【應(yīng)用筆記】 電子設(shè)備電磁干擾(EMI)的發(fā)生與對(duì)策

電子設(shè)備的AC輸入線上一般都會(huì)有濾波器的存在，也就是說(shuō)配備了開(kāi)關(guān)電源的電子設(shè)備的電磁干擾源主要是開(kāi)關(guān)電源部位。電磁干擾的發(fā)生源是多種多樣的，例如自然界的雷電、地磁場(chǎng)，科技界的馬達(dá)、射頻技術(shù)、數(shù)字/模擬信號(hào)等都會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)。濾波器是防止干擾信號(hào)外傳或防止干擾信號(hào)影響周邊的電子設(shè)備不可或缺的元器件。本文將探討電磁干擾產(chǎn)生的原因及解決方案。

01 干擾信號(hào)類型及其發(fā)生方式

電子設(shè)備的噪音是在電子設(shè)備中不必要的電性信號(hào)，但是這種信號(hào)是無(wú)法避免的電壓、電流的干擾信號(hào)。如果干擾信號(hào)過(guò)大的話，會(huì)發(fā)生如下的現(xiàn)象:

1、收音機(jī)、多媒體設(shè)備中聽(tīng)到原本聲音以外的噪音。

2、在電視畫(huà)面上出現(xiàn)原本畫(huà)面以外的雜亂畫(huà)面。

3、數(shù)字設(shè)備錯(cuò)誤啟動(dòng)，或者不能正常運(yùn)行。

4、通訊設(shè)備上，正常的信號(hào)沒(méi)有辦法傳輸。

5、其他影響電子設(shè)備正常運(yùn)作的現(xiàn)象。

為此，國(guó)家或者地區(qū)在電子設(shè)備相關(guān)領(lǐng)域做出了相應(yīng)的要求與規(guī)定，要求電子設(shè)備對(duì)外產(chǎn)生的干擾信號(hào)不能超過(guò)某一個(gè)限制值。對(duì)于電子設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，不得不將電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)控制到這個(gè)限制值之內(nèi)。

近年來(lái)，電子設(shè)備基本上都采用了數(shù)字技術(shù)、開(kāi)關(guān)技術(shù)。只要電子產(chǎn)品采用以上的技術(shù)，就必然會(huì)產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)。而使用濾波器能將電磁干擾限制到限制值以內(nèi)。每個(gè)國(guó)家或者地區(qū)對(duì)于干擾信號(hào)的限制值可能不一樣，所以濾波器的特性也不一樣，如下圖：工業(yè)設(shè)備外掛使用的電源線濾波器，及電源內(nèi)部安裝使用的濾波器（共模電感、差模電感）。

圖1(左): 工業(yè)外掛濾波器

圖2(右): 開(kāi)關(guān)電源內(nèi)裝濾波器（共模電感）

在開(kāi)關(guān)電源中，開(kāi)關(guān)晶體管和高頻整流二極管、開(kāi)關(guān)變壓器會(huì)產(chǎn)生更大等級(jí)的干擾信號(hào)。開(kāi)關(guān)電源中的工作波形是方波或者三角波（基本波形）。這些工作波形中會(huì)含有基本波形的整數(shù)倍的高頻波形成分。這些高頻波形向外傳播的話，就成為了干擾信號(hào)。

而且晶體管的開(kāi)關(guān)速度是極快的，如2A的電流，12V電壓以300kHz左右ON/OFF的開(kāi)關(guān)頻率在運(yùn)作，如下圖所示，在開(kāi)關(guān)的切換過(guò)渡狀態(tài)下，電流的時(shí)間變化率di/dt是非常大的。由于電路中不僅電感線圈上存在電感，印刷電路板上也存在寄生電感，電流的變化則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生干擾電壓信號(hào)，對(duì)周圍環(huán)境或電子元件產(chǎn)生干擾。而且這些干擾信號(hào)不止在印刷電路板上傳導(dǎo)，也通過(guò)電磁波和導(dǎo)線向外傳導(dǎo)。電磁干擾信號(hào)的頻率也不是一定的，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)會(huì)有很多的di/dt成分的存在，所以產(chǎn)生的干擾電壓信號(hào)的頻率是很寬的。

圖3：等價(jià)回路模型

圖4：干擾電壓信號(hào)模型

圖5：干擾電壓信號(hào)

圖6：干擾電流信號(hào)

圖7：二極管的關(guān)斷短路電流模型

不僅限于開(kāi)關(guān)電源，從電壓/電流的路徑大致區(qū)分電子設(shè)備是在哪里產(chǎn)生干擾信號(hào)，如下圖所示，差模模式產(chǎn)生的干擾和共模模式產(chǎn)生的干擾，分別稱為差模干擾信號(hào)和共模干擾信號(hào)。

圖8：干擾信號(hào)模型示意圖

交流電的導(dǎo)線之間，或者直流輸出的正負(fù)極之間出現(xiàn)的干擾信號(hào)是差模信號(hào)。與此相對(duì)，共模干擾信號(hào)是指電路上某條線和接地線之間，即與大地之間產(chǎn)生的干擾信號(hào)成分。電源電路產(chǎn)生的干擾信號(hào)，幾乎都是差模信號(hào)。但是，在差模信號(hào)傳播到其他電路的過(guò)程中，在電磁或靜電的影響下，導(dǎo)致與大地的阻抗平衡被破壞，被轉(zhuǎn)換為共模信號(hào)，最終，很多的干擾信號(hào)就成了共模干擾信號(hào)。

另外，在自然界中產(chǎn)生并進(jìn)入設(shè)備的外來(lái)干擾信號(hào)，基本上是共模信號(hào)。因?yàn)檫@些干擾信號(hào)的產(chǎn)生基本上都與大地相關(guān)。此外，在共模干擾信號(hào)進(jìn)入電路中，在各種條件、設(shè)備的影響作用下共模信號(hào)也會(huì)轉(zhuǎn)化成差模干擾信號(hào)，這也會(huì)對(duì)電路的運(yùn)作產(chǎn)生直接且惡劣的影響。

在電子設(shè)備或者電源電路中，需要考慮采取對(duì)策來(lái)處理完全不一樣的共模干擾信號(hào)及差模干擾信號(hào)。

02  電子設(shè)備電磁干擾對(duì)策

從干擾信號(hào)的傳播方式來(lái)看，干擾信號(hào)可以大致分為傳導(dǎo)型、輻射型；從干擾信號(hào)的模式來(lái)看，干擾信號(hào)可以分為共模干擾信號(hào)、差模干擾信號(hào)。

抑制干擾信號(hào)的解決方案有兩種：一、抑制干擾信號(hào)的發(fā)生；二、阻礙（吸收消除）干擾信號(hào)的傳播。

現(xiàn)在的電子設(shè)備基本上都是采用了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，及數(shù)字技術(shù)。采用這些技術(shù)的設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，且很難通過(guò)技術(shù)升級(jí)來(lái)抑制干擾信號(hào)產(chǎn)生。目前大多數(shù)的處理方式都是阻礙干擾信號(hào)的傳播。

1、采用被動(dòng)元器件來(lái)阻礙（吸收消除）干擾信號(hào)的傳導(dǎo)，如共模電感，差模電感，X濾波電容，Y濾波電容組合起來(lái)阻礙干擾信號(hào)傳導(dǎo)；

2、采用磁珠，磁屏蔽結(jié)構(gòu)的功率電感來(lái)阻止輻射型的干擾信號(hào)向外傳播。

針對(duì)傳導(dǎo)型EMI的解決方案，科達(dá)嘉推出了一系列的信號(hào)線共模電感（SPRHS系列，CSTP系列，VSTCB系列等）、電源線的共模電感（TCB系列，SQH系列，TCMB系列），差模電感（SPRH系列，PRD系列等功率電感可用作差模電感），這些共模電感、差模電感能夠幫助電子設(shè)備抵抗外界的電磁干擾信號(hào)，也能阻止電子設(shè)備向外傳導(dǎo)自身產(chǎn)生電磁干擾信號(hào)。

干擾信號(hào)的濾除效果與電感的阻抗大小息息相關(guān)，請(qǐng)參考以下的特性表及頻率特性圖。

表1：科達(dá)嘉共模電感特性表

注：該表格僅展示了部分電感型號(hào)，更多信息請(qǐng)查閱科達(dá)嘉官網(wǎng)

圖9：信號(hào)線共模電感的阻抗頻率特性圖

圖10：電源線共模電感的阻抗頻率特性圖

針對(duì)輻射型干擾信號(hào)的解決方案，可以采用磁珠。在某一些高頻電路如RF、振蕩電路等都需要在電源輸入部分加磁珠?？七_(dá)嘉推出了一系列磁珠，如RHD系列，RHV系列，SMB系列，UUN系列等。

表2：磁珠特性表

注：該表格僅展示了部分電感型號(hào)，更多信息請(qǐng)查閱科達(dá)嘉官網(wǎng)

如前文所述，磁屏蔽結(jié)構(gòu)的功率電感也可以阻止輻射型干擾信號(hào)的傳播。針對(duì)輻射型EMI，科達(dá)嘉推出了一系列磁屏蔽結(jié)構(gòu)的一體成型電感、大電流電感、數(shù)字功放電感、貼片電感等。這些功率電感可以運(yùn)用開(kāi)關(guān)電源中的功率線，磁屏蔽結(jié)構(gòu)能夠有效地阻礙電感產(chǎn)生的干擾信號(hào)向外輻射，也能有效地阻擋外界輻射干擾信號(hào)對(duì)該結(jié)構(gòu)的電感的干擾。此類的磁屏蔽結(jié)構(gòu)的電感也用于信號(hào)線、電源線的差模干擾信號(hào)解決方案。

表3：磁屏蔽結(jié)構(gòu)電感特性表

注：該表格僅展示了部分電感型號(hào)，更多信息請(qǐng)查閱科達(dá)嘉官網(wǎng)

圖11：VSHB0421-4R7MC的溫升電流和飽和電流曲線、電感頻率特性、阻抗頻率特性

03 結(jié)論

隨著電子產(chǎn)品的集成化、復(fù)雜化，電子產(chǎn)品的EMI/EMC環(huán)境也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為助力電子設(shè)備解決EMI/EMC問(wèn)題，科達(dá)嘉開(kāi)發(fā)了各種系列標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)線共模電感、電源線共模電感、差模電感、磁珠及各類磁屏蔽結(jié)構(gòu)的功率電感。工程師可以根據(jù)設(shè)計(jì)的電源電路的具體要求，選擇合適的科達(dá)嘉標(biāo)準(zhǔn)化的共模電感、差模電感或功率電感。