第四讲：EMC/EMI之综合解决方案

中心议题：

• EMC/EMI的综合解决方案

解决方案：

• ESD防护解决方案
• 开关电源电磁干扰抑制措施
• 汽车电子设备的电磁兼容设计

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电磁兼容主要包括电磁干扰（EMI）和电磁抗干扰(EMS)两方面，本讲将从探讨电磁干扰措施和电磁抗干扰技术的角度来介绍EMC/EMI的综合解决方案。具体内容包括结合实例探讨ESD防护解决方案；从电磁兼容三要素（干扰源、耦合通路和敏感体）入手分析，开关电源电磁干扰抑制措施；及汽车电子设备的电磁兼容设计案例。

1 ESD防护解决方案

电磁干扰普遍存在于电子产品，不仅是设备之间的相互影响，同时也存在于元件与元件之间，系统与系统之间，其主要的两种途径为传导干扰和辐射干扰，而传导干扰又细分为共模干扰差模干扰。引起干扰的原因种类复杂，其核心为静电放电干扰。静电有两种类型，即传导型的静电和辐射型的静电。对于这两种静电主要采取如下防护措施：

1.1传导性ESD防护
对静电电流在电路中防护主要使用一些保护器件，在敏感器件前端构成保护电路，引导或耗散电流。此类保护器件有：陶瓷电容，压敏电阻，TVS管等。

下面通过某电子产品接触式静电放电的接地改良来说明传导型ESD防护方案。

某电子产品的ESD发生器采用苏州泰斯特电子科技有限公司生产的型号为ESD-20静电放电测试仪器，器性能满足IEC61000-4-2标准要求，电子产品抗击电压为4.7KV，超过4.7KV就会出现蜂鸣器报警，死机现象。实验布置图如图1所示：

图1 某电子产品接触式静电放电的接地改良实验布置图

对此电子产品的接触式静电放电的接地进行分析，找出其存在的问题，并提出解决措施，可对其接地进行改良。

1.2辐射性ESD防护
对于静电产生的场对敏感电路产生影响，防护方法主要是尽量减少场的产生和能量，通过结构的改善增加防护能力，对敏感线路实施保护。对场的保护通常比较困难，在改良实践中探索出了一种叫做等位体的方法。通过有效地架接，是壳体形成电位相同体，抑制放电。事实证明此种方式有效易于实施。

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下面通过某皮带秤的静电改良来说明辐射型ESD问题的解决方案。

某皮带秤在进行电磁兼容抗干扰测试静电放电项目中失败，其测试要求为接触放电6KV，空气放电8KV。现象是进行接触放电打击是存在放电，显示屏有异样，持续打击是会死机，有时可恢复。空气放电时显示屏也会有少许放电，然后死机。机体如图2所示：

图2 皮带秤机体

改良措施如下：
1. 考虑改善內壳的链接。利用扁铜带改良其链接。如图3所示。

图3 利用扁铜带改良內壳链接

2.在间隙中填充绝缘材料，提高放电介质强度，两板平行可视为电容器，电容定义为C=εS/d，其中ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离，电容电压为U=Q/C。电荷相同的情况下，电容增大，两板之间的放电电压将变小，从而其抗电压能力提高。测试发现接触放电能力有所提高，位于显示部分上方的薄膜电路通过了空气放电8KV测试。

3. 将內壳与外壳绝缘，內壳不接地。使电荷积累在內壳表面，随着电荷的积累，內壳逐渐形成一个等位体，放电现象消失。如图4所示。

图4 将內壳与外壳绝缘

通过以上整改，皮带秤通过了接触放电6KV和空气放电8KV的测试。

此外，防护静电的一般方法有（前三条是针对直接放电，后两条是针对关联场的耦合）

• 减少静电的积累；
• 使产品绝缘，防止静电发生；
• 对敏感线路提供支路分流静电电流；
• 对放电区域的电路进行屏蔽；
• 减少环路面积以保护电路免受静电放电产生的磁场的影响。

2 开关电源EMI抑制措施

电磁兼容的三要素是干扰源、耦合通路和敏感体，抑制以上任何一项都可以减少电磁干扰问题。开关电源工作在高电压大电流的高频开关状态时，其引起的电磁兼容性问题是比较复杂的。但是，仍符合基本的电磁干扰模型，可以从三要素入手寻求抑制电磁干扰的方法。

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2.1    抑制开关电源中各类电磁干扰源
为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（PFC）技术。PFC技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正 成近似的正弦波。从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了开关电源的功率因数。

软开关技术是减小开关器件损耗和改善开关器件电磁兼容特性的重要方法。开关器件开通和关断时会产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰及开 关损耗的主要原因。使用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换可以有效地抑制电磁干扰。使用缓冲电路吸收开关管或高频变压器初级线圈两端的尖 峰电压也能有效地改善电磁兼容特性。

输出整流二极管的反向恢复问题可以通过在输出整流管上串联一个饱和电感来抑制，如图5所示，饱和电感Ls与二极管串联工作。饱和电感的磁芯是用具有 矩形BH曲线的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一样，这种磁芯做的电感有很高的磁导率，该种磁芯在BH曲线上拥有一段接近垂直的线性区并很容 易进入饱和。实际使用中，在输出整流二极管导通时，使饱和电感工作在饱和状态下，相当于一段导线；当二极管关断反向恢复时，使饱和电感工作在电感特性状态 下，阻碍了反向恢复电流的大幅度变化，从而抑制了它对外部的干扰。

图5    饱和电感在减小二极管反向恢复电流中的应用

2.2    切断电磁干扰传输途径——共模、差模电源线滤波器设计
电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除，开关电源EMI滤 波器基本电路如图6所示。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用。在图6中CX1和CX2叫做差模电 容，L1叫做共模电感，CY1和CY2叫做共模电容。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。

图6    开关电源EMI滤波器

共模电感L1是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。通常使用环形磁芯，漏磁小，效率高，但是绕线困难。当市网工频电流在两个绕组中 流过时为一进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用，可以无损耗地传输。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，这种 共模噪声电流是同方向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。L1的电感量与 EMI滤波器的额定电流I有关，具体关系参见表1所列。

表1    电感量范围与额定电流的关系

实际使用共模电感两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值，不过这种差值正好被利用作差模电感。所以，一般电路中不必再设置独立的差模电感 了。共模电感的差值电感与电容CX1及CX2构成了一个∏型滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。

除了共模电感以外，图6中的电容CY1及CY2也是用来滤除共模干扰的。共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容CY1 及CY2起作用。电容CY的选择要根据实际情况来定，由于电容CY接于电源线和地线之间，承受的电压比较高，所以，需要有高耐压、低漏电流特性。计算电容 CY漏电流的公式是：
I_D=2πfC_YV_{CY  ，}式中：ID为漏电流；f为电网频率。

一般装设在可移动设备上的滤波器，其交流漏电流应<1mA；若为装设在固定位置且接地的设备上的电源滤波器，其交流漏电流应<3.5mA，医疗器材规定的漏电流更小。由于考虑到漏电流的安全规范，电容CY的大小受到了限制，一般为2.2～33nF。电容类型一般为瓷片 电容，使用中应注意在高频工作时电容器CY与引线电感的谐振效应。

差模干扰抑制器通常使用低通滤波元件构成，最简单的就是一只滤波电容接在两根电源线之间而形成的输入滤波电路（如图6中电容CX1），只要电容选择 适当，就能对高频干扰起到抑制作用。该电容对高频干扰阻抗甚底，故两根电源线之间的高频干扰可以通过它，它对工频信号的阻抗很高，故对工频信号的传输毫无 影响。该电容的选择主要考虑耐压值，只要满足功率线路的耐压等级，并能承受可预料的电压冲击即可。为了避免放电电流引起的冲击危害，CX电容容量不宜过 大，一般在0.01～0.1μF之间。电容类型为陶瓷电容或聚酯薄膜电容。 

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2.3    使用屏蔽降低电磁敏感设备的敏感性
抑制辐射噪声的有效方法就是屏蔽。可以用导电性能良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。为了防止变压器的磁场泄露，使变压器 初次级耦合良好，可以利用闭合磁环形成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就明显比E型的小很多。开关电源的连接线，电源线都应该使用具有屏蔽层的导线，尽量防止 外部干扰耦合到电路中。或者使用磁珠、磁环等EMC元件，滤除电源及信号线的高频干扰，但是，要注意信号频率不能受到EMC元件的干扰，也就是信号频率要 在滤波器的通带之内。整个开关电源的外壳也需要有良好的屏蔽特性，接缝处要符合EMC规定的屏蔽要求。通过上述措施保证开关电源既不受外部电磁环境的干扰 也不会对外部电子设备产生干扰。

3 汽车电子设备电磁兼容设计
无论是汽车内部还是外部的电磁干扰对车用电子设备尤其是车用ECU（电控单元）干扰都很大，这些电磁干扰会严重干扰汽车电子设备的工作性能。众所周知，半导体元件对脉动电压非常敏感，当瞬变电压值超过其电压值时，半导体元件会被击穿而损坏，而脉冲信号一旦被ECU（电控单元）误认为输入信号便会使电子设备做出错误的判断，以至产生故障。因此，为了防止异常现象发生且允许汽车电子设备在这种环境下正常工作，在现代汽车上采用一些防干扰方法，以保证车用电子设备的正常工作。

抗干扰的基本技术一是消除干扰源，二是防止干扰信号的串入。下面说明多种提高汽车电子设备抗干扰性能和抑制其产生电磁干扰的基本技术。

1）电路设计模块化
在电路板设计中，根据电路在汽车上发挥的功能及位置的不同，将执行器电路、传感器电路、系统控制电路分开设计，形成不同的电路模块，使不同模块的电源、搭铁（金属车体）线分开，减少不应有的耦合，提高绝缘阻抗。为避免干扰，应先将电源（汽车在行驶过程中主要由发电机供电）传输到各个模块，而后分别进行整流、滤波、稳压、供电。模块中的数字搭铁和模拟搭铁分开，工作搭铁和安全搭铁一点连接。

2）阻尼电阻
在点火装置的高压电路中，串入阻尼电阻，削弱火花产生的干扰电磁波。阻尼电阻值越大，抑制效果越好。但阻尼电阻太大，又会减少火花塞电极间的火花能量。阻尼电阻一般用碳质材料制成，电阻值约10-20 kll。阻尼电阻加在点火线圈端和火花塞接头端。

3）并联电容器
在可能产生火花处并联电容器，如在调节器的“电池”接柱和“搭铁”之间和发电机“电枢”接柱和“搭铁”之间并联0．2～0．8 的电容器；在水温表和机油压力表的传感器触点间并联0．1～0．2 的电容器；在闪光继电器和电喇叭的触点处并联0．5 F电容器等。

4）金属屏蔽
发电机、起动机、火花塞等电器设备产生的火花，都能产生电磁波。屏蔽是抑制电磁波干扰的有效方法。屏蔽电场或磁场时，可选用铜、铝、钢等导电率高的材料作屏蔽体。当屏蔽高频磁场时应选购导电率高的钢、铝等材料；屏蔽低频磁场时，选购导磁率高的磁钢、铍莫合金、铁等材料。为了有效发挥屏蔽体的屏蔽作用，还应注意屏蔽体的有效搭铁。汽车电器中的导线也用密织的金属网或金属导管套起来，并将其搭铁。这样就使这些电器因工作火花而发射的电磁波，在金属屏蔽内感应寄生电流，产生焦耳热而耗散，从而起到防干扰的作用。这种方法有较好的防干扰效果，但装置复杂，成本高，并且会增大高压电路的分布电容，干扰点火性能。因此，一般只用在特殊需要的汽车上。

5）感抗型高压阻尼线
目前国内外多采用高压阻尼线，其线心是用牵0．1 rnlTl的镍铬钼丝绕成，相当于电感、电容及电阻三者的复合体，抑制效果比集中电阻的效果更好。

6）采用滤波器
滤波器主要抑制通过电路通路直接进入的干扰，根据信号和干扰信号之间的频率差别，可以采用不同性能的滤波器，抑制干扰信号，提高信噪比。

7）采用平衡技术
平衡技术是消除串音干扰的有效方法。信号的往复两条线的电性（包括阻抗，分布电容等）相等时叫平衡。在汽车电路中，检测信号的输入、控制信号的输出，特别是在时序信号传输中，通常采用双绞线作为平衡线，双绞线的螺距要小，长度要尽量短。

8）提高信号幅值
即提高信噪比，是抗干扰的重要方法。对于微弱的传感器信号（如温度信号、光电信号等），采用放大电路增大幅值，减小干扰。同时，为避免提高幅值的信号成为干扰源，应采用平衡线传输。

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