淺析電源系統中電磁兼容熱點問題

吳明

【摘要】電子設備對電源線的干擾和電波動都十分敏感。為此，在國際和國內的基礎性抗擾度測試的系列標準中，有相當一部份都說到了要做電源線上的抗干擾試驗。而且有為數眾多的電子設備的行業標準和產品標準，把這些試驗列為要強制進行的測試項目。所有情況都表明了國際和國內對電源線的抗干擾試驗的重視程度。本文就在此基礎上，對電源系統中電磁兼容相關性問題作出一番探討。

【關鍵詞】電源;電磁兼容;干擾

一、電磁干擾方式

電源干擾的復雜性中眾多原因之一是包含了許多可變的因素。首先，電源干擾可以以“共模”或“差模”方式存在，這是根據電磁干擾噪聲對于電路作用的形態來進行劃分的。任何電路中都存在共模和差模電流。共模電流和差模電流都決定了傳播的電磁能量的大小。如果給定一對導線，一個返回參考平面，那么這兩種模式中的一種將會存在，通常是都存在的。一般來說，差分模式信號攜帶數據或有用信息;而共模信號是差分模式的負面效果，不包含有用信息，是輻射的主要來源，并且解決起來相當的麻煩。

1.差模信號

差模信號又稱為常模、串模、線間感應和對稱信號等，它在信號通路和返回通路中均存在，但彼此反相。在差模電流存在的條件下，由于輸入與輸出線路產生磁力線方向相反，產生的輻射將抵消。抵消差模輻射的設計和布線技術很容易在PCB中實現，所以差模信號不容易形成輻射干擾。

2.共模信號

共模信號又稱為對地感應信號或不對稱信號，純共模信號是在輸入通路和返回通路中都存在大小相等，相位差為零的電流。共模電流典型的發生條件是電流從導電平面內意料之外的通路流過，信號侵入輸入線路和返回路徑之間，電流在兩條線上各流過二分之一，以地為公共回路。由共模電流引起的輻射場的測量值是信號通路電流和返回通路上存在的電流產生的場的總和。由共模電流產生的輻射很難抑制，是EMI的主要來源。

共模輻射主要是由接地噪聲所造成的。除此之外，任何兩個裝置間連線因接地不良所形成的地端回路電流也會產生接地噪聲。接地噪聲使電路的一些接地部分的電壓比真實的參考地平面高，二者之間存在一個電壓差。這個電位差的能量可以直接經由PCB的I/O電纜或經由空氣傳送出去。通常，線路上干擾噪聲的差模分量和共模分量是同時存在的，而且由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會互相轉變。干擾在線路上經過長距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模分量的大，這是因為線間阻抗和線-地阻抗不同的緣故。另一方面，共模干擾的頻率一般分布在1MHz以上，因此共模干擾在線路上傳輸的同時，還會向鄰近空間輻射。電源線的輻射，特別是進入設備內部后的電源線輻射，可進一步耦合到信號電路去形成干擾，所以很難防范。而差模干擾的頻率相對較低，不易形成輻射。再加上在一般線路中，在對付差模干擾時已經有了不少措施，故由差模干擾引起設備誤動作的機會相對少些。因此，設備的敏感度問題大部分是由共模干擾引起的。

二、電磁干擾類型

造成電源干擾的復雜性的第二個原因是干擾表現的形式很多，從持續期很短的尖峰干擾直至電網完全失電。其中也包括了電壓的變化、頻率變化、波形失真、持續噪聲或雜波，以及瞬變等。我們根據國內外的抗擾度測試的一系列標準和實際應用中常常出現的問題，總結電源干擾的常見類型。

（1）失電

（2）頻率偏移

（3）電氣噪聲

（4）諧波失真

（5）瞬變

對應這些干擾類型，電磁兼容標準中涉及到電源的測試內容和要求也分為了交流電源和直流電源兩種類型的測試。對于直流的輸入和輸出電源線端口的抗擾度試驗包括：射頻傳導，共模調幅;浪涌線-地、線-線;電快速瞬變脈沖群電壓波動。對于交流輸入和輸出電源線端口的抗擾度試驗包括更多一些：射頻傳導，共模調幅;電壓跌落;電壓中斷;浪涌線-地、線-線;電快速瞬變脈沖群;電壓波動;低頻諧波。歸納起來就包含了除靜電放電試驗之外所有的產品抗擾度試驗。靜電放電試驗主要是測試電力電子產品中所有可以被人所接觸的外部機殼的靜電放電情況。對于電源線并沒有測試要求。但實際上靜電放電所產生的瞬態電壓和電流以及緊隨其后的電磁場變化，對電源系統都是有較大影響的，人體產生的靜電放電，會有許多不同的電流脈沖，電流波形的上升時間在100ps至30ns之間。這樣會產生豐富的高頻輻射諧波。其極強的電壓足以對電源系統的穩定構成威脅。所有我們還是要在電源設計中考慮靜電放電的問題的。

三、電磁干擾的途徑

從電磁兼容標準來說，電磁干擾基本上被分成了傳導噪聲和輻射噪聲。這也是從干擾途徑上的直觀分類，一種直接的接觸性的干擾，一種是非接觸性。傳導噪聲，通過在同一工頻線路的各種設備間，而傳遞的干擾。此時的頻率范圍，是30MHz以下的頻率范圍為對象。因此范圍內的頻率波長較長，不易成為向空中輻射的電波，故可通過工頻電源線路上的電壓測定，評估其傳導噪聲干擾的大小。此項傳導噪聲又可稱為端子噪聲。此項傳導噪聲，對收音機頻率極易產生干擾，尤其適用525-1605kHz頻帶的AM收音機，最易產生干擾。輻射噪聲的對象頻率，基本是在30MHz以上。因30MHz以上頻率的波長較短，故其電波容易向空中輻射。因此，可直接進行空中傳播噪聲的測定，藉以評估噪聲的大小。與測定輻射噪聲，直接測定輻射與空中噪聲的電場強度（dBuV/m），予以評估即可。輻射噪聲是以電磁波形態輻射于空中，經常侵入家用電子設備內而成為TV圖像上的或FM收音機內的噪聲干擾。電磁干擾就其實際作用于電路的機理四種傳輸方式：傳導耦合，電磁場耦合，磁場耦合和電場耦合。如果噪聲耦合方式可以確定的話，就可以采用一種合理的解決方案來降低耦合。一般，對于傳導耦合，就要靠濾波來減少噪聲干擾;對于后三種的耦合方式，就要避免出現這些電磁通路，通過屏蔽、隔離等方式阻礙電磁輻射的傳輸。當處理輻射問題時，最普遍的規則是：頻率越高，輻射耦合的幾率就越高;頻率越低，傳導耦合的幾率就越高。

電源系統的電磁兼容性問題是非常復雜，所以使得電源系統的電磁兼容往往不容易實現。只有對電磁干擾了解分析的比較透徹，才可能比較經濟有效的消除電磁干擾，不然我們只有靠對各種電磁干擾抑制措施的堆積來達到有效消除電磁干擾的目的了。

參考文獻

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