论述开关电源电磁的兼容性

　　自从电子系统降噪技术在70年代中期出现以来，主要由于美国联邦通讯委员会在1990年和欧盟在1992提出了对商业数码产品的有关规章，这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。

　　电磁兼容性包括两方面：EMI(电磁干扰)，EMS(电磁耐受)两方面。其中EMI包括：CE（传导干扰），RE（辐射干扰），PT(干扰功率测试)等等EMS包括：ESD(静电放电），RS（辐射耐受），EFT/B(快速脉冲耐受)，surge（雷击），CS（传导耐受）等等以上的各种试验都要由专门的实验室进行测试。是电子类商品进入市场前要取得的必要条件。中国这样的实验室很多，大部分集中在深圳等地。电磁兼容性试验与检测的试验室有环境可靠性与电磁兼容试验服务中心、航天环境可靠性试验中心等机构。

　　1 关于电磁兼容的几个重要概念

　　1.1 电磁环境

　　电磁环境(Electromagnetic Environment)

　　是指设备或系统在正常工作时，可能遇到的辐射或传导电磁发射电平在不同频率范围内功率和时间的分布。

　　1.2 电磁骚扰

　　电磁骚扰(Electromagnetic Disturbance)是指任何可能引起装置、设备或系统性能下降，或者对有生命或无生命物产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰是客观存在的一种物理现象，其产生原因可能是外界因素，也可能是本身的变化。

　　电磁骚扰根据其来源，可分为自然骚扰和人为骚扰两大类。自然骚扰以其发生源不可控为特点，例如电子噪声、天电噪声、地球外噪声、沉积静电等。人为骚扰以其发生源可知并且可控为特点。例如：高频及微波设备、高压设备、开关设备、火花设备、核电磁脉冲等。

　　1.3 电磁干扰

　　电磁干扰(Electromagnetic Interference)，简称EMI，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰；辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。为了防止一些电子产品产生的电磁干扰影响或破坏其它电子设备的正常工作，各国政府或一些国际组织都相继提出或制定了一些对电子产品产生电磁干扰有关规章或标准，符合这些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。电磁兼容性EMC标准不是恒定不变的，而是天天都在改变，这也是各国政府或经济组织，保护自己利益经常采取的手段。

　　电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, 简写为EMC)是指器件、设备或系统在所处的电磁环境中正常工作，并不对其环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力。按上述定义，电磁兼容性包含以下两方面的含义：

　　1.4.1 设备或系统应具有抵抗给定电磁骚扰的能力

　　即它应不会受到处于同一电磁环境中的其设备或系统发射的电磁骚扰而产生不允许的工作性能下降。

　　1.4.2 设备或系统不产生超过规定限度的电磁骚扰

　　即它不会产生使处于同一电磁环境中的其他设备或系统出现超过规定限度的工作性能降低的电磁骚扰。

　　2 电磁骚扰传播的一般途径

　　从干扰源把电磁能量传到干扰对象有两种方式：传导方式和辐射方式。从接收器的角度看，耦合可分为两类：传导耦合和辐射耦合。传导耦合又分为直接传导耦合、公共阻抗耦合和转移阻抗耦合，辐射耦合又分为场(天线)对天线耦合、场对电缆耦合和电缆对电缆的耦合。

　　在实际情况中，传导耦合和辐射耦合并不是截然不同的，它们可以相互转化。例如在金属传导线中传导的电流很大时，辐射也会很严重。

　　3 开关电源的电磁兼容性设计

　　根据电磁骚扰的传播途径，开关电源的电磁兼容性设计包括：完善电路设计、接地设计、滤波设计、屏蔽设计。

　　3.1 完善电路设计

　　电磁兼容(EMC)是指电子设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。其包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感(EMS)两方面的内容。EMI是指电器产品向外发出干扰。EMS是指电器产品抵抗电磁干扰的能力。一台具备良好电磁兼容性能的设备应既不受周围电磁噪声的影响，也不对周围环境造成电磁干扰。电磁干扰的三个要素是干扰源、耦合途径和敏感设备。因此，电磁兼容性设计的任务就可以概括为：削弱干扰源的能量，隔离和减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁骚扰的抵抗能力。

　　印刷电路板设计时应注意以下几点：①高、中、低速逻辑电路同时应用时，高速应设计在电路板的入口处;②信号入口加RC去耦滤波，消除长线传输干扰;③ 电路中的电流环路应保持;④信号线和回线应尽可能接近;⑤使用较大的地平面以减小地线阻抗;⑥电源线和地线应相互接近;⑦在多层电路板中，应把电源面和地平面分开;⑧圆弧布线，不突变;⑨尽量缩短连线;⑩模拟电路和数字电路分开，功率电路和控制电路分开。

　　3.2 接地设计

　　接地是开关电源设备抑制电磁噪声的重要方法。

　　接地的作用：①提高系统工作的稳定性，若不与大地相接，易受地电容的干扰;　②泄放静电感应在机箱上的静电，避免高压放电;③操作安全。

　　　悬浮地：使开关电源中的参考地与机壳隔离，可以避免机壳中的干扰电流直接耦合到电源电路中。当浮地系统靠近高压时，可能堆积静电荷，形成危害，或引起静电放电，形成干扰电流。在雷电环境下，在机箱和单元电路间产生电弧。所以开关电源中不宜采用悬浮地。

　　单点接地：又分为单点串联接地和单点并联接地。单点串联接地的优点是比较简单，其缺点是各电路会通过接地线，相互影响。在采用这种接地方式时必须注意把电平电路放在靠近接地点的A处，以使B点和C点的电位升高。

　　多点接地：各接地点就近接地，其优点是：接线简单，引线短，高频驻波现象显著减少。其缺点是：接地阻抗随频率升高而增大。

　　混合接地：实际情况比较复杂，很难仅通过一种简单的接地方式来解决，而是常常采用单点接地和多点接地组合成混合接地。

　　3.3 滤波设计

　　滤波是消除干扰经常采用的措施。在设计和选用滤波器时应注意以下几个问题：①明确工作频率和所要抑制的干扰频率，如两者非常接近，则需要应用频率特性非常陡峭的滤波器，才能把两种频率分开;②保证滤波器在高压情况下能够可靠地工作;③滤波器连续通以额定电流时，其温升要低，以保证在该额定电流连续工作时，不破坏滤波器中器件的工作性能;④为使工作时的滤波器频率特性与设计值相符合，要求与它连接的信号源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时的规定值;⑤ 滤波器必须具有屏蔽结构，屏蔽箱盖和本体要有良好的电接触，滤波器的电容引线应尽量短，选用低引线短电感的穿心电容。

　　安装滤波器时应注意以下几点：①电源线路滤波器应安装在离设备电源入口尽量靠近的地方，不要让未经过滤波器的电源线在设备框内迂回;②滤波器中的电容器引线应尽可能短，以免因引线感抗和容抗在较低频率上谐振;③滤波器的接地导线上有很大的短路电流通过，会引起附加的电磁辐射，故应对滤波器元件本身进行良好的屏蔽和接地处理;④滤波器的输入和输出线不能交叉，否则会因滤波器的输入—输出电容耦合通路引起串扰，从而降低滤波特性，通常的办法是输入和输出端之间加隔板或屏蔽层。

　　3.4 屏蔽设计

　　屏蔽体的设计原则：①首先确定电磁环境，包括电磁场的类型、场的强度、频率及屏蔽体至源的距离等;②确定接收机的敏感度以及对屏蔽体的屏蔽要求;③根据电磁屏蔽的要求及电磁场的性质，适当选择材料的电导率、磁导率和厚度;④在确定屏蔽材料之后，进行屏蔽结构的设计，对于电场屏蔽主要选择高电导率材料 (如铜)，对于磁场屏蔽，特别是低频磁场屏蔽;主要选择铁或其他高磁导率材料。若达不到要求，在允许的条件下，可以采用增大厚度的办法;⑤如果单层屏蔽不能满足屏蔽要求，可用双层以上的屏蔽，以获得更好的屏蔽效果;　⑥当屏蔽室需要透明时，可采用金属网屏蔽，金属网屏蔽的效能显然比不上金属实壁屏蔽体，所以一般采用双层屏蔽;⑦对于通风孔、探测器的开口屏蔽壳体、电缆进出口接插件等开口处均按特殊要求进行设计。