家用電器印制電路板輻射騷擾抑制問題的研究

張衛(wèi)

摘? 要：隨著人們生活水平的不斷提升，對家用電器的功能需求也變得更加復(fù)雜，而相關(guān)電子科技和高集成度的技術(shù)也被充分應(yīng)用到了家用電器當(dāng)中，從而全面提升了家用電器設(shè)備的穩(wěn)定性、安全性和兼容性。但同時隨著人們對家用電器要求的不斷升高，也產(chǎn)生了相關(guān)問題，進(jìn)而對家用電器系統(tǒng)的硬件帶來了一定的挑戰(zhàn)，內(nèi)嵌式家用電器中高速電路的電磁兼容性設(shè)計，成為了系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中的重要內(nèi)容。文章主要針對電子家用電器印刷電路板輻射騷擾抑制問題進(jìn)行研究，探討了其電磁干擾和途徑以及空間輻射EMI的原理以及具體的生成模式，并分析了PCB的EMI干擾，提出具體的抑制措施，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員起到一些參考作用。

關(guān)鍵詞：家用電器;印制電路板;輻射騷擾抑制問題

中圖分類號：TN41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0051-02

Abstract： With the continuous improvement of people's living standards， the functional requirements of household appliances have become more complex， and relevant electronic technologies and highly integrated technologies have also been fully applied to household appliances， thus comprehensively improving the stability， safety and compatibility of household appliances. But at the same time， with the increasing requirements for household appliances， there are related problems， which bring some challenges to the hardware of household electrical appliances system. The electromagnetic compatibility design of high-speed circuits in embedded household appliances has become an important part of the system design. This paper mainly studies the suppression of radiated disturbance of printed circuit boards of electronic household appliances， discusses its electromagnetic interference and ways， as well as the principle and specific generation mode of space radiation EMI， analyzes the EMI interference of PCB， and puts forward specific suppression measures， so as to provide some reference for relevant staff.

Keywords： household appliances; printed circuit board; radiation disturbance suppression

引言

為了有效防止電子設(shè)備之間的相互干擾，國外一些國家和地區(qū)均已強(qiáng)制實(shí)施了產(chǎn)品電磁兼容性的進(jìn)口標(biāo)準(zhǔn)，例如歐盟在1989年便強(qiáng)制執(zhí)行了相關(guān)指令，規(guī)定電器和電子產(chǎn)品需要符合其標(biāo)準(zhǔn)才能夠在歐盟市場進(jìn)行銷售，而違反者將會被責(zé)令收回，并進(jìn)行著重處罰。而美國聯(lián)邦通訊委員會也頒布了相關(guān)法規(guī)，針對該方面的管理，對通訊發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、電視機(jī)等作出了相應(yīng)的法規(guī)要求，如果想在美國出口相關(guān)設(shè)備則必須要獲得某種形式的認(rèn)可，否則將會觸犯美國的法律。我國雖然相關(guān)主管部門并未形成完整的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管體系，但對于一些具有重大關(guān)系的電子產(chǎn)品也都強(qiáng)制執(zhí)行了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以家用電器為例，我國也強(qiáng)制出臺了相關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，并將此類產(chǎn)品的電池兼容性問題進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)，使相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)者和使用者能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生正確的認(rèn)識[1]。

1 研究背景與意義

我國對于電磁兼容理論和相關(guān)技術(shù)的研究和其他國家比起來相對比較晚，是一直到上世紀(jì)80年代才針對電子設(shè)備的EMS問題出臺了相關(guān)強(qiáng)制性的法規(guī)和條款，而且宣布一些在國內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)和銷售的電子設(shè)備必須要獲得相關(guān)認(rèn)證之后才能夠被允許銷售。而我國在加入WTO后，對各個行業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品所具有的電磁兼容性也提出了更高的要求，同時也力求和國際進(jìn)行接軌，更新了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前所使用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)系列與當(dāng)時在等級和實(shí)驗(yàn)等方法上都有了更新。而目前家用電器的相關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)雖然也采用了CLSPR的標(biāo)準(zhǔn)，但其早期版本從發(fā)布到執(zhí)行在內(nèi)，并沒有對家用電器形成規(guī)范化的管理制度，相關(guān)企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計時往往更加強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的功能和是否能夠滿足市場的需求，這也導(dǎo)致當(dāng)產(chǎn)品無法通過標(biāo)準(zhǔn)測試時，需要進(jìn)行重新設(shè)計，進(jìn)而增加了成本費(fèi)用。而如果在產(chǎn)品設(shè)計的一開始就結(jié)合電磁兼容理念對設(shè)備的電磁兼容性程度進(jìn)行相應(yīng)的分析和預(yù)測，從而找出干擾的部分采取有效的對策來實(shí)現(xiàn)電磁兼容，則可以有效解決這些問題。因此研究電磁兼容性的原理，對于避免產(chǎn)品受到干擾，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量具有十分重要的意義[2]。

2 研究內(nèi)容

電磁兼容型設(shè)計主要是為了提高電子設(shè)備本身所具有的抗干擾能力，以此來有效地減少設(shè)備本身的電磁輻射，確保產(chǎn)品工作時所具有的穩(wěn)定性，提升設(shè)備的電磁兼容穩(wěn)定性。本文當(dāng)中主要針對電磁兼容中的輻射EMI的產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法進(jìn)行研究，主要從電磁干擾產(chǎn)生的三要素進(jìn)行入手，分析了輻射干擾耦合途徑。在相關(guān)干擾途徑的傳播下，對造成干擾的不同耦合方式也進(jìn)行了相應(yīng)的預(yù)測分析，并針對輻射干擾的具體產(chǎn)生原因，提出了相應(yīng)的解決辦法。同時也對PCB上的輻射干擾進(jìn)行了相應(yīng)的理論預(yù)測分析，了解了電磁兼容機(jī)理，并找出抑制電磁干擾的解決方法[3]。

3 電磁干擾及途徑

電磁干擾在形成時需要具備三個因素，分別是電磁干擾源、敏感設(shè)備和耦合通道。首先，電磁干擾源是指產(chǎn)生電磁干擾的原件器件和相關(guān)設(shè)備等。而敏感設(shè)備則主要是指對電磁干擾產(chǎn)生響應(yīng)的一些設(shè)備，耦合通道是指能夠?qū)⒛芰繌母蓴_源耦合到敏感設(shè)備上的一種通道，主要是指設(shè)備產(chǎn)生響應(yīng)的通路或者相關(guān)的媒介。電磁干擾屬于一種普遍的電磁現(xiàn)象，它會使設(shè)備裝置的性能降低[4]。

4 空間輻射EMI的原理及生成模式

輻射耦合主要是指通過空間傳播的方式來進(jìn)入設(shè)備的電磁干擾，而根據(jù)相關(guān)電磁理論，我們可以知道任何加速的充電過程都會產(chǎn)生相應(yīng)的輻射，所以在快速充放電的過程當(dāng)中，也會無法避免地產(chǎn)生相應(yīng)的輻射。而電磁輻射源所產(chǎn)生的交變電磁場根據(jù)其性質(zhì)可以分為具體的兩部分，第一部分是電子場能量在輻射源的周圍空間進(jìn)行周期性的流動，其不向外進(jìn)行發(fā)射，因此被稱之為感應(yīng)場。而另一部分則主要是指電磁場能量脫離了相關(guān)的輻射體，其以電磁波的形式來向外進(jìn)行發(fā)射，被稱之為輻射場。通常情況下，電磁輻射場會根據(jù)感應(yīng)場和輻射場的不同，而具體分為遠(yuǎn)區(qū)場和近區(qū)場。

5 PCB的EMC干擾及抑制措施

5.1 EMC干擾

EMC可以用一種數(shù)學(xué)概念來進(jìn)行解釋，而相關(guān)的方程和公式十分復(fù)雜，因此即使采用數(shù)學(xué)分析，過程也是非常復(fù)雜的。而在實(shí)際生活當(dāng)中有很多情況都可以引起EMC，這主要是由于EMC，經(jīng)常是無原件按照正常規(guī)則工作的意外所產(chǎn)生的結(jié)果我們能夠發(fā)現(xiàn)PCB內(nèi)引起EMS，主要是由于高頻周期信號的存在導(dǎo)致瞬時電流產(chǎn)生，電流流過公共返回阻抗路徑時，產(chǎn)生了RF電壓降，接地回路或者接地參考不完善，進(jìn)而導(dǎo)致差模電流不平衡，從而產(chǎn)生了共模電流。

5.2 抑制措施

干擾信號從干擾源傳遞到設(shè)備的途徑具體包括兩種，首先是靠電源線或者信號線來進(jìn)行傳導(dǎo)耦合，而另外一種則是靠電磁波的空間輻射。而電壓電流的變化在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中往往具有兩種形態(tài)，分別是共模和差模。首先減小導(dǎo)線電流環(huán)路的面積，由于電路環(huán)流是電路正常工作時所必須要具備的，而為了限制差模輻射發(fā)射，所以在設(shè)計時我們需要控制環(huán)路的尺寸和面積，可以選擇一些較小尺寸的芯片來進(jìn)行封裝，不使用安裝座。其次，減小天線上的電流大小，如果接地合理，而且電源上有去耦和良好的布局，那么其差模輻射發(fā)射并非主要問題，其來源應(yīng)該是背板和互聯(lián)電纜，因此應(yīng)該使用一些低功耗的芯片，利用緩沖器來有效地減少電流。此外還可以減小共模電壓，通過使用接地網(wǎng)格或者接地平面減小接地系統(tǒng)上的電壓，這些都是減少供模電壓的有效途徑[5]。

6 解決措施

6.1 設(shè)計電流環(huán)路

進(jìn)行PCB布局過程中，應(yīng)該考慮到電流環(huán)路作業(yè)方式，控制差膜輻射問題，調(diào)整環(huán)路面積，減小導(dǎo)線電路環(huán)路面積，并封裝芯片，選擇小型芯片后，還應(yīng)該拉近地-電源平面與信號層間的距離，不用安裝座裝載芯片，并在信號線兩側(cè)安放橋接電容，這樣能夠盡量減少信號穿越地-電源平面的次數(shù)，在應(yīng)用過程中，如果出現(xiàn)信號必須穿越地-電源平面的情況，還能利用低阻抗橋接電容安置于跨越線槽兩端的方式，防止信號回流過程中增大環(huán)路面積。除此之外，應(yīng)該明確PCB布局期間，連接器作為信號傳輸?shù)闹匾骷?，需要關(guān)鍵其設(shè)計工作，明確EMI環(huán)節(jié)設(shè)計要點(diǎn)，應(yīng)該在連接器的端子設(shè)計中增設(shè)多個地針，防止信號回流通過電容槽，增大導(dǎo)線電流環(huán)路面積。

6.2 減小天線電流

PCB布局過程中，需要明確差模輻射，同時還應(yīng)該確保各導(dǎo)線鋪設(shè)位置合理，保證電源有去耦、接地合理的前提下，便可以將PCB差模輻射對線路造成的影響限制在可控范圍內(nèi)，消除差模輻射需要關(guān)注互聯(lián)電纜與背板，兩者相比較，背板產(chǎn)生的輻射成為影響差模輻射的主要源頭，進(jìn)行多組控制變量實(shí)驗(yàn)后，明確導(dǎo)線電流大小與差模輻射間的內(nèi)在聯(lián)系，需要盡量減小導(dǎo)線電流，采用低功耗芯片或是利用緩沖器，都能起到一定的限流功效。

6.3 電纜的去耦

分流共模電流使用去耦電容的方式具有可操作性，但是工作效果受到驅(qū)動電路共模源阻抗的影響，減小共模電流還可以采用串聯(lián)電纜與電感或是電阻的辦法。PCB布局布局期間，為了能夠使電纜輻射的影響降到最低，還可以通過屏蔽電纜的方式，并選擇沒有受到電路噪聲干擾的區(qū)域進(jìn)行電纜的去耦工作。在布局過程中，應(yīng)該將差模輻射造成的影響控制在合理范圍內(nèi)，但是由于差模輻射很難控制，為此必須明確差模輻射內(nèi)在聯(lián)系，采用控制變量法，在相等輻射場場強(qiáng)下，計算差模電流與共模電流比值，通過以下公式：

其中，環(huán)路面積A=0.01m2、電纜長度l=1m、頻率f=50MHz時，從結(jié)果發(fā)現(xiàn)共模電流與差模電流相差巨大，至少比差模電流小三個等級。由于這種關(guān)系導(dǎo)致差模輻射在交高的頻率范圍內(nèi)影響巨大，而共模輻射只能出現(xiàn)在低頻區(qū)域中。

7 結(jié)束語

綜上所述，本文針對電磁兼容性的基本原理進(jìn)行了討論，介紹了輻射型EMI的產(chǎn)生原理和具體模式，從多層面結(jié)合家用電器的電磁兼容檢測標(biāo)準(zhǔn)，對PCB的EMI干擾產(chǎn)生原因進(jìn)行了充分分析，并提出具體的抑制對策，對共模輻射和差模輻射也做出了相關(guān)的分類研究，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員起到一些參考，有效的解決電子設(shè)備的干擾問題。

參考文獻(xiàn)：

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