電子設(shè)備電磁干擾(EMI)的發(fā)生與對策

電子設(shè)備的AC輸入線上一般都會有濾波器的存在，也就是說配備了開關(guān)電源的電子設(shè)備的電磁干擾源主要是開關(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，科技界的馬達(dá)、射頻技術(shù)、數(shù)字/模擬信號等都會產(chǎn)生干擾信號。濾波器是防止干擾信號外傳或防止干擾信號影響周邊的電子設(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，但是這種信號是無法避免的電壓、電流的干擾信號。如果干擾信號過大的話，會發(fā)生如下的現(xiàn)象:
1、收音機(jī)、多媒體設(shè)備中聽到原本聲音以外的噪音。
2、在電視畫面上出現(xiàn)原本畫面以外的雜亂畫面。
3、數(shù)字設(shè)備錯誤啟動，或者不能正常運行。
4、通訊設(shè)備上，正常的信號沒有辦法傳輸。
5、其他影響電子設(shè)備正常運作的現(xiàn)象。

為此，國家或者地區(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)備對外產(chǎn)生的干擾信號不能超過某一個限制值。對于電子設(shè)備制造商來說，不得不將電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號控制到這個限制值之內(nèi)。

近年來，電子設(shè)備基本上都采用了數(shù)字技術(shù)、開關(guān)技術(shù)。只要電子產(chǎn)品采用以上的技術(shù)，就必然會產(chǎn)生電磁干擾信號。而使用濾波器能將電磁干擾限制到限制值以內(nèi)。每個國家或者地區(qū)對于干擾信號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): 開關(guān)電源內(nèi)裝濾波器（共模電感）

在開關(guān)電源中，開關(guān)晶體管和高頻整流二極管、開關(guān)變壓器會產(chǎn)生更大等級的干擾信號。開關(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。

而且晶體管的開關(guān)速度是極快的，如2A的電流，12V電壓以300kHz左右ON/OFF的開關(guān)頻率在運作，如下圖所示，在開關(guān)的切換過渡狀態(tài)下，電流的時間變化率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，電流的變化則會導(dǎo)致產(chǎn)生干擾電壓信號，對周圍環(huán)境或電子元件產(chǎn)生干擾。而且這些干擾信號不止在印刷電路板上傳導(dǎo)，也通過電磁波和導(dǎo)線向外傳導(dǎo)。電磁干擾信號的頻率也不是一定的，在一個開關(guān)周期內(nèi)會有很多的di/dt成分的存在，所以產(chǎn)生的干擾電壓信號的頻率是很寬的。

圖3：等價回路模型

圖4：干擾電壓信號模型

圖5：干擾電壓信號
圖6：干擾電流信號
圖7：二極管的關(guān)斷短路電流模型

不僅限于開關(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，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和共模干擾信號。

圖8：干擾信號模型示意圖

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)的干擾信號是差模信號。與此相對，共模干擾信號是指電路上某條線和接地線之間，即與大地之間產(chǎn)生的干擾信號成分。電源電路產(chǎn)生的干擾信號，幾乎都是差模信號。但是，在差模信號傳播到其他電路的過程中，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，最終，很多的干擾信號就成了共模干擾信號。

另外，在自然界中產(chǎn)生并進(jìn)入設(shè)備的外來干擾信號，基本上是共模信號。因為這些干擾信號的產(chǎn)生基本上都與大地相關(guān)。此外，在共模干擾信號進(jìn)入電路中，在各種條件、設(shè)備的影響作用下共模信號也會轉(zhuǎn)化成差模干擾信號，這也會對電路的運作產(chǎn)生直接且惡劣的影響。

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

02 電子設(shè)備電磁干擾對策

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

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

現(xiàn)在的電子設(shè)備基本上都是采用了開關(guān)電源技術(shù)，及數(shù)字技術(shù)。采用這些技術(shù)的設(shè)備都會產(chǎn)生干擾信號，且很難通過技術(shù)升級來抑制干擾信號產(chǎn)生。目前大多數(shù)的處理方式都是阻礙干擾信號的傳播。

1、采用被動元器件來阻礙（吸收消除）干擾信號的傳導(dǎo)，如共模電感，差模電感，X濾波電容，Y濾波電容組合起來阻礙干擾信號傳導(dǎo)；
2、采用磁珠，磁屏蔽結(jié)構(gòu)的功率電感來阻止輻射型的干擾信號向外傳播。

針對傳導(dǎo)型EMI的解決方案，科達(dá)嘉推出了一系列的信號線共模電感（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，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。

干擾信號的濾除效果與電感的阻抗大小息息相關(guān)，請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，更多信息請查閱科達(dá)嘉官網(wǎng)

圖9：信號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

針對輻射型干擾信號的解決方案，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。科達(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，更多信息請查閱科達(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的傳播。針對輻射型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用開關(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)生的干擾信號向外輻射，也能有效地阻擋外界輻射干擾信號對該結(jié)構(gòu)的電感的干擾。此類的磁屏蔽結(jié)構(gòu)的電感也用于信號線、電源線的差模干擾信號解決方案。

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，更多信息請查閱科達(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問題，科達(dá)嘉開發(fā)了各種系列標(biāo)準(zhǔn)化的信號線共模電感、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。

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