。在實際產(chǎn)品設計中，有些感應電流是有用的，如變壓器初、次級能量的轉遞，沒有這個感應電流就不可能實現(xiàn)變壓器初、次級能量的傳遞[3]；而有些感應電流則是有害的，如電子產(chǎn)品接收到的電磁干擾絕大多數(shù)是有害的，會對電路的穩(wěn)定性和可靠性構成嚴重威脅，導致產(chǎn)品出現(xiàn)工作異常。由圖1可知，當有變化磁場通過電路板上大大小小的閉合環(huán)路面積元時，這些大小不等的閉合環(huán)路將產(chǎn)生大小不等的感應電流元Δi，感應電流Δi就是電磁干擾。當干擾的磁場一定的情況下，感應電動勢與電路中閉合的回路面積成正比關系。閉合回路的面積越大，感應電動勢越大；反之，則越小。對于確定的回路，感應電流i越大，電路所受到的電磁干擾越大。因此，實際產(chǎn)品設計中，應該盡量減少線路環(huán)路的面積，盡可能減少產(chǎn)品環(huán)路上的感應電流，從而將電路受到的電磁干擾減到最少。

圖1 電磁干擾產(chǎn)生過程

2 環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)

要考察某產(chǎn)品能否經(jīng)得住各種電磁干擾的考驗，最主要是考查該產(chǎn)品電路中的環(huán)路是否可靠。也就是說，要考查電路中的控制環(huán)路的穩(wěn)定性。電路的環(huán)路穩(wěn)定性又將很大程度地決定電路的電磁抗干擾能力。因此，在驗證電路的電磁抗干擾能力時，一定要看控制環(huán)路是否穩(wěn)定。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，在復平面中[5]，若電路注入的干擾為r(t)，那么應有：

如圖2所示，當σ＞0時，因為量值r(t)會無限增長，所以環(huán)路將出現(xiàn)不穩(wěn)定。

如圖3所示，當σ=0時，因為量值r(t)雖不會無限增長，但也不會收斂到0，環(huán)路臨界穩(wěn)定。

如圖4所示，當σ＜0時，因為量值r(t)隨著t趨向無窮大減小為0，環(huán)路響應減小到0，因而環(huán)路是穩(wěn)定的。

圖2 不穩(wěn)定的系統(tǒng)圖示

圖3 臨界穩(wěn)定系統(tǒng)圖示

圖4 穩(wěn)定系統(tǒng)圖示

因此，要看一個環(huán)路是否穩(wěn)定，關鍵是看極點是落在復坐標的左邊還是右邊。如果極點位于復平面的左邊，環(huán)路是穩(wěn)定的；如果極點心位于右半平面環(huán)路，則是不穩(wěn)定的。

工程上，通常用相位和增益來量化和判斷環(huán)路的穩(wěn)定性[6]。同時定義：

（2）當增益Gv=0時，環(huán)路的相移余量Δφ要大于45°。

同時滿足上面條件時，則認為產(chǎn)品的控制環(huán)路是穩(wěn)定和可靠的。以上就是工程上判斷產(chǎn)品工作穩(wěn)定性的方法之一。

3 應用實例分析

圖5為某高位剎車燈三極管恒流電路[4]。由于布局限制，控制三極管Q1、Q2和Q3不能同時先靠得很近，導致其環(huán)路面積很大，容易受到電磁干擾而造成整個環(huán)路的不穩(wěn)定。

用示波器監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，輸出電流出現(xiàn)掉落情況，說明電路板受到電磁干擾，環(huán)路不穩(wěn)定，測試不能通過。為了減少環(huán)路面積，增加一個控制三極管Q4，使三極管Q2和Q3分開控制。如圖6所示，可通過使Q1和Q2分別與Q3與Q4靠近，從而減少環(huán)路1和環(huán)路2的控制面積，從源頭上減少耦合到電路板上的電磁干擾，增強環(huán)路的可靠性。

圖5 高位剎車燈電路及布線情況

圖6 調整后的電路

上面是環(huán)路大小允許改變的情況下提高電磁抗干擾能力的方法。在大多數(shù)設計中，由于客觀因素的制約，控制環(huán)路大小多是不能隨意改動的。如圖7所示，某遠光燈的BUCK方案。做RI測試時發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品在2.7～3G頻段出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，用光電探頭監(jiān)測可見該頻段有明顯的震蕩現(xiàn)象。由于干擾源是空間干擾，電磁干擾從任何環(huán)路進入產(chǎn)品都是有可能的。依據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么在施加干擾的情況下隨著時間的推移環(huán)路的響應必將減少為零。因此，在反饋回路上的芯片U1的CS腳及Q1同時直接施加一定的頻率干擾時。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，輸出電壓及反饋同時出現(xiàn)掉落現(xiàn)象，說明可能有高頻干擾通過環(huán)路進入控制芯片造成芯片的工作不穩(wěn)定。由于結構的關系，環(huán)路大小不能改變，只能通過其他方法去掉干擾。于是，嘗試在靠近芯片U1的CS腳處增加了一個大小為10 nF的高頻濾波電容，使電磁干擾在進入芯片前被清除。

圖7 產(chǎn)品的電磁干擾走向分析

在對產(chǎn)品進行改動后，產(chǎn)品震蕩不再出現(xiàn)，順利通過了測試，證實了電磁干擾在進入環(huán)路后其傳播路徑的正確性。

4 結 論

提高電子產(chǎn)品EMS的方法還有很多，如在敏感電路模塊加金屬屏蔽罩的方法[2]，也是一種非常有效解決EMS的方法之一。但是，通過“減少控制環(huán)路面積”和“增強控制環(huán)路的穩(wěn)定性”的方法是性價比最高的、較為廉價的兩種方法，為工程師在今后進行電子產(chǎn)品設計提供了明確的方向和方法指導，從而可將電磁干擾問題解決在設計早期，從源頭上減少EMS的問題發(fā)生率，提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品的設計成本投入，提高其經(jīng)濟效益。