产品的电磁兼容性设计（1）

只看该作者 · 2019-2-24 11:08

产品的电磁兼容性设计

1 概述

1.1 干扰的方式

电源线上的干扰有共模和差模两种方式，如图2.1所示。

“共模”干扰存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间。共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰。这是载流导体与大地之间的干扰。

“差模”干扰存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模干扰也称常模干扰、横模干扰或对称干扰。这是载流导体之间的干扰。

共模干扰提示了干扰是由辐射或串扰耦合到电路中来到的。而差模干扰则提示了干扰是源于同一条电源电路的。通常这两种干扰是同时存在的，由于线路阻抗的不平衡，两种干扰在传输中还会相互转化，所以情况十分复杂。干扰经长距离传输后，差模分量的衰减要比共模大，这是因为线间阻抗与线—地阻抗不同的缘故。出于同一原因，共模干扰在线路传输中还会向邻近空间辐射，而差模则不会，因此共模干扰比差模更容易造成电磁干扰。

不同的干扰方式要采取不同的干扰抑制方法才有效。判断干扰方式的简便方法是采用电流探头。探头先单独环绕每根导线，得出单根导线的感应值；然后再环绕两根导线（其中一根是地线）探测其感应情况。如感应值是增加的，则线路中干扰电流是共模的；反之则是差模的。

1.2 干扰的类型

电源干扰的类型有多种，包括电压跌落（如重载接通造成电网电压下跌）、失电（如雷击、变压器故障或其他原因造成的短时停电）、频率偏移（如发电机不稳定、区域性电网故障等）、电气噪声（如无线电信号、电厂或工业设备的飞弧、开关电源或大功率逆变设备等产生的电磁骚扰）、浪涌（如突然减轻负载、变压器抽头不当等）、谐波失真（如整流、变频调速和开关电源的工作）和瞬变（如雷击、大功率开关的切换、对电感性负载的切换）等等。

2 干扰的抑制技术

针对不同的干扰，应采取不同的抑制技术，由简单的线路清理，至单个元件的干扰抑制器、滤波器和变压器，再至比较复杂的稳压器和净化电源，以及价格昂贵而性能完善的不间断电源，下面分别作简要叙述。

2.1 专用线路

只要通过对供电线路的简单清理就可以取得一定的干扰抑制效果。如在三相供电线路中认定一相作为干扰敏感设备的供电电源；以另一相作为外部设备的供电电源；再以一相作为常用测试仪器或其他辅助设备的供电电源。这样的处理可避免设备间的一些相互干扰，也有利于三相平衡。

值得一提的是在现代电子设备系统中，由于配电线路中非线性负载的使用，造成线路中谐波电流的存在，而零序分量谐波在中线里不能相互抵消，反而是叠加，因此过于纤细的中线会造成线路阻抗的增加，干扰也将增加。同时过细的中线还会造成中线过热。

2.2 瞬变干扰抑制器

属瞬变干扰抑制器的有气体放电管、金属氧化物压敏电阻、硅瞬变吸收二极管和固体放电管等多种。其中金属氧化物压敏电阻和硅瞬变吸收二极管的工作有点象普通的稳压管，是箝位型的干扰吸收器件；而气体放电管和固体放电管是能量转移型干扰吸收器件（以气体放电管为例，当出现在放电管两端的电压超过放电管的着火电压时，管内的气体发生电离，在两电极间产生电弧。由于电弧的压降很低，使大部分瞬变能量得以转移，从而保护设备免遭瞬变电压破坏）。瞬变干扰抑制器与被保护设备并联使用。

（1）气体放电管

气体放电管也称避**，目前常用于程控交换机上。避**具有很强的浪涌吸收能力，很高的绝缘电阻和很小的寄生电容，对正常工作的设备不会带来任何有害影响。但它对浪涌的起弧响应，与对直流电压的起弧响应之间存在很大差异。例如90V气体放电管对直流的起弧电压就是90V，而对5kV/μs的浪涌起弧电压最大值可能达到1000V。这表明气体放电管对浪涌电压的响应速度较低。故它比较适合作为线路和设备的一次保护。此外，气体放电管的电压档次很少。

（2）金属氧化物压敏电阻

由于价廉，压敏电阻是目前广泛应用的瞬变干扰吸收器件。

描述压敏电阻性能的主要参数是压敏电阻的标称电压和通流容量即浪涌电流吸收能力。前者是使用者经常易弄混淆的一个参数。压敏电阻标称电压是指在恒流条件下（外径为7mm以下的压敏电阻取0.1mA；7mm以上的取1mA）出现在压敏电阻两端的电压降。由于压敏电阻有较大的动态电阻，在规定形状的冲击电流下（通常是8/20μs的标准冲击电流）出现在压敏电阻两端的电压（亦称是最大限制电压）大约是压敏电阻标称电压的1.8～2倍（此值也称残压比）。

这就要求使用者在选择压敏电阻时事先有所估计，对确有可能遇到较大冲击电流的场合，应选择使用外形尺寸较大的器件（压敏电阻的电流吸收能力正比于器件的通流面积，耐受电压正比于器件厚度，而吸收能量正比于器件体积）。

使用压敏电阻要注意它的固有电容。根据外形尺寸和标称电压的不同，电容量在数千至数百pF之间，这意味着压敏电阻不适宜在高频场合下使用，比较适合于在工频场合，如作为晶闸管和电源进线处作保护用。

特别要注意的是，压敏电阻对瞬变干扰吸收时的高速性能（达ns)级，故安装压敏电阻必须注意其引线的感抗作用，过长的引线会引入由于引线电感产生的感应电压（在示波器上，感应电压呈尖刺状）。引线越长，感应电压也越大。为取得满意的干扰抑制效果，应尽量缩短其引线。

关于压敏电阻的电压选择，要考虑被保护线路可能有的电压波动（一般取1.2～1.4倍）。如果是交流电路，还要注意电压有效值与峰值之间的关系。所以对220V线路，所选压敏电阻的标称电压应当是220×1.4×1.4≈430V。

此外，就压敏电阻的电流吸收能力来说，1kA（对8/20μs的电流波）用在晶闸管保护上，3kA用在电器设备的浪涌吸收上；5kA用在雷击及电子设备的过压吸收上；10kA用在雷击保护上。

压敏电阻的电压档次较多，适合作设备的一次或二次保护。

（3）硅瞬变电压吸收二极管（TVS管）

硅瞬变电压吸收二极管具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力，及极多的电压档次。可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压。

TVS管有单方向（单个二极管）和双方向（两个背对背连接的二极管）两种，它们的主要参数是击穿电压、漏电流和电容。

使用中TVS管的击穿电压要比被保护电路工作电压高10％左右，以防止因线路工作电压接近TVS击穿电压，使TVS漏电流影响电路正常工作；也避免因环境温度变化导致TVS管击穿电压落入线路正常工作电压的范围。

TVS管有多种封装形式，如轴向引线产品可用在电源馈线上；双列直插的和表面贴装的适合于在印刷板上作为逻辑电路、I/O总线及数据总线的保护。

TVS管在使用中应注意的事项：

①对瞬变电压的吸收功率（峰值）与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率（峰值），而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。

②对小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。

③对重复出现的瞬变电压的抑制，尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。

④作为半导体器件的TVS管，要注意环境温度升高时的降额使用问题。

⑤特别要注意TVS管的引线长短，以及它与被保护线路的相对距离。

⑥当没有合适电压的TVS管供采用时，允许用多个TVS管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。

⑦TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等效电容也较小，可满足高频使用的要求。

（4）固体放电管

固体放电管是一种较新的瞬变干扰吸收器件，具有响应速度较快（10～20ns级）、吸收电流较大、动作电压稳定和使用寿命长等特点。

固体放电管与气体放电管同属能量转移型。图2.2为其伏安特性。当外界干扰低于触发电压时，管子呈截止状。一旦干扰超出触发电压时，伏安特性发生转折，进入负阻区，此时电流极大，而导通电阻极小，使干扰能量得以转移。随着干扰减小，通过放电管电流的回落，当放电管的通过电流低于维持电流时，放电管就迅速走出低阻区，而回到高阻态，完成一次放电过程。

固体放电管的一个优点是它的短路失效模式（器件失效时，两电极间呈短路状），为不少应用场合所必须，已在国内外得到广泛应用。

固体放电管的电压档次较少，比较适合于作网络、通信设备，乃至部件一级的保护。

2.3 电源线滤波器

电源线滤波器安装在电源线与电子设备之间，用于抑制电能传输中寄生的电磁干扰，对提高设备的可靠性有重要作用。

（1）电源线滤波器的结构

常用的电源线滤波器是由无源集中参数（电感、电容和电阻）构成的单级线路，如图2.3所示。

图中电容CX位于相线与中线之间，用于衰减差模干扰，故俗称抗差模电容，其电压额定值与所用电源有关，对220V交流电源来说，常用250VAC的CBB电容。CX的典型值为几十至几百nF之间。匝数相同的L1和L2同绕在一个磁芯上，按图示同名端标注，当交流电流通过时，回路中的磁通相互抵消，不会引起磁芯饱和。但对共模电流则呈现大的感抗值，可取得大的滤波效果。鉴于图中电感的特殊作用，被称为共模电感。共模电感的电感量与通过电流的大小有关（电流小，线径细，故匝数可多些。反之亦反），典型值在几百nH至几mH之间。位于相线及中线的对地电容Cy，用来衰减共模干扰，故称为抗共模电容。考虑到电气设备要做电源输入端对外壳的工频耐压及工频泄漏电流试验，Cy的容量不宜太大，一般取1nF至4.7nF；而耐压选3～6kVDC。电阻R用来消除可能出现在滤波器上的静电积累，在滤波器制作时不是必须的。

（2）滤波器的测试

描述滤波器性能的主要参数是插入损耗。制造商按照CISPR17规定的方法进行测试。目前多用源阻抗为50Ω，负载阻抗也为50Ω的测试系统进行测试，所以滤波器手册上给的特性参数实际上是在特定条件下测得的。

（3）滤波器的安装

滤波器对电磁干扰的抑制作用不仅取决于它的设计和实际工作条件，而且还取决于滤波器的安装情况。

首先，滤波器外壳与设备的金属机壳要有可靠接触，接触电阻增大会使滤波效果变差。图2.4可说明这一点。其次，设备的金属外壳要接大地，这不仅出于人身安全的考虑，防止滤波器泄漏电流对人体造成危害，同时也是出于电磁兼容性的考虑，提高设备的抗干扰能力。

此外，滤波器的引线安装位置也很重要，必须让滤波器的输入和输出线路之间不存在耦合，否则会导致滤波器滤波性能下降。最好的办法是，电源线不直接进入设备机箱，而是经过滤波之后才进入（如使用带电源插座的滤波器），利用机壳的自然屏蔽，把电源线干扰排除在设备之外。

（4）滤波器的实际滤波效果

经常有人抱怨，说装置使用滤波器后，效果并不理想。究其原因，除了安装和使用上的不规范外，更重要的可能是滤波器与负载阻抗之间的严重失配（负载阻抗与干扰源阻抗都不是50Ω），导致滤波性能大大下降，使用者决不要掉以轻心。

（5）提高滤波器性能的一些措施

①使用带地线电感的滤波器。滤波器虽能抑制相线与中线上的干扰，但对地线上的干扰无能为力，因为地线上的干扰照样可以进入设备。为减少这种干扰，可在图2.5中的E和E′间加一个滤波电感LE。这个电感可为共模干扰提供额外衰减。此时，设备机壳要接大地。

②采用多级滤波器。单级滤波器结构简单、价格低廉，但与电网及负载阻抗严重失配，对滤波性能有很大影响。如能采用多级（如三级）滤波器，则在各种情况下都能取得很好的滤波效果，特别是低频段的特性。当然这是以价格与尺寸为代价的。

③在有电压浪涌下使用的滤波器。普通滤波器对于浪涌的抑制能力很差，特别是对于干扰的前沿与脉宽都较大的情况效果就更差。这可以用浪涌波的谐波频率较低；滤波器与浪涌源的阻抗失配；浪涌波作用下的电感磁芯严重饱和等原因来解释。为此，有些滤波器制造商把对浪涌有很好吸收作用的压敏电阻、气体放电管等也设计到滤波器中，一旦浪涌电压超出吸收器件的门槛时，吸收器件便发挥作用。在明白这一道理后，设计人员也可将滤波器与吸收器件组合使用。

④新型软磁材料在抑制低频共模噪声中的使用。目前滤波器的低频特性很差，一方面是受到体积、重量与性价比的限制，不能在普通设备中使用高档滤波器；另一方面是铁氧体磁芯的动态磁导率不够高，在低频时不能产生足够大的感抗。80年代时，将非晶态磁芯用到滤波器中使滤波器在低频段的插入损耗有很大提高。非晶态的优点是：

●有高的饱和磁感应值Bs，可使磁芯在强脉冲电流下仍不饱和，而继续保持高的电感量和插入损耗。

●高的磁导率（特别是在低于1MHz的频段内）使要求同样插入损耗的滤波器体积和重量大大减小。

●热稳定性好（居里点高）。

为此有人建议将这类磁芯与铁氧体磁芯组成两级滤波器，各在不同频段内发挥作用，使新滤波器的体积、重量和性价比都得到改进。另外由于在强脉冲电流下不易饱和的特点，还特别适合于制作抑制脉冲性质的传导干扰的滤波器。

⑤加接有耗元件来改进普通滤波器的高频特性。普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的，它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源，所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时，就会有一部分能量被反射回信号源，导致干扰电平的增强。为解决这一弊病，可使用铁氧体磁环或磁珠套在滤波器的进线上，利用磁环或磁珠对高频信号的涡流损耗，把高频成分转化为热损耗。所以磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用，故有时也称之为吸收滤波器。注意，所用的是有耗材料。

（6）滤波器使用中的注意事项

①对滤波器的选择，除满足电磁兼容性外，还要注意安全性（要考虑安全认证）。

②在某些情况下，用户喜欢自行搭制简易滤波器，这时要特别注意线路结构。元件的寄生参数，引线的长度等都可能是限制阻带宽度和插入损耗的关键因素。特别是当工作频率提高时，更不容忽视。

③对铁氧体磁环和磁珠构成的吸收滤波器，除了应选用高磁导率的有耗材料外，还要注意它的应用场合。它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百Ω，因此它在高阻抗电路中的作用并不明显，相反，在低阻抗电路（如功率分配、电源或射频电路）中使用将非常有效。

2.4 隔离变压器

隔离变压器是一种广泛使用的电源线干扰抑制措施。其基本作用是实现电路间的电气隔离，解决由地线环路带来的设备间相互干扰。下面简述普通隔离变压器、带屏蔽的隔离变压器和性能完善的隔离变压器及其抗干扰效果。

（1）普通隔离变压器

这是一种最简单的隔离变压器，在初级与次级间不设屏蔽层。它可解决输入与输出间的电隔离，从而解决公共地的问题。

普通隔离变压器对共模有一定抑制作用，但因绕组间分布电容使它对共模干扰的抑制效果随频率升高而下降。

普通隔离变压器对共模干扰的抑制作用可用初次级间的分布电容和设备对地分布电容之比值来估算。通常初次级间的分布电容为几百pF，设备对地分布电容为几～几十nF，因此共模干扰的衰减值在10～20倍左右，即20～30dB。

（2）带屏蔽层的隔离变压器

对普通隔离变压器共模抑制能力的分析表明，要获得衰减大，关键是要耦合电容小。为此，在变压器初次级间增设屏蔽层，如图2.6所示。屏蔽层对变压器的能量传输无不良影响，但影响绕组间的耦合电容。从图中可看出，要使共模抑制性能好，屏蔽层的良好接地最重要。

图中C1：初级绕组与屏蔽层之间的分布电容

C2：次级绕组与屏蔽层之间的分布电容

ZC1：C1的阻抗ZC2：C2的阻抗

f：干扰的频率ZE：屏蔽层的接地阻抗

Z2：负载的对地阻抗

e1：初级干扰（共模型）电压

e2：次级干扰（共模型）电压

e2=e1[(ZE)/(Zc1)]×[(Z2)/(Zc2)

ZC1=1/2πfC1

ZC2=1/2πfC2

这里：ZC1>ZE，ZC2>Z2故e1>>e2

带屏蔽层的隔离变压器除了能抑制共模干扰外，利用屏蔽层还可以抑制差模干扰，如图2.7所示。具体做法是将变压器屏蔽层接至初级的中线端。对50Hz工频来说，由于初级与屏蔽层构成的容抗很高，故仍通过变压器效应传递到次级，而未被衰减。对频率较高的差模干扰，由于初级与屏蔽层间容抗变小，使这部分干扰经由分布电容及屏蔽层与初级中线端的连线直接返回电网，而不进入次级回路。