电子电路电磁抗干扰能力（EMS）的研究

吴秋杰

（市光法雷奥（佛山）汽车照明系统有限公司，广东 佛山 528000）

0 引 言

电路设计中，技术上通常需要解决三大问题：电子元器件散热问题、可靠性问题以及印刷电路板的布线空间问题。电磁兼容问题是电路可靠性问题的一个重要组成部分。电磁兼容又分为电磁干扰（EMI）和电磁耐受（EMS）。电磁耐受是考查电子电路在受到不同干扰情况下的可靠性情况。提高电子产品的电磁耐受能力，通常有两种途径：一是减少电子产品接收到的电磁干扰；二是提高产品控制系统的稳定性。下面将从这两个方面展开讨论。

1 电磁干扰的产生

首先介绍迈克尔-法拉第电磁感应定律[1]。当变化的闭合电路的磁通量发生变化时，闭合电路中就有电流产生，有：

其中ε为感应电动势，ΦB为磁通量，B为磁感应强度，S为垂直通过磁通量的面积，Δi为感应电流元。在实际产品设计中，有些感应电流是有用的，如变压器初、次级能量的转递，没有这个感应电流就不可能实现变压器初、次级能量的传递[3]；而有些感应电流则是有害的，如电子产品接收到的电磁干扰绝大多数是有害的，会对电路的稳定性和可靠性构成严重威胁，导致产品出现工作异常。由图1可知，当有变化磁场通过电路板上大大小小的闭合环路面积元时，这些大小不等的闭合环路将产生大小不等的感应电流元Δi，感应电流Δi就是电磁干扰。当干扰的磁场一定的情况下，感应电动势与电路中闭合的回路面积成正比关系。闭合回路的面积越大，感应电动势越大；反之，则越小。对于确定的回路，感应电流i越大，电路所受到的电磁干扰越大。因此，实际产品设计中，应该尽量减少线路环路的面积，尽可能减少产品环路上的感应电流，从而将电路受到的电磁干扰减到最少。

图1 电磁干扰产生过程

2 环路稳定性判据

要考察某产品能否经得住各种电磁干扰的考验，最主要是考查该产品电路中的环路是否可靠。也就是说，要考查电路中的控制环路的稳定性。电路的环路稳定性又将很大程度地决定电路的电磁抗干扰能力。因此，在验证电路的电磁抗干扰能力时，一定要看控制环路是否稳定。根据系统稳定性理论，在复平面中[5]，若电路注入的干扰为r(t)，那么应有：

如图2所示，当σ＞0时，因为量值r(t)会无限增长，所以环路将出现不稳定。

如图3所示，当σ=0时，因为量值r(t)虽不会无限增长，但也不会收敛到0，环路临界稳定。

如图4所示，当σ＜0时，因为量值r(t)随着t趋向无穷大减小为0，环路响应减小到0，因而环路是稳定的。

图2 不稳定的系统图示

图3 临界稳定系统图示

图4 稳定系统图示

因此，要看一个环路是否稳定，关键是看极点是落在复坐标的左边还是右边。如果极点位于复平面的左边，环路是稳定的；如果极点心位于右半平面环路，则是不稳定的。

工程上，通常用相位和增益来量化和判断环路的稳定性[6]。同时定义：

（2）当增益Gv=0时，环路的相移余量Δφ要大于45°。

同时满足上面条件时，则认为产品的控制环路是稳定和可靠的。以上就是工程上判断产品工作稳定性的方法之一。

3 应用实例分析

图5为某高位刹车灯三极管恒流电路[4]。由于布局限制，控制三极管Q1、Q2和Q3不能同时先靠得很近，导致其环路面积很大，容易受到电磁干扰而造成整个环路的不稳定。

用示波器监测发现，输出电流出现掉落情况，说明电路板受到电磁干扰，环路不稳定，测试不能通过。为了减少环路面积，增加一个控制三极管Q4，使三极管Q2和Q3分开控制。如图6所示，可通过使Q1和Q2分别与Q3与Q4靠近，从而减少环路1和环路2的控制面积，从源头上减少耦合到电路板上的电磁干扰，增强环路的可靠性。

图5 高位刹车灯电路及布线情况

图6 调整后的电路

上面是环路大小允许改变的情况下提高电磁抗干扰能力的方法。在大多数设计中，由于客观因素的制约，控制环路大小多是不能随意改动的。如图7所示，某远光灯的BUCK方案。做RI测试时发现，产品在2.7～3G频段出现闪烁现象，用光电探头监测可见该频段有明显的震荡现象。由于干扰源是空间干扰，电磁干扰从任何环路进入产品都是有可能的。依据系统稳定性理论，如果系统是稳定的，那么在施加干扰的情况下随着时间的推移环路的响应必将减少为零。因此，在反馈回路上的芯片U1的CS脚及Q1同时直接施加一定的频率干扰时。通过监测发现，输出电压及反馈同时出现掉落现象，说明可能有高频干扰通过环路进入控制芯片造成芯片的工作不稳定。由于结构的关系，环路大小不能改变，只能通过其他方法去掉干扰。于是，尝试在靠近芯片U1的CS脚处增加了一个大小为10 nF的高频滤波电容，使电磁干扰在进入芯片前被清除。

图7 产品的电磁干扰走向分析

在对产品进行改动后，产品震荡不再出现，顺利通过了测试，证实了电磁干扰在进入环路后其传播路径的正确性。

4 结 论

提高电子产品EMS的方法还有很多，如在敏感电路模块加金属屏蔽罩的方法[2]，也是一种非常有效解决EMS的方法之一。但是，通过“减少控制环路面积”和“增强控制环路的稳定性”的方法是性价比最高的、较为廉价的两种方法，为工程师在今后进行电子产品设计提供了明确的方向和方法指导，从而可将电磁干扰问题解决在设计早期，从源头上减少EMS的问题发生率，提高产品的可靠性和稳定性，降低产品的设计成本投入，提高其经济效益。