家用電器印制電路板輻射騷擾抑制問題的研究

張衛

摘? 要：隨著人們生活水平的不斷提升，對家用電器的功能需求也變得更加復雜，而相關電子科技和高集成度的技術也被充分應用到了家用電器當中，從而全面提升了家用電器設備的穩定性、安全性和兼容性。但同時隨著人們對家用電器要求的不斷升高，也產生了相關問題，進而對家用電器系統的硬件帶來了一定的挑戰，內嵌式家用電器中高速電路的電磁兼容性設計，成為了系統設計當中的重要內容。文章主要針對電子家用電器印刷電路板輻射騷擾抑制問題進行研究，探討了其電磁干擾和途徑以及空間輻射EMI的原理以及具體的生成模式，并分析了PCB的EMI干擾，提出具體的抑制措施，希望能夠為相關工作人員起到一些參考作用。

關鍵詞：家用電器;印制電路板;輻射騷擾抑制問題

中圖分類號：TN41 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0051-02

Abstract： With the continuous improvement of people's living standards， the functional requirements of household appliances have become more complex， and relevant electronic technologies and highly integrated technologies have also been fully applied to household appliances， thus comprehensively improving the stability， safety and compatibility of household appliances. But at the same time， with the increasing requirements for household appliances， there are related problems， which bring some challenges to the hardware of household electrical appliances system. The electromagnetic compatibility design of high-speed circuits in embedded household appliances has become an important part of the system design. This paper mainly studies the suppression of radiated disturbance of printed circuit boards of electronic household appliances， discusses its electromagnetic interference and ways， as well as the principle and specific generation mode of space radiation EMI， analyzes the EMI interference of PCB， and puts forward specific suppression measures， so as to provide some reference for relevant staff.

Keywords： household appliances; printed circuit board; radiation disturbance suppression

引言

為了有效防止電子設備之間的相互干擾，國外一些國家和地區均已強制實施了產品電磁兼容性的進口標準，例如歐盟在1989年便強制執行了相關指令，規定電器和電子產品需要符合其標準才能夠在歐盟市場進行銷售，而違反者將會被責令收回，并進行著重處罰。而美國聯邦通訊委員會也頒布了相關法規，針對該方面的管理，對通訊發射機、接收機、電視機等作出了相應的法規要求，如果想在美國出口相關設備則必須要獲得某種形式的認可，否則將會觸犯美國的法律。我國雖然相關主管部門并未形成完整的產品質量監管體系，但對于一些具有重大關系的電子產品也都強制執行了相關標準，以家用電器為例，我國也強制出臺了相關執行標準，并將此類產品的電池兼容性問題進行了強調，使相關產品生產者和使用者能夠對其產生正確的認識[1]。

1 研究背景與意義

我國對于電磁兼容理論和相關技術的研究和其他國家比起來相對比較晚，是一直到上世紀80年代才針對電子設備的EMS問題出臺了相關強制性的法規和條款，而且宣布一些在國內進行生產和銷售的電子設備必須要獲得相關認證之后才能夠被允許銷售。而我國在加入WTO后，對各個行業的相關產品所具有的電磁兼容性也提出了更高的要求，同時也力求和國際進行接軌，更新了相關標準，目前所使用的電磁兼容標準系列與當時在等級和實驗等方法上都有了更新。而目前家用電器的相關執行標準雖然也采用了CLSPR的標準，但其早期版本從發布到執行在內，并沒有對家用電器形成規范化的管理制度，相關企業在產品設計時往往更加強調產品的功能和是否能夠滿足市場的需求，這也導致當產品無法通過標準測試時，需要進行重新設計，進而增加了成本費用。而如果在產品設計的一開始就結合電磁兼容理念對設備的電磁兼容性程度進行相應的分析和預測，從而找出干擾的部分采取有效的對策來實現電磁兼容，則可以有效解決這些問題。因此研究電磁兼容性的原理，對于避免產品受到干擾，提高產品的設計質量具有十分重要的意義[2]。

2 研究內容

電磁兼容型設計主要是為了提高電子設備本身所具有的抗干擾能力，以此來有效地減少設備本身的電磁輻射，確保產品工作時所具有的穩定性，提升設備的電磁兼容穩定性。本文當中主要針對電磁兼容中的輻射EMI的產生機理和抑制方法進行研究，主要從電磁干擾產生的三要素進行入手，分析了輻射干擾耦合途徑。在相關干擾途徑的傳播下，對造成干擾的不同耦合方式也進行了相應的預測分析，并針對輻射干擾的具體產生原因，提出了相應的解決辦法。同時也對PCB上的輻射干擾進行了相應的理論預測分析，了解了電磁兼容機理，并找出抑制電磁干擾的解決方法[3]。

3 電磁干擾及途徑

電磁干擾在形成時需要具備三個因素，分別是電磁干擾源、敏感設備和耦合通道。首先，電磁干擾源是指產生電磁干擾的原件器件和相關設備等。而敏感設備則主要是指對電磁干擾產生響應的一些設備，耦合通道是指能夠將能量從干擾源耦合到敏感設備上的一種通道，主要是指設備產生響應的通路或者相關的媒介。電磁干擾屬于一種普遍的電磁現象，它會使設備裝置的性能降低[4]。

4 空間輻射EMI的原理及生成模式

輻射耦合主要是指通過空間傳播的方式來進入設備的電磁干擾，而根據相關電磁理論，我們可以知道任何加速的充電過程都會產生相應的輻射，所以在快速充放電的過程當中，也會無法避免地產生相應的輻射。而電磁輻射源所產生的交變電磁場根據其性質可以分為具體的兩部分，第一部分是電子場能量在輻射源的周圍空間進行周期性的流動，其不向外進行發射，因此被稱之為感應場。而另一部分則主要是指電磁場能量脫離了相關的輻射體，其以電磁波的形式來向外進行發射，被稱之為輻射場。通常情況下，電磁輻射場會根據感應場和輻射場的不同，而具體分為遠區場和近區場。

5 PCB的EMC干擾及抑制措施

5.1 EMC干擾

EMC可以用一種數學概念來進行解釋，而相關的方程和公式十分復雜，因此即使采用數學分析，過程也是非常復雜的。而在實際生活當中有很多情況都可以引起EMC，這主要是由于EMC，經常是無原件按照正常規則工作的意外所產生的結果我們能夠發現PCB內引起EMS，主要是由于高頻周期信號的存在導致瞬時電流產生，電流流過公共返回阻抗路徑時，產生了RF電壓降，接地回路或者接地參考不完善，進而導致差模電流不平衡，從而產生了共模電流。

5.2 抑制措施

干擾信號從干擾源傳遞到設備的途徑具體包括兩種，首先是靠電源線或者信號線來進行傳導耦合，而另外一種則是靠電磁波的空間輻射。而電壓電流的變化在傳輸的過程當中往往具有兩種形態，分別是共模和差模。首先減小導線電流環路的面積，由于電路環流是電路正常工作時所必須要具備的，而為了限制差模輻射發射，所以在設計時我們需要控制環路的尺寸和面積，可以選擇一些較小尺寸的芯片來進行封裝，不使用安裝座。其次，減小天線上的電流大小，如果接地合理，而且電源上有去耦和良好的布局，那么其差模輻射發射并非主要問題，其來源應該是背板和互聯電纜，因此應該使用一些低功耗的芯片，利用緩沖器來有效地減少電流。此外還可以減小共模電壓，通過使用接地網格或者接地平面減小接地系統上的電壓，這些都是減少供模電壓的有效途徑[5]。

6 解決措施

6.1 設計電流環路

進行PCB布局過程中，應該考慮到電流環路作業方式，控制差膜輻射問題，調整環路面積，減小導線電路環路面積，并封裝芯片，選擇小型芯片后，還應該拉近地-電源平面與信號層間的距離，不用安裝座裝載芯片，并在信號線兩側安放橋接電容，這樣能夠盡量減少信號穿越地-電源平面的次數，在應用過程中，如果出現信號必須穿越地-電源平面的情況，還能利用低阻抗橋接電容安置于跨越線槽兩端的方式，防止信號回流過程中增大環路面積。除此之外，應該明確PCB布局期間，連接器作為信號傳輸的重要器件，需要關鍵其設計工作，明確EMI環節設計要點，應該在連接器的端子設計中增設多個地針，防止信號回流通過電容槽，增大導線電流環路面積。

6.2 減小天線電流

PCB布局過程中，需要明確差模輻射，同時還應該確保各導線鋪設位置合理，保證電源有去耦、接地合理的前提下，便可以將PCB差模輻射對線路造成的影響限制在可控范圍內，消除差模輻射需要關注互聯電纜與背板，兩者相比較，背板產生的輻射成為影響差模輻射的主要源頭，進行多組控制變量實驗后，明確導線電流大小與差模輻射間的內在聯系，需要盡量減小導線電流，采用低功耗芯片或是利用緩沖器，都能起到一定的限流功效。

6.3 電纜的去耦

分流共模電流使用去耦電容的方式具有可操作性，但是工作效果受到驅動電路共模源阻抗的影響，減小共模電流還可以采用串聯電纜與電感或是電阻的辦法。PCB布局布局期間，為了能夠使電纜輻射的影響降到最低，還可以通過屏蔽電纜的方式，并選擇沒有受到電路噪聲干擾的區域進行電纜的去耦工作。在布局過程中，應該將差模輻射造成的影響控制在合理范圍內，但是由于差模輻射很難控制，為此必須明確差模輻射內在聯系，采用控制變量法，在相等輻射場場強下，計算差模電流與共模電流比值，通過以下公式：

其中，環路面積A=0.01m2、電纜長度l=1m、頻率f=50MHz時，從結果發現共模電流與差模電流相差巨大，至少比差模電流小三個等級。由于這種關系導致差模輻射在交高的頻率范圍內影響巨大，而共模輻射只能出現在低頻區域中。

7 結束語

綜上所述，本文針對電磁兼容性的基本原理進行了討論，介紹了輻射型EMI的產生原理和具體模式，從多層面結合家用電器的電磁兼容檢測標準，對PCB的EMI干擾產生原因進行了充分分析，并提出具體的抑制對策，對共模輻射和差模輻射也做出了相關的分類研究，希望能夠為相關工作人員起到一些參考，有效的解決電子設備的干擾問題。

參考文獻：

[1]朱奮強.印制電路板電氣安全距離視覺檢測算法的研究[D].上海交通大學，2016.

[2]邢云霞，劉景洋，郭楊，等.從廢印制電路板元器件中分離電容器的方法[J].再生資源與循環經濟，2016，5（02）：28-31.

[3]張曉杰，何為，崔浩，等.嵌入陶瓷電容器印制電路板的可靠性[J].印制電路信息，2016（08）：38-43.

[4]劉渝.高速數字印制電路板中的電磁輻射分析[D].西安電子科技大學，2016.

[5]沈中成.家用電器漏電保安插座[J].電子制作，2016（08）：15.