中心議題：
- EMC/EMI的綜合解決方案
解決方案：
- ESD防護(hù)解決方案
- 開關(guān)電源電磁干擾抑制措施
- 汽車電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)
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電磁兼容主要包括電磁干擾（EMI）和電磁抗干擾(EMS)兩方面，本講將從探討電磁干擾措施和電磁抗干擾技術(shù)的角度來介紹EMC/EMI的綜合解決方案。具體內(nèi)容包括結(jié)合實(shí)例探討ESD防護(hù)解決方案；從電磁兼容三要素（干擾源、耦合通路和敏感體）入手分析，開關(guān)電源電磁干擾抑制措施；及汽車電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)案例。
1 ESD防護(hù)解決方案
電磁干擾普遍存在于電子產(chǎn)品，不僅是設(shè)備之間的相互影響，同時(shí)也存在于元件與元件之間，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間，其主要的兩種途徑為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，而傳導(dǎo)干擾又細(xì)分為共模干擾差模干擾。引起干擾的原因種類復(fù)雜，其核心為靜電放電干擾。靜電有兩種類型，即傳導(dǎo)型的靜電和輻射型的靜電。對(duì)于這兩種靜電主要采取如下防護(hù)措施：
1.1傳導(dǎo)性ESD防護(hù)
對(duì)靜電電流在電路中防護(hù)主要使用一些保護(hù)器件，在敏感器件前端構(gòu)成保護(hù)電路，引導(dǎo)或耗散電流。此類保護(hù)器件有：陶瓷電容，壓敏電阻，TVS管等。
下面通過某電子產(chǎn)品接觸式靜電放電的接地改良來說明傳導(dǎo)型ESD防護(hù)方案。
某電子產(chǎn)品的ESD發(fā)生器采用蘇州泰斯特電子科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為ESD-20靜電放電測(cè)試儀器，器性能滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)要求，電子產(chǎn)品抗擊電壓為4.7KV，超過4.7KV就會(huì)出現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警，死機(jī)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)布置圖如圖1所示：
圖1 某電子產(chǎn)品接觸式靜電放電的接地改良實(shí)驗(yàn)布置圖
對(duì)此電子產(chǎn)品的接觸式靜電放電的接地進(jìn)行分析，找出其存在的問題，并提出解決措施，可對(duì)其接地進(jìn)行改良。
1.2輻射性ESD防護(hù)
對(duì)于靜電產(chǎn)生的場(chǎng)對(duì)敏感電路產(chǎn)生影響，防護(hù)方法主要是盡量減少場(chǎng)的產(chǎn)生和能量，通過結(jié)構(gòu)的改善增加防護(hù)能力，對(duì)敏感線路實(shí)施保護(hù)。對(duì)場(chǎng)的保護(hù)通常比較困難，在改良實(shí)踐中探索出了一種叫做等位體的方法。通過有效地架接，是殼體形成電位相同體，抑制放電。事實(shí)證明此種方式有效易于實(shí)施。
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下面通過某皮帶秤的靜電改良來說明輻射型ESD問題的解決方案。
某皮帶秤在進(jìn)行電磁兼容抗干擾測(cè)試靜電放電項(xiàng)目中失敗，其測(cè)試要求為接觸放電6KV，空氣放電8KV?，F(xiàn)象是進(jìn)行接觸放電打擊是存在放電，顯示屏有異樣，持續(xù)打擊是會(huì)死機(jī)，有時(shí)可恢復(fù)?？諝夥烹姇r(shí)顯示屏也會(huì)有少許放電，然后死機(jī)。機(jī)體如圖2所示：
圖2 皮帶秤機(jī)體
改良措施如下：
1. 考慮改善內(nèi)殼的鏈接。利用扁銅帶改良其鏈接。如圖3所示。
圖3 利用扁銅帶改良內(nèi)殼鏈接
2.在間隙中填充絕緣材料，提高放電介質(zhì)強(qiáng)度，兩板平行可視為電容器，電容定義為C=εS/d，其中ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為極板面積，d為極板間的距離，電容電壓為U=Q/C。電荷相同的情況下，電容增大，兩板之間的放電電壓將變小，從而其抗電壓能力提高。測(cè)試發(fā)現(xiàn)接觸放電能力有所提高，位于顯示部分上方的薄膜電路通過了空氣放電8KV測(cè)試。
3. 將內(nèi)殼與外殼絕緣，內(nèi)殼不接地。使電荷積累在內(nèi)殼表面，隨著電荷的積累，內(nèi)殼逐漸形成一個(gè)等位體，放電現(xiàn)象消失。如圖4所示。
圖4 將內(nèi)殼與外殼絕緣
通過以上整改，皮帶秤通過了接觸放電6KV和空氣放電8KV的測(cè)試。
此外，防護(hù)靜電的一般方法有（前三條是針對(duì)直接放電，后兩條是針對(duì)關(guān)聯(lián)場(chǎng)的耦合）
- 減少靜電的積累；
- 使產(chǎn)品絕緣，防止靜電發(fā)生；
- 對(duì)敏感線路提供支路分流靜電電流；
- 對(duì)放電區(qū)域的電路進(jìn)行屏蔽；
- 減少環(huán)路面積以保護(hù)電路免受靜電放電產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響。
2 開關(guān)電源EMI抑制措施
電磁兼容的三要素是干擾源、耦合通路和敏感體，抑制以上任何一項(xiàng)都可以減少電磁干擾問題。開關(guān)電源工作在高電壓大電流的高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，其引起的電磁兼容性問題是比較復(fù)雜的。但是，仍符合基本的電磁干擾模型，可以從三要素入手尋求抑制電磁干擾的方法。
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2.1 抑制開關(guān)電源中各類電磁干擾源
為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量，開關(guān)電源需要使用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)。PFC技術(shù)使得電流波形跟隨電壓波形，將電流波形校正 成近似的正弦波。從而降低了電流諧波含量，改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性，同時(shí)也提高了開關(guān)電源的功率因數(shù)。
軟開關(guān)技術(shù)是減小開關(guān)器件損耗和改善開關(guān)器件電磁兼容特性的重要方法。開關(guān)器件開通和關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關(guān)管產(chǎn)生電磁干擾及開 關(guān)損耗的主要原因。使用軟開關(guān)技術(shù)使開關(guān)管在零電壓、零電流時(shí)進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換可以有效地抑制電磁干擾。使用緩沖電路吸收開關(guān)管或高頻變壓器初級(jí)線圈兩端的尖 峰電壓也能有效地改善電磁兼容特性。
輸出整流二極管的反向恢復(fù)問題可以通過在輸出整流管上串聯(lián)一個(gè)飽和電感來抑制，如圖5所示，飽和電感Ls與二極管串聯(lián)工作。飽和電感的磁芯是用具有 矩形BH曲線的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一樣，這種磁芯做的電感有很高的磁導(dǎo)率，該種磁芯在BH曲線上擁有一段接近垂直的線性區(qū)并很容 易進(jìn)入飽和。實(shí)際使用中，在輸出整流二極管導(dǎo)通時(shí)，使飽和電感工作在飽和狀態(tài)下，相當(dāng)于一段導(dǎo)線；當(dāng)二極管關(guān)斷反向恢復(fù)時(shí)，使飽和電感工作在電感特性狀態(tài) 下，阻礙了反向恢復(fù)電流的大幅度變化，從而抑制了它對(duì)外部的干擾。
圖5 飽和電感在減小二極管反向恢復(fù)電流中的應(yīng)用
2.2 切斷電磁干擾傳輸途徑——共模、差模電源線濾波器設(shè)計(jì)
電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除，開關(guān)電源EMI濾 波器基本電路如圖6所示。一個(gè)合理有效的開關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對(duì)電源線上差模干擾和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。在圖6中CX1和CX2叫做差模電 容，L1叫做共模電感，CY1和CY2叫做共模電容。差模濾波元件和共模濾波元件分別對(duì)差模和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。
圖6 開關(guān)電源EMI濾波器
共模電感L1是在同一個(gè)磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個(gè)繞組構(gòu)成。通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高，但是繞線困難。當(dāng)市網(wǎng)工頻電流在兩個(gè)繞組中 流過時(shí)為一進(jìn)一出，產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好抵消，使得共模電感對(duì)市網(wǎng)工頻電流不起任何阻礙作用，可以無損耗地傳輸。如果市網(wǎng)中含有共模噪聲電流通過共模電感，這種 共模噪聲電流是同方向的，流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)同相疊加，使得共模電感對(duì)干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗，由此起到了抑制共模干擾的作用。L1的電感量與 EMI濾波器的額定電流I有關(guān)，具體關(guān)系參見表1所列。
表1 電感量范圍與額定電流的關(guān)系
實(shí)際使用共模電感兩個(gè)電感繞組由于繞制工藝的問題會(huì)存在電感差值，不過這種差值正好被利用作差模電感。所以，一般電路中不必再設(shè)置獨(dú)立的差模電感 了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構(gòu)成了一個(gè)∏型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。
除了共模電感以外，圖6中的電容CY1及CY2也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1 及CY2起作用。電容CY的選擇要根據(jù)實(shí)際情況來定，由于電容CY接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。計(jì)算電容 CY漏電流的公式是：
ID=2πfCYVCY ，式中：ID為漏電流；f為電網(wǎng)頻率。
一般裝設(shè)在可移動(dòng)設(shè)備上的濾波器，其交流漏電流應(yīng)<1mA；若為裝設(shè)在固定位置且接地的設(shè)備上的電源濾波器，其交流漏電流應(yīng)<3.5mA，醫(yī)療器材規(guī)定的漏電流更小。由于考慮到漏電流的安全規(guī)范，電容CY的大小受到了限制，一般為2.2～33nF。電容類型一般為瓷片 電容，使用中應(yīng)注意在高頻工作時(shí)電容器CY與引線電感的諧振效應(yīng)。
差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構(gòu)成，最簡(jiǎn)單的就是一只濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路（如圖6中電容CX1），只要電容選擇 適當(dāng)，就能對(duì)高頻干擾起到抑制作用。該電容對(duì)高頻干擾阻抗甚底，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過它，它對(duì)工頻信號(hào)的阻抗很高，故對(duì)工頻信號(hào)的傳輸毫無 影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值，只要滿足功率線路的耐壓等級(jí)，并能承受可預(yù)料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過 大，一般在0.01～0.1μF之間。電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。
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2.3 使用屏蔽降低電磁敏感設(shè)備的敏感性
抑制輻射噪聲的有效方法就是屏蔽?？梢杂脤?dǎo)電性能良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。為了防止變壓器的磁場(chǎng)泄露，使變壓器 初次級(jí)耦合良好，可以利用閉合磁環(huán)形成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就明顯比E型的小很多。開關(guān)電源的連接線，電源線都應(yīng)該使用具有屏蔽層的導(dǎo)線，盡量防止 外部干擾耦合到電路中?；蛘呤褂么胖?、磁環(huán)等EMC元件，濾除電源及信號(hào)線的高頻干擾，但是，要注意信號(hào)頻率不能受到EMC元件的干擾，也就是信號(hào)頻率要 在濾波器的通帶之內(nèi)。整個(gè)開關(guān)電源的外殼也需要有良好的屏蔽特性，接縫處要符合EMC規(guī)定的屏蔽要求。通過上述措施保證開關(guān)電源既不受外部電磁環(huán)境的干擾 也不會(huì)對(duì)外部電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。
3 汽車電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)
無論是汽車內(nèi)部還是外部的電磁干擾對(duì)車用電子設(shè)備尤其是車用ECU（電控單元）干擾都很大，這些電磁干擾會(huì)嚴(yán)重干擾汽車電子設(shè)備的工作性能。眾所周知，半導(dǎo)體元件對(duì)脈動(dòng)電壓非常敏感，當(dāng)瞬變電壓值超過其電壓值時(shí)，半導(dǎo)體元件會(huì)被擊穿而損壞，而脈沖信號(hào)一旦被ECU（電控單元）誤認(rèn)為輸入信號(hào)便會(huì)使電子設(shè)備做出錯(cuò)誤的判斷，以至產(chǎn)生故障。因此，為了防止異常現(xiàn)象發(fā)生且允許汽車電子設(shè)備在這種環(huán)境下正常工作，在現(xiàn)代汽車上采用一些防干擾方法，以保證車用電子設(shè)備的正常工作。
抗干擾的基本技術(shù)一是消除干擾源，二是防止干擾信號(hào)的串入。下面說明多種提高汽車電子設(shè)備抗干擾性能和抑制其產(chǎn)生電磁干擾的基本技術(shù)。
1）電路設(shè)計(jì)模塊化
在電路板設(shè)計(jì)中，根據(jù)電路在汽車上發(fā)揮的功能及位置的不同，將執(zhí)行器電路、傳感器電路、系統(tǒng)控制電路分開設(shè)計(jì)，形成不同的電路模塊，使不同模塊的電源、搭鐵（金屬車體）線分開，減少不應(yīng)有的耦合，提高絕緣阻抗。為避免干擾，應(yīng)先將電源（汽車在行駛過程中主要由發(fā)電機(jī)供電）傳輸?shù)礁鱾€(gè)模塊，而后分別進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓、供電。模塊中的數(shù)字搭鐵和模擬搭鐵分開，工作搭鐵和安全搭鐵一點(diǎn)連接。
2）阻尼電阻
在點(diǎn)火裝置的高壓電路中，串入阻尼電阻，削弱火花產(chǎn)生的干擾電磁波。阻尼電阻值越大，抑制效果越好。但阻尼電阻太大，又會(huì)減少火花塞電極間的火花能量。阻尼電阻一般用碳質(zhì)材料制成，電阻值約10-20 kll。阻尼電阻加在點(diǎn)火線圈端和火花塞接頭端。
3）并聯(lián)電容器
在可能產(chǎn)生火花處并聯(lián)電容器，如在調(diào)節(jié)器的“電池”接柱和“搭鐵”之間和發(fā)電機(jī)“電樞”接柱和“搭鐵”之間并聯(lián)0．2～0．8 的電容器；在水溫表和機(jī)油壓力表的傳感器觸點(diǎn)間并聯(lián)0．1～0．2 的電容器；在閃光繼電器和電喇叭的觸點(diǎn)處并聯(lián)0．5 F電容器等。
4）金屬屏蔽
發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)、火花塞等電器設(shè)備產(chǎn)生的火花，都能產(chǎn)生電磁波。屏蔽是抑制電磁波干擾的有效方法。屏蔽電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)，可選用銅、鋁、鋼等導(dǎo)電率高的材料作屏蔽體。當(dāng)屏蔽高頻磁場(chǎng)時(shí)應(yīng)選購導(dǎo)電率高的鋼、鋁等材料；屏蔽低頻磁場(chǎng)時(shí)，選購導(dǎo)磁率高的磁鋼、鈹莫合金、鐵等材料。為了有效發(fā)揮屏蔽體的屏蔽作用，還應(yīng)注意屏蔽體的有效搭鐵。汽車電器中的導(dǎo)線也用密織的金屬網(wǎng)或金屬導(dǎo)管套起來，并將其搭鐵。這樣就使這些電器因工作火花而發(fā)射的電磁波，在金屬屏蔽內(nèi)感應(yīng)寄生電流，產(chǎn)生焦耳熱而耗散，從而起到防干擾的作用。這種方法有較好的防干擾效果，但裝置復(fù)雜，成本高，并且會(huì)增大高壓電路的分布電容，干擾點(diǎn)火性能。因此，一般只用在特殊需要的汽車上。
5）感抗型高壓阻尼線
目前國內(nèi)外多采用高壓阻尼線，其線心是用牽0．1 rnlTl的鎳鉻鉬絲繞成，相當(dāng)于電感、電容及電阻三者的復(fù)合體，抑制效果比集中電阻的效果更好。
6）采用濾波器
濾波器主要抑制通過電路通路直接進(jìn)入的干擾，根據(jù)信號(hào)和干擾信號(hào)之間的頻率差別，可以采用不同性能的濾波器，抑制干擾信號(hào)，提高信噪比。
7）采用平衡技術(shù)
平衡技術(shù)是消除串音干擾的有效方法。信號(hào)的往復(fù)兩條線的電性（包括阻抗，分布電容等）相等時(shí)叫平衡。在汽車電路中，檢測(cè)信號(hào)的輸入、控制信號(hào)的輸出，特別是在時(shí)序信號(hào)傳輸中，通常采用雙絞線作為平衡線，雙絞線的螺距要小，長度要盡量短。
8）提高信號(hào)幅值
即提高信噪比，是抗干擾的重要方法。對(duì)于微弱的傳感器信號(hào)（如溫度信號(hào)、光電信號(hào)等），采用放大電路增大幅值，減小干擾。同時(shí)，為避免提高幅值的信號(hào)成為干擾源，應(yīng)采用平衡線傳輸。
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