电磁兼容技术及其在电源设计中的应用

梁伟中

（深圳信息职业技术学院国有资产管理处，广东 深圳 518172）

电磁兼容技术及其在电源设计中的应用

梁伟中

（深圳信息职业技术学院国有资产管理处，广东 深圳 518172）

电子设备与系统良好的电磁兼容性是通过科学合理的电磁兼容设计与制造获得，并通过及时有效的电磁兼容维护得以保持。本文以一个应用实例为基础，研究电磁兼容技术和方法，探讨系统设计与实现方案，提高整个电源系统的抗干扰能力。

电磁兼容性；设计；维护；电源系统

引言

电子技术的高速发展和电子产品的广泛应用是当今时代的一个重要特征。随着现代科学技术的高速发展，电子线路和设备数量级增长，电磁环境呈现不断恶化的态势，带来许多不可靠因素。在电子设备和系统的设计中，电磁兼容设计已经成为电子产品设计中的关键项目。

1 电磁兼容简介

国家标准GB/T4765-1995《电磁兼容术语》对“电磁兼容”的定义是“设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。它包含两个方面含义，即设备或系统在工作中产生的电磁辐射要限制在一定水平内，不产生超过规定限度的电磁干扰Electromagnetic Interference（EMI），另外一方面体现设备或系统的电磁敏感Electromagnetic Sensibility（EMS）特性，即不受其他设备的电磁干扰。上述可以简单理解为设备或系统不会相互干扰影响各自正常工作，在一个相对苛刻甚至相互矛盾的环境下，找到一个能同时完成各自功能且共存的状态[1]。

实施设备或系统的电磁兼容性设计和维护，具有内在和外在的必要性。系统和产品的电磁兼容性必须在其设计阶段就予以重视，作为一项衡量电子产品安全和技术重要指标来考虑，并且从研发阶段开始，始终贯彻在其研发、测试、使用和维护的整个生命周期过程中。设备和系统在实际环境很难做到与当初的假定设想的完全一致，因此需在使用阶段对其进行电磁兼容管理维护，以解决由于当时产品设计或使用不当所引起的电磁不兼容问题[2]。由此可见产品的电磁兼容性除保证产品本身的可靠性和提高其生存能力，还对保护环境和人民生命财产安全有着重要作用。

电磁兼容问题主要由以下三个因素引起的：（1）干扰源：产生干扰的元器件、设备或系统；（2）耦合路径：能够把干扰能量从干扰源耦合到敏感设备内的通路；（3）敏感设备：对电磁干扰产生影响的电路或设备[3]。

控制干扰源的电磁干扰、抑制电磁干扰传播路径以及增强敏感设备的抗干扰能力，电磁兼容技术就是围绕着上述三个要素展开的，消除其中一个因素就能解决电磁兼容问题，如下图1所示。由此可见，电磁兼容的本质就是抗干扰问题。

图1 电源电磁干扰的传输路径Fig.1 Way of EMI transmission

2 电磁兼容性设计技术

电磁兼容性设计的基本方法——“电磁兼容分层与综合设计法”，在进行电磁兼容设计时，根据有关标准把整体电磁兼容性指标逐级分配到各功能块上，包括元件级、部件级、电路级、模块级和集成系统级等，然后，再按照要实现的功能和电磁兼容性指标加以综合分析，进行适当的电磁兼容性设计。

常用的电磁兼容性设计主要有接地设计，屏蔽设计和滤波设计[4]。下面简要介绍一些电磁兼容设计的方法及注意事项。

2.1 接地设计技术

接地设计首要目的是保证人员安全，通过给设备或系统提供一个参考零电点或面的基准，为电流流回源提供一条低阻抗路径，从而使设备或系统工作达到一个稳定的状态，起到抑制电磁干扰的效果。

接地分为信号接地和设备接地两大类。信号接地是信号电路的电线或有信号电流流通的地线，它有四种方式，即单点接地、多点接地、混合接地、悬浮接地[3]；设备接地是保证用电安全，为雷击电流或静电电流提供泄放路径，从而提高设备抗干扰性，设备接地可以分为设备安全接地、防雷接地和接零保护接地。

2.2 屏蔽设计技术

屏蔽技术是利用屏蔽体对电磁能流的发射、吸收和引导作用，“切断”高频电磁场干扰源至器件或设备的传输路径，减少回路间的电磁场感应的影响和干扰源和敏感器之间的分布电容，从而达到消除或减弱干扰源对其它器件或设备不良影响的效果，抑制电磁辐射干扰，它有三种方式，即电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽[3]。

2.3 滤波设计技术

滤波器用途在于对信号进行选择和抑制，利用感性和容性器件的频率响应原理，将噪声干扰衰减到一定水平，使工作频率信号通过，同时能衰减进入和出自设备的电磁干扰信号。按频率特性，滤波器可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

电磁骚扰滤波器（EMI电源滤波器）是抑制电磁传导干扰极有效的器件，它包括信号滤波器和电源线滤波器，对电源线上共模不对称EMI骚扰和差模对称EMI骚扰都有抑制作用。

3 电磁兼容性电源应用实例

提高电源线上的抗干扰能力是整体提高电子设备或系统抗扰度的一个重要方法，这是因为电子设备对电源线的干扰和电压波动十分敏感，下面以某家用型臭氧治疗仪中电源电路设计为实例，简要介绍电磁兼容性中滤波、屏蔽和接地技术在电源电路设计中的应用。

该治疗仪系统主要有单片机控制单元模块、电源电路模块、臭氧发生器模块、气源流量控制管路和键盘输入模块等组成。系统结构设计如图2所示。

图2 家用臭氧治疗仪系统结构图Fig.2 Structune of Ozone Medical Apparatus

臭氧发生器模块是通过电源电压升至高压后接臭氧发生管，再经过电晕放电，从而产生臭氧。因此，设备自身的高压干扰会传导耦合到整个系统电源，干扰单片机控制模块，影响整个系统的正常工作；由于该产品定位为家用型，外观设计小巧方便，治疗仪内部空间狭小、布线难度大，因此对整体的电磁兼容性设计提出了更高的要求。为此，本文在此设计出一种采用滤波、屏蔽和接地技术的电源设计电路，如下图3所示。

图3 系统电源电路图Fig.3 Schematic circuit diagram of system power

在现今电器网络中，各类设备的开关操作或者雷击放电产生的电涌电压都会对电气电子设备产生冲击。因此，在交流电源进线处，我们首先设置一个带防浪涌的EMI电源滤波器，利用三个压敏电阻把浪涌电压波钳位在压敏电阻附近，从而把浪涌电压旁路掉。电感（L1，L2）和电容（C1,C2,C3）等器件组成低通滤波器电路，用来抑制电源线上不对称共模EMI骚扰，同时，L1和L2组成的共模电感，能对共模电流起到抑制作用。因此上述的设计电路能有效地利用压敏电阻、电源滤波器抑制浪涌电压冲击和高频率电磁波的干扰，达到电磁兼容的目的。

在本系统电源电路设计中，为了更好地解决电路环流在公共阻抗上产生的电压变化对敏感设备带来的干扰，系统采用了隔离变压器用以解决设备间的电气隔离问题，其原理如下图4所示。隔离表压器把电网设备与用电设备相隔离，以达到稳定电压、隔离谐波以及保护人身安全的作用。

图4 带屏蔽体隔离变压器原理图Fig.4 The Schematic Diagram of Isolation Transformer

4 结论

电磁骚扰源的抑制技术与提高抗扰度的设计具有互易性，例如电源滤波器不仅是抑制电气、电子设备或者系统自身的电磁骚扰源，同样对电磁环境中的电磁骚扰提供阻抗的通路，从而提高了设备或系统的抗骚扰能力。

本电源电路设计结合利用了电源EMI滤波器的双向特性和带电屏蔽隔离变压器的屏蔽隔离作用[5]，使交流电流经过滤波、整流电路后的直流电源更加纯正，这对后面直流电路中的单片机控制单元的运行稳定有很大作用，并且电源EMI滤波器还通过安全接地方法，将干扰旁路到电源地线上，使系统进一步提高整体抗干扰能力和安全稳定性。

[1]何惠森.基于AC-DC开关电源系统的电磁兼容设计及稳定性研究[D].陕西：西安电子科技大学，2012.HE Huisen.Study of EMC and Stability for AC-DC Switch Power Supply System[D].Shan xi:XIDIAN University,2012(in chinese)

[2]李高升.电子信息系统电磁兼容维护关键技术研究[D].长沙: 国防科学技术大学,2013 LI gaosheng.Investigation on Key T echniques of Electromagnetic Compatibility Maintenance for Electronic Information Systems[D].Changshan: Graduate School of National University of Defense Technolog,2013(in chinese)

[3]杨继深.电磁兼容技术[M].北京: 电子工业出版社.2005 YANGjishen.Electromagnetic Compatibility[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry.2005(in chinese)

[4]贾俊.高速互连设计中的信号完整性和电磁兼容性研究[D].武汉: 武汉大学,2004 JIA Jun.Research of Signal Integrity and Electromagnetic Compatibility in High Speed Interconnect Design[D].Wuhan: WUHAN University,2004(in chinese)

[5]谢勇.家电等产品EMC检测认证及整改对策的工程应用[D].广州: 华南理工大学大学,2014 XIE yong.EMC Testing,Certification and Modification for Household Appliances Etc[D].Guangz hou:South China University of Technology.2014(in chinese)

【责任编辑：高潮】

Application of Electromagnetic Compatibility Technology in Power Supply

LIANG Weizhong
（Section of State-owned Assets Management Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,China）

State of Electromagnetic Compatibility(EMC) of electronics equipments and systems is achieved via scientific and appropriate EMC design and fabrication,and is kept by timely and effective EMC maintenance.Based on an application example,this paper studies EMC technology and method,discusses the design and implementation of the system,and improves the anti-interference ability of the whole power supply system.

electromagnetic compatibility(EMC); design; maintenance; power system

TN03,TN86

A

1672-6332（2017）03-0032-03

2017-10-19

梁伟中（1982-），男（汉），广东肇庆人，讲师，硕士，主要研究方向：电子技术。E-mail:23066464@qq.com