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1 引言 電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC）在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/4365－1995《電磁兼容性術(shù)語(yǔ)》中的定義為：“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能忍受的電磁騷擾的能力”。“能正常工作”指的是“電磁敏感性”（Electromagnetic Susceptibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMS），即：在存在電磁騷擾的情況下，裝置、設(shè)備或系統(tǒng)不能避免性能下降的能力；“不對(duì)任何事物構(gòu)成不能忍受的電磁騷擾的能力”指的是“電磁干擾”（Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱(chēng)EMI），即：電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。因此，EMC包括EMS和EMI兩個(gè)方面。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的提高，各種各樣的家用電磁層出不窮，結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜。許多家用電器既是電磁干擾的接受體，又是電磁干擾的發(fā)生體。人們正不斷置身與一個(gè)復(fù)雜的電磁環(huán)境中，并隨時(shí)可能受到電磁干擾的危害。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局與1996年在上海召開(kāi)了“貫徹實(shí)施家用電器、電動(dòng)工具的無(wú)線電干擾國(guó)際討論會(huì)”，強(qiáng)調(diào)現(xiàn)階段要進(jìn)一步加強(qiáng)宣傳貫徹EMC強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，特別是家用電器、電動(dòng)工具、信息技術(shù)設(shè)備等行業(yè)要盡快開(kāi)展這項(xiàng)工作。 電磁兼容性已成為衡量家用電器產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。目前，典型的家用電器主要包括電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)、電子游戲機(jī)、電磁灶、微波爐等，都會(huì)產(chǎn)生不同程度的電磁干擾，尤其是帶微處理器的空調(diào)、洗衣機(jī)等，其運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾是相當(dāng)嚴(yán)重的。由于家用電器種類(lèi)繁多、電磁兼容技術(shù)要求復(fù)雜，對(duì)“典型家用電器EMC的共性技術(shù)研究”就顯得尤為重要。 2 家用電器電磁兼容（EMC）認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)項(xiàng)目 GB 4343.1-2003 《電磁兼容 家用電器、電動(dòng)工具和類(lèi)似器具的要求 第1部分：發(fā)射》 該標(biāo)準(zhǔn)于2004年6月1日起實(shí)施。本部分適用于其主要功能由電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)或調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)的器具產(chǎn)生的射頻傳導(dǎo)和輻射騷擾。 GB 4343.2-1999 《電磁兼容 家用電器、電動(dòng)工具和類(lèi)似器具的要求 第2部分：抗擾度》該標(biāo)準(zhǔn)于2000年4月1日起實(shí)施。本標(biāo)準(zhǔn)適用于家用和類(lèi)似用途電器、類(lèi)似器具、電動(dòng)玩具以及電動(dòng)工具的電磁抗擾度。 電磁抗擾度（EMS）的檢驗(yàn)項(xiàng)目有：①靜電放電抗擾度；②輻射電磁場(chǎng)（80MHz～1000MHz）；③電快速瞬變/脈沖群抗擾度；④浪涌（雷擊）抗擾度；⑤注入電流（150kHz～230MHz）抗擾度；⑥電壓暫降和短時(shí)中斷抗擾度。 電磁發(fā)射（EMI）的檢驗(yàn)項(xiàng)目有：①連續(xù)干擾電壓（150KHz～30MHz）；②斷續(xù)干擾電壓（喀嚦聲）（150kHz、500kHz、1.4MHz和30MHz）；③干擾功率（30MHz～300MHz）；④諧波電流（2～40次諧波）。 3 共性技術(shù)研究 所謂“典型家用電器電磁兼容共性技術(shù)”是指“就電磁兼容而言，家用電器中普遍存在的問(wèn)題及解決的措施”，而不是指具體的某類(lèi)家用電器。本文通過(guò)對(duì)典型家用電器的開(kāi)關(guān)電源、電動(dòng)機(jī)、微處理器的電磁兼容技術(shù)研究，針對(duì)其引起的靜電放電、電快速瞬變脈沖群、浪涌等干擾，給予普遍適用的有效的解決措施。 3.1 開(kāi)關(guān)電源 功率半導(dǎo)體器件的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，不可避免地要產(chǎn)生大量的EMI。作為能量轉(zhuǎn)換裝置，其電壓、電流變化率很高，干擾強(qiáng)度很大；開(kāi)關(guān)頻率不高，主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾。 由于頻繁的動(dòng)作，開(kāi)關(guān)電源在電路的導(dǎo)通或閉合時(shí)，會(huì)有大量的電荷聚集在電源線和電器的內(nèi)部器件上，這樣必然會(huì)產(chǎn)生靜電干擾；同時(shí)，由于電壓、電流的高變化率，會(huì)產(chǎn)生快速瞬變脈沖干擾。 開(kāi)關(guān)電源的干擾以傳導(dǎo)干擾為主，EMI濾波器是目前最有效的抑制方法。此外，經(jīng)驗(yàn)表明開(kāi)關(guān)電源的EMC性能往往可以在不增加任何元器件和改變線路的條件下通過(guò)修改印刷線路板的布線設(shè)計(jì)大大得到改善。 3.2 電動(dòng)機(jī) 許多家用電器是用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。帶換向器式電動(dòng)機(jī)的家用電器產(chǎn)生的電磁騷擾尤為嚴(yán)重。由于其帶有換向器和電刷，在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，電刷不斷地接通和斷開(kāi)，極易產(chǎn)生電刷電弧，形成火花騷擾；電動(dòng)機(jī)為感性負(fù)載，當(dāng)切換負(fù)載的供電電源時(shí)會(huì)產(chǎn)生高反向電壓。火花騷擾和高反向電壓均具有頻譜寬、諧波豐富的特點(diǎn)，而這些頻率范圍覆蓋了許多廣播、通訊等電子設(shè)備的正常工作頻率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響設(shè)備無(wú)法正常工作。 消除電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生騷擾的行之有效的方法是濾波、屏蔽和接地。 3.3 微處理器 微處理器的使用使得家用電器更加智能化。然而，由于微處理器的PCB板有大量的數(shù)字線路板，其上的時(shí)鐘、視頻和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器，及其它振蕩器中流動(dòng)的電流是主要的騷擾源。這些電流還可以通過(guò)電線產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和過(guò)空間產(chǎn)生輻射騷擾。 家用電器中微處理器電路的各種外部集成電路是用總線形式連接的，靠地址線選通外設(shè)，在未被微處理器選中時(shí)，器件處于高阻狀態(tài)，在一定條件下，電荷很容易產(chǎn)生積累，并在被選中時(shí)產(chǎn)生靜電放電。 值得提出的是，除了解決上述EMI之外，微處理器還特別要提高自身的抗干擾性（EMS）。高頻數(shù)字脈沖一旦受到外界的騷擾，很容易不能正常工作，甚至造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。 4 抗干擾措施 4.1 靜電放電（ESD）抗干擾 靜電干擾來(lái)源于人體放電、設(shè)備、器件的電荷積累放電等。 家用電器抗靜電干擾設(shè)計(jì)在于良好的接地和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 接地的作用有兩個(gè)：安全地（為有損害的電路提供一個(gè)同路），參考地（為從外部進(jìn)入到系統(tǒng)的信號(hào)提供一個(gè)參考）。地線干擾按照產(chǎn)生的機(jī)理可分為地環(huán)路干擾和公共阻抗干擾。地環(huán)路干擾是由地線和電纜組成的環(huán)路電流產(chǎn)生的。通常減小地環(huán)路干擾的有效途徑有：將一端的設(shè)備浮地、使用變壓器實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的連接、使用光電隔離器、使用公模扼流圈等；公共阻抗干擾顧名思義，是由于兩個(gè)電路共用一段地線，地線本身又具有阻抗而產(chǎn)生的。減小共用阻抗干擾的途徑有兩個(gè)：一是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合；二是通過(guò)恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞剑苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強(qiáng)電于弱電電路共用地線，避免數(shù)字與模擬電路共用地線。 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，凡試品中人體可以接觸到的地方都要進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)，可見(jiàn)家用電器的結(jié)構(gòu)對(duì)抗靜電能力有著重要作用。家用電器一般都置身于金屬外殼內(nèi)，金屬外殼作為ESD電流的通道，引導(dǎo)ESD電流在內(nèi)部電路的周?chē)藭r(shí)外殼中的孔和縫隙對(duì)電流都能起到高阻抗的壁壘作用，為了使其最小，所有的金屬板必須搭接在一起，并至少在兩點(diǎn)上提供低阻抗連接。 4.2 電快速瞬變脈沖群抗干擾 當(dāng)操作開(kāi)關(guān)、繼電器、接觸器動(dòng)作時(shí)會(huì)在其母線上產(chǎn)生多個(gè)瞬態(tài)脈沖族，稱(chēng)為群脈沖干擾。快速瞬變?nèi)好}沖一般不會(huì)對(duì)器件和系統(tǒng)造成破壞，但對(duì)于家用電器中的微處理器可以造成很大的影響。當(dāng)這些高頻的尖脈沖出現(xiàn)在地址總線、數(shù)據(jù)總線或邏輯門(mén)電路上時(shí)，會(huì)使微處理器和邏輯電路產(chǎn)生時(shí)序錯(cuò)誤，造成微處理器程序混亂、死機(jī)等等。因此，抗尖脈沖干擾是帶有微處理器家用電器的EMC設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。 家用電器的各個(gè)元器件，如繼電器、接觸器、開(kāi)關(guān)、按鍵等等應(yīng)加以特殊處理，一般在他們的兩端并聯(lián)或串連電容元件和二極管以吸收尖脈沖干擾；其次，在極為重要的電路中應(yīng)增加一些吸收尖脈沖的元器件。 下面以一帶電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)玩具為例，用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明濾波器的效果。 圖1顯示的是對(duì)某電動(dòng)玩具（換向器式電動(dòng)機(jī)）進(jìn)行騷擾輻射發(fā)射測(cè)試的 圖1 某電動(dòng)玩具的輻射騷擾 圖3 帶電機(jī)玩具改進(jìn)后的輻射騷擾 由圖可見(jiàn)，改電動(dòng)玩具的電磁輻射是相當(dāng)嚴(yán)重的。為了減小輻射達(dá)到電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)，我們加入濾波器，如圖2所示。 圖2（a）中分別在電源線上加入兩個(gè)100uH的扼流圈，用于抑制差模噪聲。扼流圈是對(duì)稱(chēng)安裝的，這樣一方面平衡了扼流圈內(nèi)部阻抗，另一方面平衡了每根導(dǎo)線與地之間的騷擾電壓。在這種情況下，兩個(gè)電刷產(chǎn)生的大小相等方向相反的騷擾電壓在導(dǎo)線與地之間造成的騷擾電場(chǎng)相互抵消。由于兩個(gè)扼流圈中騷擾電流方向不同，導(dǎo)線上的騷擾磁場(chǎng)同樣地互相抵消，從而降低了騷擾。圖2（b）中進(jìn)一步加入了共模扼流圈，效果更好。采用濾波器后的測(cè)量數(shù)據(jù)如圖3所示。可見(jiàn)，濾波效果是相當(dāng)明顯的，輻射騷擾強(qiáng)度降低了近30dBuV/m。但如果騷擾強(qiáng)度非常大，就需要使用吸收式濾波器。 吸收式濾波器是目前一種常見(jiàn)的、便宜的器件。它是由有耗器件構(gòu)成的，在阻帶內(nèi)吸收噪聲的能量轉(zhuǎn)化為熱損耗，從而起到濾波作用。鐵氧體吸收型濾波器是目前應(yīng)用發(fā) 展很快的一種低通濾波器。它與常規(guī)的L濾波器相比具有更好的高濾波特性。 鐵氧體材料是鐵氧化物和其他成分如錳、鋅鈷、鎳的混合體，對(duì)頻率具有高度的敏感性，低頻信號(hào)可以毫無(wú)損耗地通過(guò)，而當(dāng)頻率增加時(shí)，其阻抗也迅速增加，有效抑制了高頻信號(hào)。用鐵氧體吸收型濾波器代替圖2中電路中的電感后，輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)可再降低10dBuv/m。鐵氧體磁環(huán)可以直接套再導(dǎo)線上，磁環(huán)越長(zhǎng)，阻抗越大。注意環(huán)內(nèi)徑應(yīng)與導(dǎo)線密貼，消除導(dǎo)線上電流產(chǎn)生的磁通，增加濾波效果。 4.3浪涌（雷擊）抗干擾 浪涌是指電源電壓和電流的變動(dòng)，負(fù)載開(kāi)關(guān)的閉合、自然界的雷擊都可能引起浪涌。其危害較大，可以引起振蕩甚至燒壞整個(gè)系統(tǒng)。 家用電器一般不會(huì)直接受到雷電的干擾，大多是通過(guò)傳導(dǎo)線路中的感應(yīng)電流或電壓引起的騷擾。良好的接地是解決這一干擾的有效手段。 防止浪涌干擾的常用器件有：氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻（MOVS）和硅瞬變吸收二級(jí)管（TVS）。 5 結(jié)論 電磁兼容性是家用電器的一個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。由于家用電器的種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)其共性技術(shù)的研究顯得極為重要。“典型家用電器電磁兼容共性技術(shù)研究”通過(guò)對(duì)家用電器共有部件的EMS測(cè)試，得出大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用模糊推理的方法可以做成專(zhuān)家控制系統(tǒng)，這對(duì)于其他的家用電器的電磁認(rèn)證具有很大的指導(dǎo)意義。 |
