- 電磁兼容概念介紹
- 通過舉例對開關電源的電磁兼容設計，介紹了一般電子產品中電磁干擾的解決方法
- 開關電源電路和數字電路中的時鐘電路是目前電子產品中最主要的電磁干擾源
- 解決整流電路中出現脈沖尖峰電流過大的方法是在整流電路中串聯一個PFC
- 用差模濾波電感器可以有效地抑制脈沖電流的峰值，從而降低電流諧波干擾，但不能提高功率因素
正文：
一個好的電子產品，除了產品自身的功能以外，電路設計（ECD）和電磁兼容設計（EMCD）的技術水平，對產品的質量和技術性能指標起到非常關鍵的作用。
現代的電子產品，功能越來越強大，電子線路也越來越復雜，以前在電子線路設計中很少出現的電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）問題，現在反而變成了主要問題，電路設計對設計師的技術水平要求也越來越高。CAD（計算機輔助設計）在電子線路設計方面的應用，很大程度地拓寬了電路設計師的工作能力，但電磁兼容設計，盡管目前采用了世界上最先進的CAD技術，還是很難幫得上忙。
電磁兼容設計實際上就是針對電子產品中產生的電磁干擾（Electromagnetic Interference）進行優化設計，使之能成為符合各國或地區電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）標準的產品。EMC 的定義是：在同一電磁環境中，設備能夠不因為其它設備的干擾影響正常工作，同時也不對其它設備產生影響工作的干擾。
電磁干擾（Electromagnetic Interference）一般都分為兩種，傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合（干擾）到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網絡。因此對EMC 問題的研究就是對干擾源、耦合途徑、敏感設備三者之間關系的研究。
自從電子系統降噪技術在70 年代中期出現以來，主要由于美國聯邦通訊委員會在1990 年和歐盟在1992 提出了對商業數碼產品的有關規章，這些規章要求各個公司確保它們的產品符合嚴格的磁化系數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）。目前全球各地區基本都設置了EMC 相應的市場準入認證，用以保護本地區的電磁環境和本土產品的競爭優勢。如：北美的FCC、NEBC認證、歐盟的CE 認證、日本的VCCEI認證、澳洲的C-tick 人證、臺灣地區的BSMI認證、中國的3C 認證等都是進入這些市場的“通行證”。
很多人從事電子線路設計的時候，都是從認識電子元器件開始，但從事電磁兼容設計的時候卻無從下手。實際上從事電磁兼容設計是從電磁場理論開始，即從電磁感應認識開始。
電磁感應與電磁干擾
一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、有源器件和導線組成，當電路中有電壓存在的時候，在所有帶電的元器件周圍都會產生電場，當電路中有電流流過的時候，在所有載流體的周圍都存在磁場。
電容器是電場最集中的元件，流過電容器的電流是位移電流，這個位移電流是由于電容器的兩個極板帶電，并在兩個極板之間產生電場，通過電場感應，兩個極板會產生充放電，形成位移電流。實際上電容器回路中的電流并沒有真正流過電容器，而只是對電容器進行充放電。當電容器的兩個極板張開時，我們就可以把兩個極板看成是一組電場輻射天線，此時在兩個極板之間的電路都會對極板之間的電場產生感應。在兩極板之間的電路不管是閉合回路，或者是開路，在與電場方向一致的導體中都會產生位移電流（當電場的方向不斷改變時），即電流一會兒向前跑，一會兒向后跑。
電場強度的定義是電位梯度，即兩點之間的電位差與距離之比。一根數米長的導線，當其流過數安培的電流時，其兩端電壓最多也只有零點幾伏，即幾十毫伏/米的電場強度，就可以在導體內產生數安培的電流，可見電場作用效力之大，其干擾能力之強。
電感器和變壓器是磁場最集中的元件，流過變壓器次級線圈的電流是感應電流，這個感應電流是因為變壓器初級線圈中有電流流過時，產生磁感應而產生的。在電感器和變壓器周邊的電路，都可看成是一個“變壓器”的感應線圈，當電感器和變壓器漏感產生的磁力線穿過某個電路時，此電路作為“變壓器”的“次級線圈”就會產生感應電流。兩個相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個回路看成是“變壓器”的“初級線圈”，而另一個回路可以看成是“變壓器”的“次級線圈”，因此兩個相鄰回路同樣產生電磁感應，即互相產生干擾。
在電子線路中只要有電場或磁場存在，就會產生電磁干擾（Electromagnetic Interference），兩者是相輔相成的，因為電場會產生位移電流，電流又會產生磁場。在高速PCB及系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源，能發射電磁波并影響其他系統或本系統內其他子系統的正常工作。
電磁兼容設計
目前大多數電子產品都選用開關電源供電，以節省能源和提高工作效率；同時越來越多的產品也都含有數字電路，以提供更多的應用功能。開關電源電路和數字電路中的時鐘電路是目前電子產品中最主要的電磁干擾源，它們是電磁兼容設計的主要內容。下面我們以一個開關電源的電磁兼容設計過程來進行分析。
圖1 是一個普遍應用的反激式（或稱為回掃式）開關電源工作原理圖，50Hz 或60Hz 交流電網電壓首先經整流堆整流，并向儲能濾波電容器C5 充電，然后向變壓器T1與開關管V1組成的負載回路供電。圖2 是進行過電磁兼容設計后的電原理圖。
a.對電流諧波的抑制
一般電容器C5 的容量很大，其兩端電壓紋波很小，大約只有輸入電壓的10%左右，而僅當輸入電壓Ui大于電容器C5 兩端電壓的時候，整流二極管才導通，因此在輸入電壓的一個周期內，整流二極管的導通時間很短，即導通角很小。這樣整流電路中將出現脈沖尖峰電流，如圖3 所示。
這種脈沖尖峰電流如用付立葉級數展開，將被看成由非常多的高次諧波電流組成，這些諧波電流將會降低電源設備的使用效率，即功率因數很低，并會倒灌到電網，對電網產生污染，嚴重時還會引起電網頻率的波動，即交流電源閃爍。脈沖電流諧波和交流電源閃爍測試標準為：IEC61000-3-2及IEC61000-3-3。一般測試脈沖電流諧波的上限是40 次諧波頻率。
解決整流電路中出現脈沖尖峰電流過大的方法是在整流電路中串聯一個PFC（Power Factor corrector）功率因素矯正電路，或差模濾波電感器。PFC 功率因素矯正電路一般為一個并聯式升壓開關電源，其輸出電壓一般為DC400V，沒有經功率因素矯正之前的電源設備，其功率因數一般只有0.4~0.6，經功率因素矯正后功率因數最高可達到0.98。功率因素矯正電路雖然可以完全解決整流電路中出現脈沖尖峰電流過大的問題，但又會帶來新的高頻干擾問題，這同樣也要進行嚴格的EMC 電磁兼容設計。用差模濾波電感器可以有效地抑制脈沖電流的峰值，從而降低電流諧波干擾，但不能提高功率因素。
圖2 中的L1 為差模濾波電感器，差模濾波電感器一般用矽鋼片材料制作，以提高電感量，為了防止大電流流過差模濾波電感器時產生磁飽和，一般差模濾波電感器的兩個組線圈都各自留有一個漏感磁回路。
L1 差模濾波電感可根據試驗求得，也可以根據下式進行計算：
式中E為輸入電壓Ui與電容器C5 兩端電壓的差值，即L1 兩端的電壓降，L為電感量，dt/di 為電流上升率。顯然要求電流上升率越小，則要求電感量就越大。
