工程师EMC设计方案攻略（一）

　　电子发烧友网按：工程师在进行电子设计方案过程中越来越不能忽视EMC/EMI规范化设计了，它需要工程师在设计之初就进行严格把关！在产品结构方案设计阶段，主要针对产品需要满足EMC法规标准，对产品采用什么屏蔽设计方案、选择什么屏蔽材料，以及材料的厚度提出设计方案，另外对屏蔽体之间的搭接设计，缝隙设计考虑，同时重点考虑接口连接器与结构件的配合。 为帮助工程师在设计过程中排忧解难，电子发烧友网特整合优质资源推出《工程师EMC设计方案攻略》技术系列文章，其余章节将会陆续发布，敬请广大工程师关注和留意！

 

一、混合集成电路的EMC设计

　　1引言

　　混合集成电路(Hybrid Integrated Circuit)是由半导体集成工艺与厚(薄)膜工艺结合而制成的集成电路。混合集成电路是在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互连线,并在同一基片上将分立的半导体芯片、单片集成电路或微型元件混合组装,再外加封装而成。具有组装密度大、可靠性高、电性能好等特点。

　　随着电路板尺寸变小、布线密度加大以及工作频率的不断提高,电路中的电磁干扰现象也越来越突出,电磁兼容问题也就成为一个电子系统能否正常工作的关键。电路板的电磁兼容设计成为系统设计的关键。

　　2电磁兼容原理

　　电磁兼容是指电子设备和电源在一定的电磁干扰环境下正常可靠工作的能力,同时也是电子设备和电源限制自身产生电磁干扰和避免干扰周围其它电子设备的能力。

　　任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件:首先要具备干扰源,也就是产生有害电磁场的装置或设备;其次是要具有传播干扰的途径,通常认为有两种方式:传导耦合方式和辐射耦合方式,第三是要有易受干扰的敏感设备。因此,解决电磁兼容性问题应针对电磁干扰的三要素,逐一进行解决:减小干扰发生元件的干扰强度;切断干扰的传播途径;降低系统对干扰的敏感程度。

　　混合集成电路设计中存在的电磁干扰有:传导干扰、串音干扰以及辐射干扰。在解决EMI问题时,首先应确定发射源的耦合途径是传导的、辐射的,还是串音。如果一个高幅度的瞬变电流或快速上升的电压出现在靠近载有信号的导体附近,电磁干扰的问题主要是串音。如果干扰源和敏感器件之间有完整的电路连接,则是传导干扰。而在两根传输高频信号的平行导线之间则会产生辐射干扰。

　　3电磁兼容设计

　　在混合集成电路电磁兼容性设计时首先要做功能性检验,在方案已确定的电路中检验电磁兼容性指标能否满足要求,若不满足就要修改参数来达到指标,如发射功率、工作频率、重新选择器件等。其次是做防护性设计,包括滤波、屏蔽、接地与搭接设计等。第三是做布局的调整性设计,包括总体布局的检验,元器件及导线的布局检验等。通常,电路的电磁兼容性设计包括:工艺和部件的选择、电路布局及导线的布设等。

　　3.1工艺和部件的选取

　　混合集成电路有三种制造工艺可供选择,单层薄膜、多层厚膜和多层共烧厚膜。薄膜工艺能够生产高密度混合电路所需的小尺寸、低功率和高电流密度的元器件,具有高质量、稳定、可靠和灵活的特点,适合于高速高频和高封装密度的电路中。但只能做单层布线且成本较高。多层厚膜工艺能够以较低的成本制造多层互连电路, 从电磁兼容的角度来说,多层布线可以减小线路板的电磁辐射并提高线路板的抗干扰能力。因为可以设置专门的电源层和地层,使信号与地线之间的距离仅为层间距离。这样,板上所有信号的回路面积就可以降至最小,从而有效减小差模辐射。

　　其中多层共烧厚膜工艺具有更多的优点,是目前无源集成的主流技术。它可以实现更多层的布线,易于内埋元器件,提高组装密度,具有良好的高频特性和高速传输特性。此外,与薄膜技术具有良好的兼容性,二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层电路。

　　混合电路中的有源器件一般选用裸芯片,没有裸芯片时可选用相应的封装好的芯片,为得到最好的EMC特性,尽量选用表贴式芯片。选择芯片时在满足产品技术指标的前提下,尽量选用低速时钟。在HC能用时绝不使用AC,CMOS4000能行就不用HC。电容应具有低的等效串联电阻,这样可以避免对信号造成大的衰减。

　　混合电路的封装可采用可伐金属的底座和壳盖,平行缝焊,具有很好的屏蔽作用。

　　3.2电路的布局

　　在进行混合微电路的布局划分时,首先要考虑三个主要因素:输入/输出引脚的个数,器件密度和功耗。一个实用的规则是片状元件所占面积为基片的20%,每平方英寸耗散功率不大于2W。

　　在器件布置方面,原则上应将相互有关的器件尽量靠近,将数字电路、模拟电路及电源电路分别放置,将高频电路与低频电路分开。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。对时钟电路和高频电路等主要干扰和辐射源应单独安排,远离敏感电路。输入输出芯片要位于接近混合电路封装的I/O出口处。

　　高频元器件尽可能缩短连线,以减少分布参数和相互间的电磁干扰,易受干扰元器件不能相互离得太近,输入输出尽量远离。震荡器尽可能靠近使用时钟芯片的位置,并远离信号接口和低电平信号芯片。元器件要与基片的一边平行或垂直,尽可能使元器件平行排列,这样不仅会减小元器件之间的分布参数,也符合混合电路的制造工艺,易于生产。

　　在混合电路基片上电源和接地的引出焊盘应对称布置,最好均匀地分布许多电源和接地的I/O连接。裸芯片的贴装区连接到最负的电位平面。

　　在选用多层混合电路时,电路板的层间安排随着具体电路改变,但一般具有以下特征。

　　(1)电源和地层分配在内层,可视为屏蔽层,可以很好地抑制电路板上固有的共模RF干扰,减小高频电源的分布阻抗。

　　(2)板内电源平面和地平面尽量相互邻近,一般地平面在电源平面之上,这样可以利用层间电容作为电源的平滑电容,同时接地平面对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。

　　(3)布线层应尽量安排与电源或地平面相邻以产生通量对消作用。

　　3.3导线的布局

　　在电路设计中,往往只注重提高布线密度,或追求布局均匀,忽视了线路布局对预防干扰的影响,使大量的信号辐射到空间形成干扰,可能会导致更多的电磁兼容问题。因此,良好的布线是决定设计成功的关键。

　　3.3.1地线的布局

　　地线不仅是电路工作的电位参考点,还可以作为信号的低阻抗回路。地线上较常见的干扰就是地环路电流导致的地环路干扰。解决好这一类干扰问题,就等于解决了大部分的电磁兼容问题。地线上的噪音主要对数字电路的地电平造成影响,而数字电路输出低电平时,对地线的噪声更为敏感。地线上的干扰不仅可能引起电路的误动作,还会造成传导和辐射发射。因此,减小这些干扰的重点就在于尽可能地减小地线的阻抗(对于数字电路,减小地线电感尤为重要)。

　　地线的布局要注意以下几点:

　　(1)根据不同的电源电压,数字电路和模拟电路分别设置地线。

　　(2)公共地线尽可能加粗。在采用多层厚膜工艺时,可专门设置地线面,这样有助于减小环路面积,同时也降低了接受天线的效率。并且可作为信号线的屏蔽体。

　　(3)应避免梳状地线,这种结构使信号回流环路很大,会增加辐射和敏感度,并且芯片之间的公共阻抗也可能造成电路的误操作。

　　(4)板上装有多个芯片时,地线上会出现较大的电位差,应把地线设计成封闭环路,提高电路的噪声容限。

　　(5)同时具有模拟和数字功能的电路板,模拟地和数字地通常是分离的,只在电源处连接。

　　3.3.2电源线的布局

　　一般而言,除直接由电磁辐射引起的干扰外,经由电源线引起的电磁干扰最为常见。因此电源线的布局也很重要,通常应遵守以下规则。

　　(1)电源线尽可能靠近地线以减小供电环路面积,差模辐射小,有助于减小电路交扰。不同电源的供电环路不要相互重叠。

　　(2)采用多层工艺时,模拟电源和数字电源分开,避免相互干扰。不要把数字电源与模拟电源重叠放置,否则就会产生耦合电容,破坏分离度。

　　(3)电源平面与地平面可采用完全介质隔离,频率和速度很高时,应选用低介电常数的介质浆料。电源平面应靠近接地平面,并安排在接地平面之下,对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。

　　(4)芯片的电源引脚和地线引脚之间应进行去耦。去耦电容采用0.01uF的片式电容,应贴近芯片安装,使去耦电容的回路面积尽可能减小。

　　(5)选用贴片式芯片时,尽量选用电源引脚与地引脚靠得较近的芯片,可以进一步减小去耦电容的供电回路面积,有利于实现电磁兼容。

　　3.3.3信号线的布局

　　在使用单层薄膜工艺时,一个简便适用的方法是先布好地线,然后将关键信号,如高速时钟信号或敏感电路靠近它们的地回路布置,最后对其它电路布线。信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排,使电路板上的信号走向流畅。

　　如果要把EMI减到最小,就让信号线尽量靠近与它构成的回流信号线,使回路面积尽可能小,以免发生辐射干扰。低电平信号通道不能靠近高电平信号通道和无滤波的电源线,对噪声敏感的布线不要与大电流、高速开关线平行。如果可能,把所有关键走线都布置成带状线。不相容的信号线(数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、高电压与低电压等)应相互远离,不要平行走线。信号间的串扰对相邻平行走线的长度和走线间距极其敏感,所以尽量使高速信号线与其它平行信号线间距拉大且平行长度缩小。

　　导带的电感与其长度和长度的对数成正比,与其宽度的对数成反比。因此,导带要尽可能短,同一元件的各条地址线或数据线尽可能保持长度一致,作为电路输入输出的导线尽量避免相邻平行,最好在之间加接地线,可有效抑制串扰。低速信号的布线密度可以相对大些,高速信号的布线密度应尽量小。

　　在多层厚膜工艺中,除了遵守单层布线的规则外还应注意:

　　尽量设计单独的地线面,信号层安排与地层相邻。不能使用时,必须在高频或敏感电路的邻近设置一根地线。分布在不同层上的信号线走向应相互垂直,这样可以减少线间的电场和磁场耦合干扰;同一层上的信号线保持一定间距,最好用相应地线回路隔离,减少线间信号串扰。每一条高速信号线要限制在同一层

　　上。信号线不要离基片边缘太近,否则会引起特征阻抗变化,而且容易产生边缘场,增加向外的辐射。

　　3.3.4时钟线路的布局

　　时钟电路在数字电路中占有重要地位,同时又是产生电磁辐射的主要来源。一个具有2ns上升沿的时钟信号辐射能量的频谱可达160MHz。因此设计好时钟电路是保证达到整个电路电磁兼容的关键。关于时钟电路的布局,有以下注意事项:

　　(1)不要采用菊花链结构传送时钟信号,而应采用星型结构,即所有的时钟负载直接与时钟功率驱动器相互连接。

　　(2)所有连接晶振输入/输出端的导带尽量短,以减少噪声干扰及分布电容对晶振的影响。

　　(3)晶振电容地线应使用尽量宽而短的导带连接至器件上;离晶振最近的数字地引脚,应尽量减少过孔。

　　4结束语

　　本文详细阐述了混合集成电路电磁干扰产生的原因,并结合混合集成电路的工艺特点提出了系统电磁兼容设计中应注意的问题和采取的具体措施,为提高混合集成电路的电磁兼容性奠定了基础。

　　文章创新点:从提高系统电磁兼容性出发,结合混合集成电路工艺特点,提出了在混合集成电路设计中应注意的问题和采取的具体措施。

二、医疗仪器设备中的EMC解决方案

　　随着医疗仪器设备现代化程度的进一步提高，各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响，在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。

        1.1干扰的方式

　　干扰分为差模干扰、共模干扰和串模干扰。差模干扰又叫常模干扰、横模干扰或对称干扰，它是指叠加在线路电压正弦波上的干扰，是载流导体之间的干扰。如电网的过欠压、瞬态突变、尖峰等。共模干扰又叫纵模干扰、不对称干扰和接地干扰，它是指产生于电网与零线之间的干扰，是载流导体与大地之间的干扰，是由辐射或干扰耦合到电路中来的。如尖峰干扰、射频干扰、零线与地线间的稳态电压等。串模干扰是指外界磁场电场引起的干扰。

　　1.2干扰的类型

　　现在生产的所有电子设备都包含电磁干扰滤波电路。同样，所有开关型电源都有内部的电磁干扰滤波器。但是，在有些环境中，这些电子器件的电磁干扰滤波器需要辅助滤波器，以便满足更加苛刻的电噪声管制或者保护器件免受过多的外部噪声源干扰。

　　电源干扰的类型包括电压降落、失电、频率偏移、电气噪声、浪涌、谐波失真和瞬变等。

　　l.3干扰对医疗仪器设备的影响

　　心脑电图机、监护仪、超声诊断仪、针灸电疗仪或银针直接接触人体的仪器设备等，特别是检测人体生物电信号的仪器设备，由于信号非常的微弱，如果受到干扰，就会在检测结果如波形、图形、图像上叠加一种类似于某些病变的畸变造成误诊，同时还会引起微电击，严重时还有生命危险。如果是带有计算机系统的医学仪器设备，当共模干扰中的尖峰干扰幅度达到2V～50V，时间持续数微秒时，可引起计算机逻辑错误、丢失等。

　　2抑制干扰的常用方法

　　2.1接地

　　在阐述接地之前，必须弄清地线与零钱、保护接地和保护接零的基本概念。即：地线是指连接地球通向大地的金属连接线，而零线是我国电力部门提供的工作线路;保护接地是将仪器设备的金属外壳接上地线，在外壳由于干扰引起带电时，电流沿地线流入大地，达到保护人身和仪器设备安全的目的。而保护接零是将仪器设备的金属外壳与电源的零线连接起来，在短路时，立即烧断保险，以达到切断电源的目的。

　　2.1.1仪器设备的信号接地

　　①浮地把电路的“零”电位或设备的“零”电位与公共接地系统，或可能引起环流的公共导线绝缘，即不接地，使此“零”电位相对于大地的零电位来说是个悬空的“零”电位。常用的方法有变压器隔离和光电耦合隔离。浮地的优点是抗干扰能力强，缺点是静电积累。当电荷积累到一定程度后，在设备地与公共地之间的电位差可能引起剧烈地静电放电，而成为破坏性很强的骚扰源。解决的方法是在浮地与公共地间跨接泄放电阻、阻值的大小以不影响设备漏电流的要求为宜。

　　②单点接地电路和设备中凡需要接地的点都接到被定义的只有一个物理点为接地参考点的点上就称为单点接地。对一个系统如果采用单点接地，每个设备都要有自己的单点接地点，然后各设备的地再与系统中唯一指定的参考接地点相接。缺点是系统工作频率很高时呈某种电抗效应，引起接地效果不佳。

　　③多点接地多点接地是指设备中凡需接地的点，都直接接到离它最近的接地平面上。优点是简单，高频驻波小。缺点是维护量较大。

　　④混合接地集单点和多点接地之长，把需要就近接地的点，就近直接与接地平面相连或对需要高频接地的点，通过旁路电容与接地平面相连接，其余各点均采用单点接地。流通信号波长低于0.05λ时采用单点接地，接地线长度达到0.05λ以上的就应采用多点接地。

　　

 

　　2.2屏蔽

　　为了有效地抑制设备内、外部的辐射电磁能通过空间传播的电磁干扰，通常采取的措施，是屏蔽。具体有电场、磁场、电磁场屏蔽三种。实践证明：对带有计算机系统的仪器设备，采用屏蔽计算机主机的方法对电磁干扰和静电产生的干扰有很好的抑制作用。用不同的屏蔽方式和材料其效果也各不相同。

　　2.2.1电场屏蔽

　　仪器设备中电位不同物体间的相互感应可看成是分布电容间的电压分配。为了减少干扰源对被感应物的干扰，通常采取的措施是：增大干扰源与被感应物的距离，减小分布电容;尽可能让被感应物贴近接地板，增大其对地的电容;在两者间加入金属屏蔽层。屏蔽层必须是导电良好的导体，要有足够的强度，接地要好。例如心脑电图机、监护仪、针灸电疗仪或银针直接接触人体的仪器设备应远离超短波治疗机、高频电刀、X射线机、CT、MRI及一切能辐射电磁波的医疗设备的辐射区内，X线机的高压电缆屏蔽层的重要性。

　　2.2.2磁场屏蔽

　　磁场屏蔽是指对直流或低频磁场的屏蔽。其屏蔽原理是利用屏蔽体的高导磁率、低磁阻特性对磁通所起的磁分路作用，从而削弱屏蔽体内部的磁场。为了减少屏蔽体的磁阻，所用材料必须是高导磁率的，有一定的厚度的材料。被屏蔽物要尽量放在屏蔽体的中心位置，注意缝隙。通风孔等要顺着磁场方向分布，电磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来，使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施;或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来，使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。

　　2.2.3电磁场屏蔽

　　该电路包括耦合至次级绕组中一匝的一反相装置，用于产生与从所述次级绕组感应至阳极的一电压信号的相位相反的相位;一振荡装置，用于振荡从所述反相装置的输出节点输出的电压信号并使经振荡的信号与所述高电压在电平上相匹配;以及一电磁场发生装置，用于施加从所述振荡装置的输出节点输出的一电压信号，产生一电磁场以响应于实质上围绕所述显象管的前部的周围的所述电压信号，并消除和屏蔽从所述阳极产生的所述电磁场。结果，该电路可以较低成本应用于多种尺寸的阴极射线管，由此提出生产效率。

　　3抑制干扰的技术

　　3.1专用线路

　　为了抑制仪器设备间的相互干扰，最简单的方法是采用分相供电制。即：在三线供电线路中认定一相作为敏感设备的供电电源;一相作为外部设备的供电电源;再一相作为常用测试仪器或其它辅助设备的供电电源。这种措施常应用在大型的医疗仪器设备供电系统。

　　值得注意的是在现代医用电子仪器设备系统中，由于配电线路中非线性负载的使用，造成线路中谐波电流的存在，而零序分量谐波在中线里不能相互抵消，反而叠加，因此过于迁细的中线会造成线路阻抗的增加，干扰也将增加。

　　3.2瞬变干扰抑制器

　　3.2.1气体放电管

　　俗称避雷管。优点是绝缘电阻高、寄生电容小、浪涌吸收能力强。缺点是对浪涌电压的响应速度低。

　　3.2.2金属氧化物压敏电阻

　　压敏电阻的主要参数是标称电压和通流容量。在使用时，压敏电阻的电压选择要考虑被保护线路可能有的波动电压，一般取1.2～1.4倍。如果是交流电路，还要注意电压的有效值与峰值间的关系。例如220V时其压敏电阻的标称电压应是220×1.4×1.4=430V。前者因压敏电阻对瞬变干扰吸收时的高速性能级，引线越长感应电压越大，后者因压敏电阻的固有电容。

　　3.2.3硅瞬变电压吸收二极管

　　TVS管又叫瞬态电压抑制电路。当瞬态电压保护二极管受到反向瞬态高能量冲击时，以1×10-12s的速度，将其两极间的高阻抗变成低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护了电子线路的敏感元件。具体又分为单向和双向两种。主要参数是击穿电压、漏电流和电容。特点是响应时间快、浪涌吸收能力高、瞬态功率大、漏电流小、箝位电压易控制、没有损伤极限和体积小等。广泛应用于医疗仪器设备的静电，电感性负载切换时产生的瞬变电压，雷击产生的过电压保护。

　　3.2.4固体放电管

　　固体放电管的特点是响应速度快，吸收电流大、动作电压稳定、使用寿命长。其工作原理是：当外界干扰低于触发电压时，放电管处于截止状态;当干扰电压超出触发电压时，放电管工作在负阻区。此时电流极大，使干扰能量转移。随着干扰的减少，通过放电管的电流回落，当干扰电流低于维持电流时，放电管从低阻区回到高阻区，完成～次放电过程。

　　3.3电源线滤波器

　　电源线滤波器安装在电源与电子设备之间，主要起抑制电能传输中寄生的电磁干扰，提高设备工作可靠性的作用。常用的由无源集中参数构成的单级线路。如图1所示。图中Cx为差模电容，起衰减差模干扰的作用。在220V交流电源中取为几十～几百nF，耐压250VAC。Cy为共模电容，起衰减共模干扰的作用。一般取1nf~4.7nf，耐压3~6KVDC。L1、L2为共模电感，其电感量与通过电流的大小有关，对共模电流有很好的滤波效果。多个电感串联起来：对于要求较高的滤波器，可以将一个大电感分解成一个较大的电感和若干电感量不同的小电感，将这些电感串联起来，可以使电感的带宽扩展。但这付出的代价是体积和成本。另外要注意与电容并联同样的问题，即引入了额外的串联谐振点。谐振点上电感的阻抗很小。

　　提高滤波器性能的措施：一是使用带地线电感的滤波器。这样可以抑制地线上的干扰。二是采用多级滤波器。三是滤波器与吸收器件组合使用。四是使用新型软磁材料。五是加接有耗元件。

　　3.4隔离变压器

　　隔离变压器的原理和普通变压器的原理是一样的。都是利用电磁感应原理。隔离变压器一般是指1：1的变压器。由于次级不和地相连。次级任一根线与地之间没有电位差。使用安全。常用作维修电源。

　　3.4.1普通隔离变压器

　　普通隔离变压器在初级与次级间不设屏蔽层，它是通过输入与输出间的电隔离，从而解决公共地的问题。优点是对共模干扰有一定的抑制作用，其大小可用初次级间的分布电容和设备对地分布电容的比值来估算。通常初次级间的分布电容为几百Pf，设备对地分布电容为几~几十nF，因此共模干扰的衰减值在 10~20倍左右。缺点是对共模干扰的抑制效果因绕组间的分布电容随频率升高而下降。

　　3.4.2带屏蔽层的隔离变压器

　　在变压器初次级间增设屏蔽层，并将屏蔽层可靠接地，既可获得较好的抑制共模干扰，也可利用屏蔽层抑制差模干扰。具体做法是将变压器屏蔽层接至初级的中线端。例如对50HZ工频来说，由于初级与屏蔽层构成的容抗很高，仍可通过变压器效应传递到次级，而未被衰减。对频率较高的共模干扰，由于初级与屏蔽层间容抗变小，使这部分干扰经由分布电容及屏蔽层与初级中线端的连线直接返回电网，而进入次级回路。

　　3.4.3超级隔离变压器

　　隔离变压器属于安全电源，一般用来机器维修保养用起保护、防雷、滤波作用。 隔离变压器是一种1/1的变压器。初级单相220V，次级也是单相220V。或初级三相380V，次级也是三相380V。首先通常我们用的交流电源电压一根线和大地相连，另一根线与大地之间有220V的电位差。人接触会产生触电。而隔离变压器的次级不与大地相连，它的任意两线与大地之间没有电位差。人接触任意一条线都不会发生触电，这样就比较安全。其次还有隔离变压器的输出端跟输入端是完全“断路”隔离的，这样就有效的对变压器的输入端(电网供给的电源电压)起到了一个良好的过滤的作用。从而给用电设备提供了纯净的电源电压

　　3.5交流稳压器

　　由于市电供电压因各种原因而不稳定，特别是有些供电场所电压波动幅度很大，从而影响用电设备的正常工作，还可能造成用电设备损坏，而交流稳压器是一种能够使用电设备的工作电压基本稳定的稳压设备。

　　交流稳压器的作用是在输入电压和负载电流变化时，把其输出电压稳定在所允许的范围内。常用的有铁磁谐振、参数调整型、伺服型、分级调整宽度、超级隔离、开关型、不间断和净化等交流稳压电源。

　　3.5.1铁磁谐振交流稳压电源

　　能为负载提供稳定交流电源的电子装置。又称交流稳压器。有关交流稳压电源的参数及质量指标可参见直流稳压电源。各种电子设备要求有比较稳定的交流电源供电，特别是当计算机技术应用到各个领域后，采用由交流电网直接供电而不采取任何措施的方式已不能满足需要。

　　工作原理是靠改变电感的饱和程度，而使电感与电容谐振来实现调节的。当输输入电压因某种因素过高或过低时，其输出电压可随输入电压的高低通过自动调节，从而使输出电压保持稳定不变。优点是电路简单、输出阻抗高、过载能力强、可靠性较高。缺点是稳压精度不高、输出电压波形失真大、有相移和噪声。不适宜启动电流大的负载。

　　3.5.2参数调整型交流稳压电源

　　典型的是早年的614系列稳压器。该电源是在614的基础上进行了一定的改进，工作原理是利用可控硅的相位控制来改变电感的参数，实现调节使输出电压稳定不变。优点是稳压精度高，同第一种比较还可以抑制交流输出电压中的部分谐波。缺点是输入侧的电流谐波较大、功率因数较低、有相移。特别是带非线性负载时可能有低频振荡现象。

　　3.5.3伺服型交流稳压电源

　　该电源就是早期的多抽头自耦式调压变压器。工作原理是监视变压器输出电压的高低的办法来驱动伺服电动机改变变压器输出抽头的位置，使输出电压在维持负载所允许的电压范围内。缺点是响应速度低，调节时会出现许多尖峰和振铃干扰。

　　3.5.4分级调整的宽限交流稳压电源

　　该电源和伺服型交流稳压电源类似，所不同的是多抽头自耦变压器的抽头位置是由继电器转换。由于该电源价格低廉，输入电压的适应范围较宽，应用于家用电器的交流稳压。缺点是稳压精度不高，在继电器转换过程中易产生电火花所带来的尖峰干扰。

　　3.5.5超级隔离变压器

　　为了解决了现代电子仪器设备的小型化、数字化和低功耗化，对电网的瞬变干扰尤其敏感的问题，对多抽头的绕组的控制则采用了无触点的双向可控硅，数字电路或单片机。有时也称为数控型净化电源。优点是：稳压电源的电压适应范围宽、对电网或负载变化的响应速度快、对存在于电网中瞬变干扰抑制能力强。

　　3.5.6开关型交流稳压电源

　　开关型交流稳压电源采用了先进的高频开关电源技术。优点：小型、轻量、高效、响应速度快。缺点：复杂、价格昂贵。

　　3.5.7不间断电源

　　①电动机一发动机组主要由直流电动机驱动的惯性飞轮和交流发电机组组成。当电网电压停电时，利用飞轮的惯性储能，使发电机在短时间内继续供电;与此同时启动备用的柴油发电机组，当油机转速与发电机组转速相同时，油机离合器与发电机相连，完成由市电到油机的转换。它是较早发展的一种不间断电源。优点：稳定可靠。缺点：体积大、噪声大。

　　②静态后备式电网正常时，静态后备式不间断电源处在旁通状态，当市电断电时，才将静态转移开关切换到逆变器一侧，经过2~4ms后逆变器启动，将蓄电池中储存的电能转换成交流电，输给负载。优点：简单、小巧、价格便宜。缺点：输出电压直接受电网波动的影响，抗电网中的突变干扰能力差。

　　③静态在线式该电源的工作过程是市电先经整流后对蓄电池充电，再由蓄电地给逆变器供电，经逆变、稳压、稳频后为负载供给交流电源。断电时蓄电池不再充电，而逆变器供电的状态不变，当逆变器发生输出过电压、过电流或不间断电源故障时逆变器会自动关闭，并通过静态转移开关转到旁通位置，直接由市电给负载供电。优点：保护和扩展能力强。该电源的容量较大，三相大功率的常用医院电子计算机及监护系统。

　　4在医疗仪器设备中的应用

　　上述各种方法和抗干扰技术已广泛应用于心脑电图机、监护仪、超声诊断仪，电子脉冲治疗仪针灸电疗仪或银针直接接触人体等医疗诊断、治疗仪器设备之中。

三、遥控器设计中的EMC解决方法

　　小家电控制板存在许多自身干扰源，对于这些干扰，其解决方法可以从以下方面人手来完成：

　　(1)在继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。

　　(2)在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路，电阻一般选几千欧到几十千欧，电容选0.01μF)，以减小电火花影响。

　　(3)在电路板上每个IC上并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。但应注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，而这会影响滤波效果。

　　(4)布线时应避免90度折线，并尽量减少高频噪声发射。

　　(5)在可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声(该噪声严重时可能会把可控硅击穿的)。

　　(6)注意晶振布线。晶振与芯片引脚应应尽量靠近，并用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳要接地并固定。最好在能使用低速晶振的场合尽可能选用低速晶振。

　　(7)对电路板合理分区(如强、弱信号，数字、模拟信号)。尽可能把干扰源(如电机、继电器)与敏感元件(如单片机)远离。

　　(8)交流端用电感电容滤波：去掉高频低频干扰脉冲，VCC和GND之问接电解电容及瓷片电容，以去掉高、低频干扰信号。

　　1.2控制板本身的传导干扰

　　为防止控制板电路产生的传导干扰，可在电路的进人口(即AC两端)并接上一个电容C，图1所示是一个简单的电容抗扰电路连接图。图中的电容属于安全电容，但必须在该电容的两端并联一个安全电阻，以用于防止电源线拔插时电源线插头长时间带电。因为安全标准规定，当正在工作之中的机器电源线被拔掉时，在两秒钟内，电源线插头两端所带的电压(或对地电位)必须小于原来电压的30%。

　　该电容必须经过安全检测部门认证过后才能使用。电容的耐压一般都标有安全认证标志和AC250V或AC275V字样，但其真正的直流耐压应达到2000V以上。而且在使用的时候，不要随便用AC250V或DC400V之类的电容来代用。

　　抗扰电容一般都选用纹波电流比较大的聚脂薄膜安全电容，这种电容体积一般都很大，其允许瞬间充放电的电流也很大，即内阻比较小。而普通电容纹波电流的指标一般都很小，动态内阻比较大，因此，用普通电容代替安全电容，除了耐压条件不能满足以外，一般纹波电流指标也是难以满足要求的。

　　实际上，光靠用安全电容就想把传导干扰信号完全滤除是不可能的。因为干扰信号的频谱非常宽，基本覆盖了几十千赫芝到几百兆赫芝甚至上千兆赫芝的频率范围。一般对低端干扰信号，其滤除需要很大容量的滤波电容，但受到安全条件的限制，电容的容量不能太大;而对高端干扰信号的滤除，大容量电容的滤波性能又极差，特别是聚脂薄膜电容的高频性能一般都比较差，并且聚脂薄膜介质的高频响应特性与陶瓷或云母相比相差很远，此外，一般聚脂薄膜介质都具有吸附效应，因此它会降低电容器的工作频率。聚脂薄膜电容工作频率范围大约都在1MHz左右，超过1MHz时其阻抗将显著增加。

　　因此，抑制电子控制板本身产生的传导干扰除了选用这种电容进行滤波以外，一般还要同时选用多个电感滤波器一起组合来对干扰进行滤波。电感滤波器属于低通滤波器，但电感滤波器也有很多种类和无数种规格(例如差模、共模，以及高频、低频)等，每种电感主要都是针对某一小段频率的干扰信号而起滤除作用，而对其它频率的干扰信号的滤除作用不大。因为，电感量很大的电感，其线圈匝数很多，分布电容也很大，高频信号会通过分布电容旁路掉，另外，导磁率很高的磁芯，其工作频率也不高。目前，国内大量使用的电感滤波器磁芯的工作频率大多数都在75MHz以下，对于工作频率要求比较高的场合，必须选用高频环形磁芯，高频环形磁芯导磁率一般都不高，但其漏感特别小。

　　小家电中的负载包括线性负载(如热水器，等)和非线性负载(豆浆机，绞肉机等)。由于非线性负载为频普极宽的干扰源。因此，对于以上干扰，特别是非线性负载的干扰，其抑制方法主要有两种一是从非线性负载(如电机)本身入手。因为不恰当的操作接触器的接触不良炭刷不干净等，都会产生数倍于正常运转时的干扰情况，为了减少干扰，就应当保证接触器的接触可靠、开合动作的正常和触头的压力，而且还要保持炭刷和换向器的干净，还应保证炭刷本身的质量和换向器的光洁度;同时还要保护炭刷对换向器有适当的压力;最后还要使机座的固定可靠，避免机械运转时引起的运转不稳。其二则是采用必要的电气滤波方式，其电路连接如图2所示。

　　该电路的目的是为干扰电势提供一个低阻抗的通路，以抑制干扰值。图2中，C1为电感成分较小的电容，一般为几十～几百nF;C2选用穿心电容，一般为1～4.7nF。增加该电容的目的是为了抑制噪声，但电容的安装位置不同，以甚高频段的干扰抑制效果会有很大变化，所以，安装时要特别注意电容的接地外壳应与电动机座或金属外壳的最短连接。同时应在连线时使电容器的输入、输出部分的电磁耦合尽可能地减少。

　　此外，还有一组典型的△形干扰抑制器电路，可同时抑制对称和不对称干扰。其具体电路如图3所示。

　　3线路干扰

　　线路干扰的干扰源主要来自外界电磁场在导线上感应出的电压，电源线上其它电器发射的和感性负载通断造成的干扰，以及浪涌(雷击)产生的干扰等。

　　3.1电磁场在电缆上的感应

　　电磁场在导线中感应出的电压一般是共模电压，而负载上的电压则以系统中的公共导体或大地为参考点。一般以系统中的参考地线面为参考点。对于多芯电缆来说，这意味着电缆中的所有导体都暴露在同一个场中，它们上面所感应的电压取决于每根导体与参考点之间的阻抗。抑制干扰的方法可以使用共模移值法，其原理图如图4所示

　　图4中共模扼流圈的特殊绕制方法决定了它仅对共模电流有抑制作用，而对电路工作所需要的差模电流没有影响。因此，共模扼流圈是解决共模干扰的理想器件。理想的共模扼流圈的低频共模抑制作用较小，而随着频率的升高，抑制效果增加。这与平衡电路低频共模抑制比高，随着频率升高平衡性变差，共模抑制比降低的特性正好相反，因此它们具有互补性。所以，在平衡电路中使用共模扼流圈后，电路可在较宽的频率范围内保持较高的共模抑制比。

　　3.2浪涌干扰

　　浪涌是指电源电压和电流的变动，负载开关的闭合、自然界的雷击都可能引起浪涌，且其危害较大，有时可能引起振荡甚至烧坏整个系统。

　　家用电器一般不会直接受到雷电的干扰，大多是通过传导线路中的感应电流或电压引起的骚扰。良好的接地是解决这一干扰的有效手段。

　　防止浪涌干扰的常用器件有气体放电管、金属氧化物压敏电阻(MOVS)和硅瞬变吸收二级管(TVS)。图5所示是采用TVS的浪涌抑制电路。

四、开关电源的变压器EMC设计

        对于带变压器拓扑结构的开关电源来说，变压器的电磁兼容性(EMC)设计对整个开关电源的EMC水平影响较大。本文以一款反激式开关电源为例，阐述了其传导共模干扰的产生、传播机理。根据噪声活跃节点平衡的思想，提出了一种新的变压器EMC设计方法。通过实验验证，与传统的设计方法相比，该方法对传导电磁干扰(EMI)的抑制能力更强，且能降低变压器的制作成本和工艺复杂程度。本方法同样适用于其他形式的带变压器拓扑结构的开关电源。

　　随着功率半导体器件技术的发展，开关电源高功率体积比和高效率的特性使得其在现代军事、工业和商业等各级别的仪器设备中得到广泛应用，并且随着时钟频率的不断提高，设备的电磁兼容性(EMC)问题引起人们的广泛关注。EMC设计已成为开关电源开发设计中必不可少的重要环节。

　　传导电磁干扰(EMI)噪声的抑制必须在产品开发初期就加以考虑。通常情况下，加装电源线滤波器是抑制传导EMI的必要措施l1l。但是，仅仅依靠电源输入端的滤波器来抑制干扰往往会导致滤波器中元件的电感量增加和电容量增大。而电感量的增加使体积增加；电容量的增大受到漏电流安全标准的限制。电路中的其他部分如果设计恰当也可以完成与滤波器相似的工作。本文提出了变压器的噪声活跃节点相位干燥绕法，这种设计方法不仅能减少电源线滤波器的体积，还能降低成本。

　　1 反激式开关电源的共模传导干扰

　　电子设备的传导噪声干扰指的是：设备在与供电电网连接工作时以噪声电流的形式通过电源线传导到公共电网环境中去的电磁干扰。传导干扰分为共模干扰与差模干扰两种。共模干扰电流在零线与相线上的相位相等；差模干扰电流在零线与相线上的相位相反。差模干扰对总体传导干扰的贡献较小，且主要集中在噪声频谱低频端，较容易抑制；共模干扰对传导干扰的贡献较大，且主要处在噪声频谱的中频和高频频段。对共模传导干扰的抑制是电子设备传导EMC设计中的难点，也是最主要的任务。

　　反激式开关电源的电路中存在一些电压剧变的节点。和电路中其他电势相对稳定的节点不同，这些节点的电压包含高强度的高频成分[2]。这些电压变化十分活跃的节点称为噪声活跃节点。噪声活跃节点是开关电源电路中的共模传导干扰源，它作用于电路中的对地杂散电容就产生共模噪声电流M 。而电路中对EMI影响较大的对地杂散电容有：功率开关管的漏极对地的寄生电容C 变压器的主边绕组对副边绕组的寄生电容Cp ；变压器的副边回路对地的寄生电容C 变压器主、副边绕组对磁芯的寄生电容C。 、C 以及变压器磁芯对地的寄生电容C? 这些寄生电容在电路中的分布如图1所示。

 

 

 

　　图l中的共模电流， 在电路中的耦合途径主要有3条：从噪声源—— 功率开关管的d极通过C耦合到地；从噪声源通过c。 耦合到变压器次级电路，再通过C 耦合到地；从变压器的前、次级线圈通过C?C 耦合到变压器磁芯，再通过C 耦合到地。这3种电流是构成共模噪声电流(图1中的黑色箭头所示)的主要因素。共模电流通过电源线输入端的地线回流，从而被LISN取样测量得到。

　　2 隔离变压器的EMC设计

　　2．1 传统变压器EMC设计

　　共模噪声的耦合除了通过场效应管d极对地这条途径外，开关管d极的噪声电压通过变压器的寄生电容将噪声电流耦合到变压器副边绕组所在的回路，再通过次级回路对地的寄生电容耦合到地也是共模电流产生的途径。因此设法减小从变压器主边绕组传递到副边绕组间的共模电流是一种有效的EMC设计方法。传统的变压器EMC设计方法是在两绕组间添加隔离层[3]，如图2所示。

 

 

 

　　金属隔离层直接连接地线的设计会增大共模噪声电流，使EMC性能变差。隔离层应该是电路中电位稳定的节点，比如将图2中的隔离层连接到电路前级的负极就是一个很好的接法。这样的连接能把原本流向大地的共模电流有效分流，从而大大降低电源线的传导噪声发射水平。

　　2．2 节点相位平衡法

　　在电路中，噪声电压活跃节点并不是单一的。以本文分析的电路为例：除功率开关管的d极外，变压器前级绕组的另一端U 也是一个噪声电压活跃节点，而且节点电压的变化方向与场管的d极电压情况相反。所以变压器次级绕组的两端是相位相反的噪声电压活跃节点。图3所示的是采用节点相位平衡法后，变压器骨架上的线圈分布情况。

 

 

 

　　变压器骨架最内层是前级绕组线圈的一半，与功率开关管的d极相连；中间层的线圈是次级绕组；最外层是前级绕组的另一半，与节点U． 相连。由于噪声电流主要通过前后级线圈层之间的寄生电容耦合，把前、后级线圈方向相反的噪声活跃节点成对地绕在内外层相对位置就能使大部分的噪声电流相互抵消，大大降低了最终耦合到次级的噪声电流的强度。

　　本文讨论的电路中还存在前级电路和次级电路的辅助电源，它们也是由绕在变压器上的独立线圈提供能量的。这两级辅助线圈的存在给噪声电流的传播提供了额外的途径。辅助线圈是为了控制电路的供电设计的。尽管控制电路本身的功率很小，但它们的存在却增大了电路对地的寄生电容，从而分担了一部分把共模噪声从活跃节点耦合到地的工作。然而把这些绕组夹在前级线圈和次级线圈的绕组中间就能增大前后级绕组的距离，从而它们的层间寄生电容就减小了，噪声电流就能相应减小。因此，变压器绕制的最终方法应如图4所示。从内到外的线圈绕组依次是：前级绕组的一半、辅助绕组的一半、后级绕组、辅助绕组的另一半和前级绕组的另一半。

 

 

 

　　3 实验部分

　　变压器改进绕法对开关电源的传导EMC性能提高的有效性可以通过实验得到验证。

　　3．1 实验方法

　　实验按照文献[43中的电压法进行。频段范围为0．15～30 MHz；频谱分析仪的检波方式为准峰值检波；测量带宽为9 kHz；频谱横轴(频率)取对数形式；噪声信号的单位为dB／~Vl5j

　　3．2 实验结果

　　图5为变压器设计改进前后实验样品的传导噪声频谱对比。

 

 

 

　　图5中的上下两条平行折线分别为国际无线电干扰特别委员会(简称CISPR)颁布的CISPR22标准中b级要求的准峰值检波限值和平均值检波限值；而曲线为开关电源的传导噪声频谱。从实验结果可以看出：与传统方法相比，新方法有着更出色的对共模噪声电流的抑制能力，尤其在中频1～ 5MHz的频段。在较低频段，电源线上的传导干扰主要是差模电流引起的；而在中高频段，共模电流起主要作用。而本文提出的方法对共模电流的抑制较强，实验和理论是相符合的。在10 MHz以上的频段，主要由电路中的其他寄生参数决定EMC性能，与变压器关系不大。

　　4 结束语

　　开关电源电路中的噪声活跃节点是电路中的共模噪声源。要降低开关电源的传导干扰水平，实际上是减小共模电流强度、增大噪声源的对地阻抗。在传统的隔离式EMC设计中，隔离层连接到电路中电位稳定的节点上(如：变压器前级的负极)要比直接连到地线对EMI干扰的抑制更有效。

　　开关电源电路中的噪声活跃节点通常都是成对存在的，这些成对节点之间的相位相反，利用这一特点活跃节点相位平衡绕法对EMI抑制的有效性高于传统的隔离式设计。由于不需要添加隔离金属层，变压器的体积与成本都能被有效减小或降低。