浅析电源系统中电磁兼容热点问题

吴明

【摘要】电子设备对电源线的干扰和电波动都十分敏感。为此，在国际和国内的基础性抗扰度测试的系列标准中，有相当一部份都说到了要做电源线上的抗干扰试验。而且有为数众多的电子设备的行业标准和产品标准，把这些试验列为要强制进行的测试项目。所有情况都表明了国际和国内对电源线的抗干扰试验的重视程度。本文就在此基础上，对电源系统中电磁兼容相关性问题作出一番探讨。

【关键词】电源;电磁兼容;干扰

一、电磁干扰方式

电源干扰的复杂性中众多原因之一是包含了许多可变的因素。首先，电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在，这是根据电磁干扰噪声对于电路作用的形态来进行划分的。任何电路中都存在共模和差模电流。共模电流和差模电流都决定了传播的电磁能量的大小。如果给定一对导线，一个返回参考平面，那么这两种模式中的一种将会存在，通常是都存在的。一般来说，差分模式信号携带数据或有用信息;而共模信号是差分模式的负面效果，不包含有用信息，是辐射的主要来源，并且解决起来相当的麻烦。

1.差模信号

差模信号又称为常模、串模、线间感应和对称信号等，它在信号通路和返回通路中均存在，但彼此反相。在差模电流存在的条件下，由于输入与输出线路产生磁力线方向相反，产生的辐射将抵消。抵消差模辐射的设计和布线技术很容易在PCB中实现，所以差模信号不容易形成辐射干扰。

2.共模信号

共模信号又称为对地感应信号或不对称信号，纯共模信号是在输入通路和返回通路中都存在大小相等，相位差为零的电流。共模电流典型的发生条件是电流从导电平面内意料之外的通路流过，信号侵入输入线路和返回路径之间，电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路。由共模电流引起的辐射场的测量值是信号通路电流和返回通路上存在的电流产生的场的总和。由共模电流产生的辐射很难抑制，是EMI的主要来源。

共模辐射主要是由接地噪声所造成的。除此之外，任何两个装置间连线因接地不良所形成的地端回路电流也会产生接地噪声。接地噪声使电路的一些接地部分的电压比真实的参考地平面高，二者之间存在一个电压差。这个电位差的能量可以直接经由PCB的I/O电缆或经由空气传送出去。通常，线路上干扰噪声的差模分量和共模分量是同时存在的，而且由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变。干扰在线路上经过长距离传输后，差模分量的衰减要比共模分量的大，这是因为线间阻抗和线-地阻抗不同的缘故。另一方面，共模干扰的频率一般分布在1MHz以上，因此共模干扰在线路上传输的同时，还会向邻近空间辐射。电源线的辐射，特别是进入设备内部后的电源线辐射，可进一步耦合到信号电路去形成干扰，所以很难防范。而差模干扰的频率相对较低，不易形成辐射。再加上在一般线路中，在对付差模干扰时已经有了不少措施，故由差模干扰引起设备误动作的机会相对少些。因此，设备的敏感度问题大部分是由共模干扰引起的。

二、电磁干扰类型

造成电源干扰的复杂性的第二个原因是干扰表现的形式很多，从持续期很短的尖峰干扰直至电网完全失电。其中也包括了电压的变化、频率变化、波形失真、持续噪声或杂波，以及瞬变等。我们根据国内外的抗扰度测试的一系列标准和实际应用中常常出现的问题，总结电源干扰的常见类型。

（1）失电

（2）频率偏移

（3）电气噪声

（4）谐波失真

（5）瞬变

对应这些干扰类型，电磁兼容标准中涉及到电源的测试内容和要求也分为了交流电源和直流电源两种类型的测试。对于直流的输入和输出电源线端口的抗扰度试验包括：射频传导，共模调幅;浪涌线-地、线-线;电快速瞬变脉冲群电压波动。对于交流输入和输出电源线端口的抗扰度试验包括更多一些：射频传导，共模调幅;电压跌落;电压中断;浪涌线-地、线-线;电快速瞬变脉冲群;电压波动;低频谐波。归纳起来就包含了除静电放电试验之外所有的产品抗扰度试验。静电放电试验主要是测试电力电子产品中所有可以被人所接触的外部机壳的静电放电情况。对于电源线并没有测试要求。但实际上静电放电所产生的瞬态电压和电流以及紧随其后的电磁场变化，对电源系统都是有较大影响的，人体产生的静电放电，会有许多不同的电流脉冲，电流波形的上升时间在100ps至30ns之间。这样会产生丰富的高频辐射谐波。其极强的电压足以对电源系统的稳定构成威胁。所有我们还是要在电源设计中考虑静电放电的问题的。

三、电磁干扰的途径

从电磁兼容标准来说，电磁干扰基本上被分成了传导噪声和辐射噪声。这也是从干扰途径上的直观分类，一种直接的接触性的干扰，一种是非接触性。传导噪声，通过在同一工频线路的各种设备间，而传递的干扰。此时的频率范围，是30MHz以下的频率范围为对象。因此范围内的频率波长较长，不易成为向空中辐射的电波，故可通过工频电源线路上的电压测定，评估其传导噪声干扰的大小。此项传导噪声又可称为端子噪声。此项传导噪声，对收音机频率极易产生干扰，尤其适用525-1605kHz频带的AM收音机，最易产生干扰。辐射噪声的对象频率，基本是在30MHz以上。因30MHz以上频率的波长较短，故其电波容易向空中辐射。因此，可直接进行空中传播噪声的测定，藉以评估噪聲的大小。与测定辐射噪声，直接测定辐射与空中噪声的电场强度（dBuV/m），予以评估即可。辐射噪声是以电磁波形态辐射于空中，经常侵入家用电子设备内而成为TV图像上的或FM收音机内的噪声干扰。电磁干扰就其实际作用于电路的机理四种传输方式：传导耦合，电磁场耦合，磁场耦合和电场耦合。如果噪声耦合方式可以确定的话，就可以采用一种合理的解决方案来降低耦合。一般，对于传导耦合，就要靠滤波来减少噪声干扰;对于后三种的耦合方式，就要避免出现这些电磁通路，通过屏蔽、隔离等方式阻碍电磁辐射的传输。当处理辐射问题时，最普遍的规则是：频率越高，辐射耦合的几率就越高;频率越低，传导耦合的几率就越高。

电源系统的电磁兼容性问题是非常复杂，所以使得电源系统的电磁兼容往往不容易实现。只有对电磁干扰了解分析的比较透彻，才可能比较经济有效的消除电磁干扰，不然我们只有靠对各种电磁干扰抑制措施的堆积来达到有效消除电磁干扰的目的了。

参考文献

[1]肖雳.电磁兼容标准与认证[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.1.

[2]伦德全.电路板级的电磁兼容设计[M].北京：机械工业出版社，2007.8.