041 电磁兼容技术综述 - 图文

电磁兼容技术综述

北京交通大学抗电磁干扰研究中心 沙斐

在现代社会中，电子技术已经渗透到各行各业。但是越来越多的工业场所、办公机构和家庭，都几乎面对同样的问题：电磁干扰。日常生活常见的例子如：家用电器、电动工具干扰收音机、电视机和家庭娱乐系统的正常工作；电子控制的汽车防盗报警器半夜里无故大声尖叫。无线电话机、手提计算机在飞机上使用时干扰无线电导航系统，严重的还会造成飞机失事。医院用的心脏起博器、呼吸分析器等医疗设备对无线电频率干扰十分敏感；还有广受关注的手机辐射对人体影响等问题。工业环境如电力系统、电气化铁道、工厂车间等安装的自动化控制系统，常常由于强电设备对弱电设备的电磁干扰而失效。因此，怎样使在同一电磁环境下工作的各种电子电气设备、器件或系统，都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态，这不仅是用户所关心的，也是摆在电子设备设计人员和安装、维护人员面前的重要问题。这就是电子设备的电磁兼容性。

一．电磁兼容学科的发展概况

电磁兼容（EMC——Electromagnetic Compatibility）是一门新兴的综合性学科，它主要研究电磁干扰和抗干扰的问题。但是，目前它的研究对象已不仅仅限于电子电气设备，而进一步拓宽到雷电、静电等自然干扰源；核电磁脉冲；无线电频率的分配和管理；信息处理设备电磁泄漏产生的失密；电磁环境污染与生态效应等等。因此电磁兼容学科包含的内容十分广泛，实用性很强，几乎所有的现代工业部门都需要解决电磁兼容问题。

电磁兼容作为一门学科在60年代开始有了较全面的发展，目前世界上发达的国家例如美国、欧共体国家、日本等已形成了一整套完整的电磁兼容体系，表现在：具有完善的电磁兼容标准和规范；具有有效地对军用和民用产品进行电磁兼容检测和管理的机构；具有高精度的电磁兼容自动测试系统；研制了很多关于电磁兼容预测、分析和设计的程序，有的已经商品化；用于电磁兼容控制技术的新材料、新工艺、新产品不断出现。这个体系保证了产品从设计、制造、进入市场和使用的全过程都得到充分的控制，最终能实现整体的电磁兼容。

我国由于过去经济基础比较薄弱，电子工业相对落后，电磁兼容矛盾不突出，所以起步较晚，目前与国外的差距仍然很大。我国对电磁兼容的重视始于70年代的军工产业。80年代成立了全国无线电干扰标准化技术委员会，与CISPR（国际无线电干扰特别委员会）对口，研究与制订了一些电磁兼容标准。90年代的海湾战争使国人看到了电磁干扰与抗干扰在新式战争中的威力，认识到电磁兼容的重要性。民用企业感受到电磁兼容的迫切性是在欧共体颁布电磁兼容指令89/336/EEC之后，指令规定自1996年1月1日起，凡不符合电磁兼容标准的产品一律不准进入欧洲市场，这给我国的民用电子工业产品的出口带来了很大压力。现在我国已经加入了WTO，根据WTO/TBT协议（贸易技术壁垒协议），如果我国本身没有对产品进行电磁兼容认证的要求，则国外的不符合电磁兼容要求的“垃圾”产品就会大举入侵我国，因此建设和完善我国自己的电磁兼容体系已是刻不容缓的事情。

二．电磁兼容标准

由于电磁兼容问题在如此众多的领域中普遍存在，电磁兼容标准作为消除电磁干扰破坏性影响的科技规范变得日趋重要。各工业发达国家都有从事EMC标准制订工作的专业委员会，并逐步走向国际统一标准。目前国际上有权威性的电磁兼容标准有：国际电工委员会的

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CISPR 标准和IEC标准、欧共体的EN标准、ETS标准、美国的FCC标准和军用标准MIL-STD。我国也已经制订了92个电磁兼容标准。这些标准规定了各种类型的电气电子设备在各个频段的电磁骚扰发射限值和抗扰度限值，并规定了相应的试验方法、仪器设备和试验场地。

2000年我国成立了中国电磁兼容认证委员会并建立了认证机构“中国电磁兼容认证中心”，40家企业的计算机、电视机、电冰箱通过了电磁兼容认证。2001年国家建立了强制性产品认证制度，并公布了首批进行强制性认证的产品目录，涉及9大类别的132种产品。自2003年5月1日起上述产品必须经国家指定的认证机构认证，在安全和电磁兼容性检测合格后取得证书和三C标志（CCC），方可出厂销售、进口和在经营活动中使用。可见我国的电磁兼容认证工作正在全面开展并逐步与国际接轨。

三．电磁干扰三要素

对电磁兼容问题的关注，主要围绕构成干扰的三要素来进行。这三要素是：电磁骚扰源、传输途径和敏感设备。

1、电磁骚扰源

电磁骚扰源可能是电磁噪声和无用信号。 电磁噪声是不带任何信息的电磁现象，主要在电压或电流发生急剧变化（即dv/dt，di/dt很大）时产生。例如雷电、静电放电；电气设备中电感负载切断时产生的瞬变脉冲噪声；接通负载时的冲击电流及开关触点的抖动产生的脉冲噪声。信息技术设备和电力电子器件的工作信号是数字脉冲信号，具有很宽的频带，从电磁兼容角度应该考虑的最高频率为时钟频率的10倍或者为1/πtr, tr为脉冲的上升沿时间，即脉冲的前沿越陡峭或脉冲的重复频率越高，则脉冲包含的高频能量越大。设备内的元器件、集成片、印制电路板的轨线、各印制板之间的连接线等，只要有信号电流经过，都可能向外发射电磁能量，而且频率越高就越容易发射，从而对周围的其他设备或系统产生电磁干扰。因此，信息技术设备和电力电子器件的工作信号本身就是电磁骚扰源。

无用信号是指一些功能性信号，例如广播、电视、雷达等，本身是有用信号，但干扰了其它设备的正常工作，所以对敏感设备而言是无用信号。

电磁骚扰源是客观存在的，只有在影响了敏感设备的正常工作时才构成“干扰”，也就是人们通俗所说的电磁干扰。

2、骚扰的传输途径

骚扰的传输途径有两条，通过空间辐射和通过导线传导。骚扰通过导线传输时主要通过共阻抗耦合和地环路耦合方式产生干扰。当设备或元器件公用电源线和地线时（在印制电路板上是电源轨线和地线轨线），设备或元器件之间就会通过公共阻抗产生相互干扰。电源线和地线本身的电阻很低，但由于包含分布电感，所以高频时其阻抗不能忽略。高频骚扰电流就会在公共阻抗上产生相当可观的骚扰电压，迭加到其他电路上。当两个设备相互间有信号连接，同时又各自在不同地点接地，如果两个接地点之间存在地电位差，就会产生地环路干扰。

骚扰通过空间传播时，产生干扰的形式分为近场耦合和远场辐射二种。如果敏感电路离骚扰源的距离Υ<λ/2л（λ为骚扰源最高频率的波长）则为近场耦合，骚扰源通过电场和磁场（也可看成通过互电容、互电感）对敏感电路产生干扰。一般设备内部各部分电路之间的相互干扰常用近场耦合方式处理。如果Υ>λ/2л则为远场辐射干扰，骚扰电磁波或穿过敏感设备外壳干扰其内部电路，或在敏感设备的外部连接线上感应干扰电流，通过导线侵入设备内部。一般设备或系统之间的干扰属于远场辐射干扰。

3、敏感设备

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敏感设备指被干扰的设备，主要研究电磁骚扰怎样使设备性能降低，以期找到提高设备抗干扰能力的途径。

任何电子设备既可能是骚扰源，又可能是敏感设备。。因此必须采用适当的骚扰控制技术才能使电子设备达到电磁兼容性。

四．电磁兼容控制技术。

提高电子信息设备的电磁兼容性必须采用综合的骚扰抑制措施，在骚扰传播途径中层层设防，才能达到预期效果。这些措施包括：

1、屏蔽技术。机箱（柜）屏蔽和设备内部某些元器件的屏蔽用于切断骚扰通过空间传播的途径。设备一般采用金属机箱或在塑料机箱内喷涂一层金属作为屏蔽层。但实际上机箱上总是存在各式各样的孔和缝隙，例如通风孔、进出线孔、面板器件安装孔、机箱各板的连接缝隙、机箱盖和箱体之间的缝隙等，这些孔、缝都可能造成电磁波的严重泄漏，因此在设计中应遵循下面的经验公式：商用设备机箱孔缝直径d<λ/20；军用设备d<λ/50，屏蔽效能可达20多dB。为提高机箱的屏蔽效能，在接缝处可使用导电衬垫，通风窗可使用波导管，显示窗可使用屏蔽玻璃。

2、滤波技术。用于切断沿导线传播的传导骚扰。电源线、信号线和控制线端口一般采用低通滤波器来滤除频率较高的共模骚扰（线－地间骚扰）和差模骚扰（线－线间的骚扰）。滤波器的安装很关键，直接影响到滤波性能。滤波器应该安装在机箱入口处，金属外壳和屏蔽机箱紧密搭接，搭接面积越大越好，以保证良好的低阻抗接地通道。同时滤波器的输入输出线要最大限度地相互隔离，不能靠近和平行走线。

除了上述的反射式滤波器之外还可以把铁氧体磁环套在整个连接线上。铁氧体磁环在高频时呈现电阻性，所以能消耗高频共模骚扰的能量，实际上是一种吸收式的低通滤波器。由于共模骚扰电流在连接线上是有一定分布的，因此铁氧体磁环应放在电流较高的位置上，一般应放在连接线的引出处。如有可能信号线最好直接采用带滤波器的连接器，这种连接器的插座上每个引脚都带有由铁氧体磁珠和穿心电容组成的滤波器，但这种插座价格较贵。

3、接地技术。接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了防止共地线干扰，每个设备中可能有多种接地线，但概括起来可以分成三类：以安全为目的的保护地线，通常与金属机架机壳相连接；为设备中各个电路提供稳定的零基准电位的工作地线；为了抑制噪声，电缆、变压器等的屏蔽层需接地，相应的地线称为屏蔽地线。一般工作接地又根据供电电压、数字和模拟电路等分别设置地线。设备的地线布置一般采用树形结构，最后三类地线都连接到设备的一个接地点上。

4、隔离技术。隔离技术是切断地环路干扰的关键技术。在传输线上插入隔离变压器或光电耦合器。它们只能传输有用的差模信号，不能传输共模信号，从而切断了地环路。光电耦合器重量轻、体积小，响应速度快，又可传输直流和低频信号，因此，已广泛应用于数字信号的传输中，例如用于工业控制的计算机，其数字输入模块大多采用光电耦合器。

5、平衡传输。设备之间的信号传输如果能从不平衡方式改变成为平衡传输方式并与隔离技术结合，将可以进一步抑制地环路干扰。具体作法可以是传输线中的两条线都不接地，对地平衡，发送端和接收端都采用平衡差分电路，这样两条线上的共模电流对地是平衡的，因此在负载端不能转变成差模电流而干扰设备的正常工作。

电磁兼容控制技术极大地依赖于新材料、新器件、新工艺的发展。例如用于去耦滤波的高频电容器，由二个引脚改变成为三个引脚，使滤波性能大为增强。表面安装（SMT）元器件由于无引脚并且贴在印制电路板上安装，所以即使在密度很高的情况下，也能保证减小电路间的相互干扰，现在已经大量运用在高速数字电子产品中。铁氧体磁珠、磁环在高频时呈电阻性，可用作吸收式高频滤波器，其性能优于电感器，并且可以做得很小，使用方便灵

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活，既可以套在电源线、电缆线上，也可以套在高频元器件引脚上，或直接安装在印制电路板上。用于改善机箱屏蔽性能的各种金属衬垫、导电橡胶、导电漆、透明屏蔽玻璃等不断涌现，从而有助于减小设备的辐射发射和提高抗扰度。

由此可见，随着电子设备功能的扩展和性能的提高，对用于电磁兼容控制的新材料、新器件、新技术的研究也必须加强，否则就无法真正提高电子设备的质量。

五．电磁兼容设计

目前解决产品的电磁兼容问题常常放在检测机构对产品进行电磁兼容测试以后，甚至当产品使用后出现问题时才去补救，这样非但费时费力而且不能从根本上解决问题，因此应该在产品开发的最初阶段就进行电磁兼容设计。

产品的电磁兼容设计应从两方面着手考虑，第一部分是产品与外界的连接界面，包括机箱；电源线、控制线、信号线等连接线的端口；第二部分是产品内部结构的设计与布置，包括印制电路板设计，各部件的电磁兼容设计，以及相互连接线的布置等等。

1、第一部分的设计中应该考虑提高机箱的屏蔽效能，在连接线端口设置滤波器，采用平衡传输方式和隔离技术抑制地环路干扰。如果电子产品用于雷电多发区或有强电设备的工业场所，则还应在连接线端口设置防雷器和浪涌抑制器，防止幅度高陡度大的尖峰脉冲侵入设备。如果信号线传输的信号速率较高，则串接滤波器就可能把有用的信号的高频部分也滤掉，从而影响信号的正常传输。这时就只能采用屏蔽的方法，即使用屏蔽电缆和屏蔽连接器，并要求它们的屏蔽层和机箱的屏蔽层保持电连续性和一致性。具体要求电缆屏蔽层和连接器

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插头的金属外壳要有360的完整搭接，不能出现“猪尾巴”现象。插头和插座的金属外壳以及机壳都应有良好的搭接。

2、第二部分是产品内部结构的设计与布置，包括印制电路板设计，各部件的电磁兼容设计，以及相互连接线的布置等等。在第二部分的设计中印制电路板的设计最为重要，设计目的是使板上各部分电路之间没有相互干扰，印制板对外的传导发射和辐射发射尽可能降低，达到有关标准要求。外部的传导干扰和辐射干扰对板上的电路基本无影响。实际上在设计中采用正确的措施常常能同时起到抗干扰和抑制发射的作用。印制电路板设计的步骤是首先要选取印制板类型，然后是确定元器件在板上的位置，再依次布置地线、电源线、高速信号线，低速信号线。现在分别加以讨论。

（1）印制电路板的选取

印刷电路板有单面、双面和多层板之分，单面和双面板一般用于低、中密度布线的电路和集成度较低的电路。多层板适用于高密度布线、高集成度芯片的高速数字电路。

（2）元器件布置

首先应对板上的元器件分组，目的是对印制板上的空间进行分割，同组的放在一起，以便在空间上保证各组的元器件不致于相互干扰。一般先按使用电源电压分组，再按数字与模拟、高速与低速以及电流大小等进一步分组。不相容的器件要分开布置，例如发热元件远离关键集成电路，磁性元件要屏蔽。敏感器件则应远离CPU时钟发生器等等。

连接器及其引脚应根据元器件在板上的位置确定。所有连接器最好放在印制板的一侧，尽量避免从两侧引出电缆，以便减小共模电流辐射。高速器件（频率大于10MHz或上升时间小于2ns的器件）尽可能远离连接器。I/O驱动器则应紧靠连接器，以免I/O信号在板上长距离走线，耦合上干扰信号。

（3）地线的布置

1）布置地线时首先考虑的问题是“分地”，即根据不同的电源电压，数字电路和模拟电路分别设置地线。在多层印制板中有专门的地线层，在地线层上用“划沟”的方法来分地。但分地并不是把各种地完全隔离，而是在适当的位置仍需把不同的地短接起来，以保证整个

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地线的电连续性，短接通道有时也形象地称之为“桥”。桥应该有足够的宽度。

2）多层板的信号层上的高速信号轨线不能横跨地线层上的沟。 3）A/D变换器芯片如只有一个地线引脚，则该芯片应安放在连接模拟地和数字地的桥上，避免数字信号回流绕沟而行。

4）连接器不要跨装在地线沟上，因为沟两边的地电位可能差别较大，从而通过外接电缆产生共模辐射骚扰。

双面板的地线通常采用井字形网状结构，即一面安排成梳形结构地线，另一面安排几条与之垂直的地线，交叉处用过孔连接。网状结构能减小信号电流的环路面积。地线应尽可能地粗，以减小地线上的分布电感。

（4）电源线的布置

印制板上的电源供电线由于给板上的数字逻辑器件供电，线路中存在着瞬态变化的供电电流，因此将向空间辐射电磁骚扰；供电线路电感又将引起共阻抗耦合干扰；同时会影响集成片的响应速度和引起供电电压的振荡。一般采用减小供电线路特性阻抗的方法和滤波去耦电容的方法来抑制电源线中存在的骚扰。

1）双面板上采用轨线对供电，轨线对应尽可能粗，而且相互靠近。供电环路面积应减小到最低程度，不同电源的供电环路不要相互重叠。如印刷版上布线密度较高不易达到上述要求，则可采用小型电源母线条插在板上供电。多层板的供电有专用的电源层和地线层，面积大，间距小，特性阻抗可小于１Ω。

2）印制电路板上的供电线路应加滤波器和去耦电容。在板的电源引入端使用大容量的电解电容10μF～100μF作低频滤波，再并联一只0.01—0.1μF的陶瓷电容作高频滤波。板上集成片的电源引脚和地线引脚之间应加0.01μF的陶瓷电容进行去耦，至少每3块集成片应有一个去耦电容。去耦电容应贴近集成片安装，连接线应尽量短，最大不超过4 cm。去耦回路的面积也应尽可能减小。对于多层板，电源层和地线层之间的电容也参与去耦，主要针对频率较高的频段。如果层电容量不足，板上可再另加去耦电容。采用表面安装（SMT）的去耦电容可以进一步减小去耦回路的面积，达到良好的滤波效果。

（5）信号线的布置

1）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。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。分布在同一层上的信号线的间距至少应大于2倍的线宽，即2W原则。

信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排。一个电路的输出信号线不要再折回输入信号线区域，

2）高速信号线要尽可能的短，以免干扰其他信号线。在双面板上，必要时可在高速信号线两边加隔离地线。多层板上所有高速时钟线都应根据时钟线的长短，采用相应的屏蔽措施。

3）信号线应考虑阻抗匹配问题。

所谓阻抗匹配即信号线的负载应与信号线的特性阻抗相等。特性阻抗与信号线的宽度、与地线层的距离以及板材的介电常数等物理因素有关，是信号线的固有特性。阻抗不匹配将引起传输信号的反射，使数字波形产生振荡，造成逻辑混乱。通常信号线的负载是芯片，基本稳定。造成不匹配的原因主要是信号线走线过程中本身的特性阻抗的变化，例如走线的宽窄不一，走线拐弯，经过过孔等。所以布线时应采取措施，使得信号线全程走线的特性阻抗保持不变。

a)高速信号线布置在同一层上，不经过过孔。一般数字信号线应避免穿过二个以上的过孔。

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b)信号线拐900直角会产生特性阻抗变化，所以拐角处应设计成弧形或轨线的外侧用两个450角连接。

c)信号线不要离印制板边缘太近，留有的宽度应至少大于轨线层和地线层的距离20倍，即20H原则（约为20X0.15=3mm）否则会引起特性阻抗变化，而且容易产生边缘场，增加向外的辐射。

d)时钟发生器如有多个负载，则扇出不能用树型结构走线，而应用蜘蛛网型结构走线，即所有的时钟负载直接与时钟功率驱动器相互连接。

4）在印制板上不允许有任何电气上没有连接并悬空的金属存在。例如集成片上空闲的引脚、散热片、金属屏蔽罩、支架和板上没有利用的金属面等都应该就近接地线层。

综上所述，印制电路板设计应遵循三个主要原则。1、无论是信号环路或供电环路，电流的环路面积越小越好，尤其不能出现环套环的重叠现象。2、不相容的元器件和信号线（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。分布在不同层上的信号线走向应相互垂直。这样可以减少相互之间的电场和磁场耦合干扰。3、高速信号线应考虑阻抗匹配问题，即信号线的负载应与信号线的特性阻抗相等。阻抗不匹配将引起传输信号的反射，使数字波形产生振荡，造成逻辑混乱。通常信号线的负载是芯片，基本稳定。造成不匹配的原因主要是信号线走线过程中本身的特性阻抗的变化，例如走线的宽窄不一，走线拐弯，经过过孔等。所以布线时应采取措施，使得信号线全程走线的特性阻抗保持不变。

干扰抑制要采取综合整治的方法，任何一种单独的抑制措施都不会达到理想效果。电磁兼容的一个基本观点就是既要对噪声源进行抑制，又要提高敏感设备的抗干扰能力，不能单纯的强调一个侧面。如果无限制的对某个侧面提出过高要求，则可能导致人力、物力和时间上的浪费，有时甚至是难以实现的，因而应该站在整个系统的立场上在系统的组织设计初期就考虑电磁兼容问题，并在设备制造、现场施工及使用维护中加以实施，这样才能确保整个系统的正常运转。

六．电磁兼容测试

电磁兼容测试贯穿在产品的设计、开发 生产、使用和维护的整个周期，对设备达到电磁兼容起到至关重要的作用。电磁兼容测试按其目的可分为诊断测试和达标测试。诊断测试的目的是调查产生电磁兼容问题的原因，确定产生噪声和被干扰的具体部位，从而为采取抑制措施做准备。达标测试是根据有关电磁兼容标准规定的方法对设备进行测试，评估其是否达到标准提出的要求。产品在定型和进人市场之前必须进行达标测试。

1、电磁骚扰发射 （EMI）包括辐射发射（RE）和传导发射（CE），所以测试也应分两部分进行。

1）骚扰的辐射发射测试

辐射发射测试是测量受试设备（EUT）通过空间传播的骚扰辐射场强，为了对辐射骚扰有一个统一的度量，标准不但对测量布置、测量方法作了规定，而且对骚扰测量仪、天线和测量场地都作了严格的规定，测试布置如下图所示。

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测试天线和被测设备（EUT）之间的距离标准规定为3、10m或30m。测试天线接收到噪声后由同轴电缆送至骚扰测量仪进行测量，测量频率一般为30～1000MHz。随着设备内时钟频率的加快，测量频率现在有上升的趋势，有些标准要求测到18GHz，甚至扩展到40GHz。由于达标测试是测量EUT可能辐射的最大值，所以EUT应放在转台上（可360°旋转）以便寻找EUT的最大噪声辐射方向，EUT离地面高度通常为0.8m。接收天线的高度应该在1～4m（如测试距离为3m或10m）或2～6m（如测试距离为30m）内扫描。记录最大辐射场强。

2）骚扰的传导发射测试

传导发射测试是测量受试设备（EUT）通过电源线或信号线向外发射的骚扰。根据骚扰的性质，传导骚扰测试可分为连续骚扰电压测量、骚扰功率测量、断续骚扰喀呖声测量、谐波电流测量、电压波动和闪烁测量。

a. 连续骚扰电压测试

连续骚扰电压测量主要利量EUT沿着电源线向电网发射的骚扰电压，测量频率为0.15～30MHz。测量一般在屏蔽室内进行。测量时需要在电网和EUT之间插入一个人工电源网络（AMN），其原理如图9所示。

AMN的作用是隔离电网和EUT，使测到的骚扰电压仅是EUT发射的，不会有电网的骚扰混入。另一作用是为测量提供一个稳定的阻抗，因为电网的阻抗是不确定的，阻抗不一样EUT的骚扰电压值也不相同，所以要规定一个统一的阻抗，通常为50Ω。AMN实际上是个双向低通滤波器，电网中的骚扰由50μH和 1.0μF的滤波器滤掉，不能进人骚扰测量仪，而EUT发射的骚扰由于50μH滤波器的阻挡不能进人电网，只能通过0.1μF电容进入骚扰测量仪。测量仪的输入阻抗是50Ω。所以EUT骚扰的负载阻抗约等于50Ω。对于50Hz的工频电源，仍然可以通过AMN向EUT供电。图9中的AMN仅是一种基本结构，由基本结构可以组成V型AMN，用于测量电源中相线——地线和零线——地线的不对称骚扰电压，也可组成Δ型AMN，除了测量线－－地间的不对称骚扰电压外还可以测量相线——零线间的对称骚扰电压。测量时EUT和AMN的布置、连接线的长度和走向等都应按标准规

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定的要求进行。AMN外壳要良好接地，否则将影响电网和EUT之间的隔离。

b. 谐波测试

主要测量EUT工作时注入到电网中的谐波，测量电路如右图所示。

EUT的供电电源S要求为纯净电源，频率稳定、幅度稳定，不会产生额外的谐波。EUT产生扩谐波电流由分流器Zm取样，送入谐波分析仪M进行测量。

3)连续骚扰的功率测试

当测量频率升高到30MHz以上时，人工电源网络AMN内的电感、电容器分布参数影响加大，使其不能起到良好的隔离和滤波作用；再则，这时高频骚扰实际上是沿着电源线向外“辐射”，所以应采用功率吸收钳进行测量。测量虽然在电源线上进行，但实际上是辐射测量。功率吸钳的结构如图10（a）所示，其中C是电流探头，包括铁氧体环和探测线圈，

D是铁氧体环组用于隔离EUT和电网，E也是铁氧体环组，用于抑制电源线和测量线之间的耦合，测量布置如图10（b）所示，测试应在屏蔽室内进行，电源线长度应大于6m，即大于30MHz的半波长。吸收钳应沿着电源线移动，找出最大辐射点，因为电磁波在导线上是以驻波形式出现的。为了进一步阻止电网骚扰的侵入，以免影响测量结果，应在电网端再加一个辅助吸收钳F，它也是由铁氧体环组成。由吸收钳的工作原理可知EUT的骚扰动率一部分被铁氧体环吸收，这部分称吸收钳的插入损耗L，由厂家给出，所以EUT的实际骚扰功率P，应为骚扰测量仪测得的功率Pr和插入损耗L之和，即

P（dB）=Pr（dB）+L（dB）

（2）设备的抗扰度测试又称为设备的敏感度测度（EMS），目的是测试设备承受各种电磁骚扰的能力。当设备由于受到骚扰影响而性能下降时其性能判据可分为四级：

A：EUT工作完全正常；

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B：EUT工作指标或功能出现非期望偏离，但当骚扰去除后可自行恢复；

C：EUT工作指标或功能出现非期望偏离，骚扰源去除后不能自行恢复，必须依靠操作人员的介入，例如“复位”（不包括技术人员进行的硬件维修和软件得装）方可恢复；

D：EUT的元器件损坏，数据丢失、软件故障等。

针对骚扰的不同性质、不同传播途径和方式，有各种不同的测试方法。常做的几种试验有辐射电磁场抗扰度试验、射频场感应的传导骚扰抗扰度试验、静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌（冲击）抗扰度试验、电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验、工频磁场抗扰度试验、脉冲磁场抗扰度试验等。

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案例一

共模骚扰的成因与对策

北方交通大学抗电磁干扰研究中心 沙斐

1. 引言

共模骚扰是让许多系统工程师头疼的问题。它看不见摸不着却“作恶多端”，往往是造成电子电气产品工作失灵或者辐射发射测试超标的“罪魁祸首”。本文将对共模骚扰的产生和抑制进行研究。

电流在导线上传输时有两种方式：共模方式和差模方式。一对导线上若流过差模电流，则两条线上的电流大小相等，方向相反。驱动源是线－线之间的差模源。一般有用信号都是差模电流。一对导线上若流过共模电流，则两条线上的电流方向相同。驱动源是线－地之间的共模源。骚扰在传输线上既可以以差模方式出现，也可以以共模方式出现。概括说来，共模骚扰可以分为两种。一种是设备外部的骚扰通过设备的互连线以共模电流的形式侵入设备内部产生干扰，另一种是设备内部产生的骚扰通过设备互连线以共模电流的形式向设备外部发射骚扰。共模骚扰通常指线－地之间的骚扰。下面就对这两种共模骚扰的成因、表现形式和抑制对策分别进行阐述。

2. 共模电流的侵入

2.1地环路中产生的共模电流骚扰 图1为地环路的示意图。

图中两设备用一对电缆传输线连接，图中设备?（发送部分）、设备Π（接收部分）分别接各

自的地。这是一个不平衡传输电路。在理想情况下，两设备的地电位相等，传输线对中仅存在有用信号UDM的差模电流IDM，途经是

＋UDM>ZS>信号线阻抗Zt>负载ZL>回

图1 共模电流与差模电流的转换 流线阻抗Zt>—UDM

但是，实际情况往往没有这么理想，两个设备的接地点P和Q之间很可能会存在电位差UCM。例如，设备?处有高电流入地或瞬态强电流入地，使P点地电位弹升，或者电缆传输线处在较强的骚扰电磁场中，地环路中产生感应电动势，相当于在PQ间存在电位差UCM。

此时，由UCM产生的噪声电流将同时通过信号线和回流线，方向是相同的，因此是共模电流，途径为

ZS 信号线阻抗Zt 负载ZL ＋UCM P点 Q点 —UCM

回流线阻抗Zt

由于各条途经中的阻抗不一样，共模电流大小也不同，因此在

ZL两端产生

了差模压降，从而对设备2的正常工作产生干扰。

由于各条途经中的阻抗不一样，共模电流大小也不同，因此在ZL两端产生了差模压降，

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从而对设备2的正常工作产生干扰。

传输线对上是否存在共模电流骚扰可以方便地用电流钳测出。将电流钳夹住传输线，差模电流不会在电流钳中产生感应电压，共模电流则可以。将该电压输入示波器或频谱仪就可以分析共模骚扰的波形和频谱特性。[1]

2.2抑制共模电流传导骚扰的对策 2.2.1采用平衡电路

如果用图2的平衡电路来代替图1的不平衡电路，则情况可以大大改善。图中信号线和回流线对地阻抗是平衡的，由UCM驱动的共模电流在两条线中是相等的，因而在ZL两端没有差模噪声压降，所以用平衡电路可以避免从共模到差模的转换。例如，计算机的RS-422串行接口采用这种平衡传输方式，因此可提高传输

图2 平衡电路传输 线的抗干扰能力。

2.2.2切断地环路

由于产生共模电流的根本原因是地电位差的存在，所以切断地环路是抑制共模电流骚扰最直接的方法。这种方法常用的措施有以下几种：

1)隔离变压器

图3 隔离变压器切断地环路 (a)隔离变压器；(b)等效电路；(c)隔离层结构 在电路1和2之间插入隔离变压器，如图3（a）所示。电路1的有用信号可以通过变压器的磁场耦合传输到电路2去，而地环路产生的共模电流由于方向相同在变压器初级绕组中相互抵消，起到了隔离作用。但是一般变压器并非理想的，初级绕组和次级绕组间存在着分布电容，所以共模电流可能通过这些分布电容从初级流到次级去，并进一步流向负载。为了减小分布电容，提高变压器的隔离效果，应该在初、次级间加一层金属屏蔽层，其结构是用一层铜箔绕一匝，但在交接处必须垫上绝缘层，不能让其变成短路环，否则差模电流也被隔离了，见图3（b）。该铜箔起到了初级与次级间的电场屏蔽作用，即减小了两者之间的分布电容。该铜箔应接地，而且要接在负载端，否则不起作用，这可用图3（c）解释。屏蔽体如接在A端的地上，则共模噪声仍可通过C2耦合到负载上去，所以在B端接地。隔离变压器的缺点是不能传输直流信号和频率很低的信号。

2) 共模扼流圈

在电路1与电路2之间插入共模扼流圈，如图4所示。共模扼流圈可以传输差模信号，直流和频率很低的差模信号都可以通过，而对于高频共模噪声则呈现很大图4 共模扼流圈

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图5 光电耦合器切断地环路 的阻抗，所以它可以用来抑制共模电流骚扰。此外，用铁氧体磁环套在两根导线上也同样可以起到共模扼流圈的作用。

3)光电耦合器

在电路1与电路2之间插入光电耦合器，如图5所示。光电耦合器只能传输差模信号，不能传输共模信号，所以完全切断了两个电路之间的地环路。光电耦合器可以传输直流和低频信号，响应速度快，输入输出端的分布参数小，而且体积小，重量轻，便于安装，目前已广泛应用在数字电路中，频率高达10MHz。

3．共模电流的辐射

在测量设备通过空间传播的辐射骚扰强度时常常遇到下述情况。如设备不接各种输入输出线或控制线时则辐射噪声较小，可能不超过标准规定的要求，但是接上这些线以后辐射噪声在某些频段会显著增加，有时可增10～

图6 电流驱动产生共模辐射原理图

20dB。实验证明噪声强度的增加与外接线终端是否接负

(a) 原理图； (b) 等效天线

载，即是否有差模的负载电流关系不大，因此这是共模电流辐射问题。一对紧贴着的导线如果流过差模电流则导线各自在空间产生的电磁场可以相互抵消，因为两根导线中的电流大小相等方向相反。当导线对上流过共模电流时各自产生的电磁场可以相互叠加。

3.1共模电流辐射的基本模式 3.1.1电流驱动模式

图6是电流驱动模式的示意图。图中UCM是共模电压源，设备内部有很多这样的源，例如各种数字信号电路、高频振荡源等。ZL为回路负载，IDM为回路的差模电流，该电流流过AB两点间的回流地（例如PCB的地线），回到差模源。如AB间存在一定电感LP，则会产生压降UCM。这里，UCM就是产生共模辐射的驱动源。要产生辐射，除了源以外还必须有

天线。这里的天线由两部分组成，一部分是由A点向左看的地线部分，另一部分是由B点向右看的地线部分和外接电缆。其组成的辐射系统的等效原理图如图6（b）所示，这实际上是一副不对称振子天线。由于共模电流ICM是由差模电流IDM产生的，所以称这种模式为电流驱动模式。以下举二例说明电流驱动产生的共模辐射，其基本解决办法将在2.3节进行叙述。[1]

图7 分地引起的共模辐射 【例1】 在PCB上为了把数字部分和模拟部分隔离， 常把地分割成数字地和模拟地。如果这两部分之间有信号联系，如图7所示，并且数字地和模拟地的连接部分AB比较细长存在一定电感，则差模电流IDM将在AB连接线的电感上产生共模驱动电压源，从而引起共模辐射。天线一部分是数字地，另一部分是模拟地和外接地线。

【例2】PCB的地通过AB线与机壳相连接，如图8所示。PCB上有扁平信号线与机壳贴近，

图8 电流驱动方式实例 于是差模源通过

分布电容耦合到

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图9 电压驱动产生共模辐射原理图 机壳上，引起差模电流IDM。IDM通过AB线回到PCB的差模源。如果AB线存在一定电感LP，则IDM在LP上产生电压降UCM，成为共模驱动电压，从而引起共模辐射。这时的天线一部分是外接地线，另一部分是机壳。这种辐射常发生在以下情况，例如设备内部的地址线、数据线等扁平电缆贴近机壳，分布电容较大，PCB和机壳之间的连接线细长或接触不良等等。

3.1.2电压驱动模式

电压驱动模式的原理如图9所示，图中差模电压源UDM直接驱动天线的两个部分，即上金属部分和下金属部分，从而产生共模辐射。共模辐射电流ICM为

ICM＝j?CAUDM

式中CA为上下两部分金属之间的分布电容。下述例子说明了电压驱动产生的共模辐射。

【例3】图10示出的是开关电源的一部分。其中，Q是大功率的开关管，它可以看成是差模电压源UDM。共模电流ICM的途径是由Q通过开关管和散热片之间的分布电容Cd到达散热片，散热片是共模天线的一个极，然后图10 电压驱动方式实例 以空间位移电流的形式即通过CA到达外部接线，外部接线是天线的另一个极，共模电流再由PCB地回到Q。

3.2产生共模辐射的条件

产生共模辐射的条件一是要有共模驱动源，二是要有共模天线。任何两个金属体之间只要存在RF电位差就构成一副不对称振子天线，两个金属体分别是它的两个极，RF电位差即为共模驱动源，它通过不对称振子天线间的空间辐射电磁能量。当频率达到MHz级时，nH的小电感和pF级的小电容都将产生重要的影响。两个导体连接处的小电感会产生RF电位差。如【例1】中数字地模拟地连接线的小电感，【例2】中PCB与机壳之间连接线的小电感等都是产生共模驱动源的的根源。没有物理连接点的金属体也可能通过小电容变成天线的一部分。如【例3】中散热片与开关管物理上是绝缘的，但可以通过它们之间的小电容在RF频率上连接起来，构成共模天线的一部分。

共模天线的一个极必定是设备的外部接线，另一个极可以是设备内部PCB的地线、电源面、机壳、散热片、金属支撑架等等。当天线的两个极总长度大于?/20时，天线的辐射才可能有效。当天线长度与驱动源谐波的波长符合下式时天线发生谐振，辐射能量最大

l=n(?/20) n=1,2,3,……

在天线总长度确定时，源在天线上的位置是天线辐射能量的决定因素。天线在源的同一侧时产生的共模辐射要比天线在两侧时小得多。[1]

3.3抑制共模辐射骚扰的对策

通过分析共模辐射产生的条件，我们可以很容易想到抑制共模辐射骚扰也是从这两方面入手，一是对共模天线进行处理，二是减小共模驱动源对外的输出功率。下面就从这两方面出发，对一些具体的抑制措施分别进行叙述。

3.3.1从共模天线入手

减小天线长度即设备外部电缆的长度可以减小辐射，但实际应用中电缆长度往往是确定的，无法缩短，因此可用以下方法。

1)改变共模源在天线上的位置

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3.2节已经讲过，万一设备内部存在共模辐射源，则电缆是很好的共模辐射天线，而天线在源的同一侧时产生的共模辐射要比天线在两侧时小得多。所

图11 开关管和散热片之间的静电屏蔽 以，在PCB设计时，所有的连接器最

好都放在PCB的一侧。所有的信号线、控制线、电源线也最好从机箱的一侧引出，尽量避免从两侧引出电缆。

2)减小分布电容Cd

对于电流驱动的共模辐射，如【例2】，减小信号线与机壳之间的分布电容Cd，就可以减小差模电流IDM，从而减小了IDM在AB线电感Lp上的电压，即共模驱动电压UCM，这样就减小了共模辐射。减小分布电容Cd的方法非常简单，只要将该设备内部的地址线、数据线等扁平电缆远离机壳就可以了。对于电压驱动的共模辐射，如【例3】，减小开关管和散热片之间的分布电容Cd，则可以减小共模电流ICM，从而减小共模辐射。要减小Cd，可以选用低介电常数的材料作绝缘垫，增加垫片的厚度。也可以用静电屏蔽的方法，如图11所示。一般，开关管的外壳是集电极，在集电极和散热片之间垫上一层夹心绝缘物，即绝缘物中间夹一层铜箔，作为静电屏蔽层，接在输入直流0V地上，散热片仍接机壳地，这层静电屏蔽层将大大减小集电极和散热片之间的电场耦合。图11（a）是静电屏蔽的示意图，图11（b）是实物图。

3)电缆屏蔽层与机箱良好搭接

图12是一种典型共模辐射的简化图。屏蔽机箱内存在一个共模驱动源（可能是高速数字器件、时钟发生器、开关电源等）。很显然，共模驱动源产生的共模电流会沿着屏蔽电缆向外辐射。如果将电缆的屏蔽层与金属机箱完整搭接，那么共模图12 典型共模辐射简化图 电流就会迅速通过金属机箱流入地中，不会在空间产生辐射，

这就等于抑制了共模辐射。在这个方法中，需要注意两个问题。一是电缆屏蔽层应与金属机箱360?完整搭接，并保证良好的电连续性。如果连接时屏蔽层的编织网被集中在一侧，扭成“猪尾巴”状的辫子，芯线有很长一段露出屏蔽层（见图13），则会产生“猪尾巴效应”，很大程度上降低了屏蔽层的屏蔽效果，也不能很好地抑制共模辐射。二是屏蔽机箱应

图13 屏蔽电缆接头处的“猪尾巴效应” 该具有良好的电连续性，接缝处要保证金属之间接触良好，

这样才能达到较高的屏蔽效能，才能保证共模电流在金属机箱上的均匀流动。

4)在PCB上或上方不允许有任何电气上没有连接并悬空的金属存在

PCB上的集成电路芯片上有时有些闲置的门电路引脚，这些引脚相当于小天线，可以接收或发射干扰，所以应该把它们就近接回流地或电源线。悬空的金属，特别是大面积的金属分布电容大，容易产生电场耦合。任何金属构件如果存在电位差就可能产生共模辐射，所以必须把它们良好地就近接地。例如散热片、金属屏蔽罩、金属支架、PCB上没被利用的金属面都应该接地。

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3.3.2从共模驱动源入手 1)改进印制板上的电路布置

印制板电路布线时应尽量减小供电环路和信号环路的面积，因为环路的面积越大，电感就越大，就越容易产生共模电流源。同时，还应尽量减小回流地线的阻抗。各种地线之间的连接不能用太细的轨线。例如，图7和图8中AB连接线应增加宽度，或者多加几根连接线。

2)在PCB上分割出专用的“EMC”地

为了抑制共模干扰，建议在靠近连接器处把PCB的地层分割出一块，作为专用的“EMC地”，如图14所示。EMC地上必须不存在任何数字信号的回流，因此也称为“无噪声地”。EMC地应与机壳良好搭接，搭接阻抗（主要是电感）要尽可能地减小，可采取多点搭接方法，以保证EMC地和机壳具有相等的电位。EMC地和数字地之间仍保持电气连接。连接器处的每条I/O线包括信号线和回流线都应分别并联高频去耦电容至EMC地，去耦环路的电感越小越好，例如可用表面安装式电容。这样I/O线所携带的PCB的共模干扰电流在输出前通过去耦电容被旁路了。同时外部干扰例如静电、浪涌脉冲等如通过I/O线侵入，则还没有到达元器件区域时就被去耦电容旁路到设备的机壳上，从而保护了内部元器件的安全工作。 图14 EMC地和共模去耦电容 3)在传输线输出端口插入滤波器

在传输线的输出端口插入滤波器可以抑制高频共模骚扰沿着传输线向外传输。滤波器的种类有反射式的电容滤波器、电感滤波器、电源滤波器，以及吸收式的铁氧体滤波器等。下面分别进行阐述。

把电容器并接在导线和地之间就构成了电容共模滤波器，它可以让高频共模噪声通过电容器流入地中，从而避免了影响后续电路的正常工作。穿芯电容也是一种共模电容滤波器，使用时穿芯电容用螺栓或焊接方法固定在金属板上，有用信号可以通过其芯线穿过金属板，而高频噪声则通过芯线与金属板之间的电容入地。

用于抑制共模高频噪声的电感共模滤波器一般就是指共模扼流圈。将它插入传输导线对中，可以同时抑制每根导线对地的共模高频噪声，而对于传输线中的差模电流则没有影响，这在2.2.2节已经作过介绍。

差模和共模滤波器级联在一起可以组成多级滤波器，它可以同时抑制两种模式的高频噪声。阻带范围不同的滤波器级联可以扩展阻带的频率范围。多级滤波器的另一个优点是其滤波器性能受两端负载阻抗的影响较小。电源滤波器是多级低通滤波器级联的一个实例。它的作用往往是双向的，它不仅可以阻止电

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图15 电源滤波器的典型结构

图16 电源滤波器的正确安装

网中的噪声进入设备，也可以抑制设备产生的噪声污染电网。图15是电源滤波器的典型结构。上图包括二级电感共模滤波器串联。下图是一级电感共模滤波器和一级电感差模滤波器串联。图16是其典型安装图。[2]在安装电源滤波器的时候应该注意以下几点：

在交流电源线一进入机箱的地方就应该安装电源滤波器。不能让电源进线在机箱中走了相当长一段距离以后才进入滤波器。因为如果这样走线的话，那么电网中的各种噪声就会通过这段电源线在机箱内辐射，或者耦合到设备内部的敏感电路中去，构成干扰。同时设备内部一些高速数字器件或其信号线上的信号也会耦合到电源线上，沿着电源线向外发射，使该设备在电磁兼容达标测试中超过标准所规定的噪声辐射和传导限值。

电源线和数字信号线应该分别从不同处进入机箱，并且要相隔一定距离。 电源滤波器的金属外壳在电源进线处与机箱紧密联成一体。

最好能如图16所示，安装一个金属屏蔽盒。金属盒要用螺钉固定在机箱上，与机箱紧密联成一体。

进入电源滤波器的电源线和输出电源滤波器的电源线（金属屏蔽盒内）都要尽可能的短，并且滤波前和滤波后的电源线要尽量互相远离。

铁氧体吸收型滤波器（见图17）是目前应用发展很快的一种低通滤波器，已广泛应用于各种电路中。当导线中的电流穿过铁氧体时低频电流几乎可以无衰减地通过，但高频电流却会受到很大的损耗，转变成热量散发，所以铁氧体和穿过其中的导线即成为吸收式低通滤波器。铁氧体滤波器与电感器的功能是相同的。只是前者是吸收型的，后者是反射型的。铁氧体的高频滤波性

图17 铁氧体滤波器及其等效电路 能比电感器好，并且使用起来更加方便灵活。根据不同的使用场合铁氧体滤波器可以做成多种形式，最常用的是磁环和磁珠。它们可以用在以下场合：

磁环可套在交流电源线对、直流电源线对、信号线对上，也可套在电缆线把上用于抑制共模噪声；

磁环可套在高频元件引脚上，防止电路产生高频振荡； 磁珠可串接在电源的正负导线中，用于抑制差模噪声。 使用铁氧体磁环时应注意以下问题：

电缆或导线应与环内径密贴，不要留太大空隙；

磁环越长阻抗越大，如果一个不起作用可以多穿几个磁环； 有时为增加阻抗可以把导线在磁环上多绕几圈（如图17所示），增加匝数。但由于匝与匝之间存在分布电容，所以一般最多绕2～3匝；

磁环内的导线如流过直流或低频交流电流的强度较大则会使其滤波作用失效；

磁珠比较适用于低阻抗电路。但是，如果能在磁珠后面再并接一个电容组成类似L-C滤波器来降低负载阻抗，则磁珠的滤波效果会明显增加，也可用于负载阻抗稍高的电路了。

4. 结束语

侵入设备的共模骚扰主要由地环路引起，因此在设计上采用平衡电路或设法切断地环路可以提高设备的抗干扰性能。设备内的共模骚扰通过连接线向外辐射，相当于一副不对称振子天线，可以使用共模滤波、加铁氧体磁环或电缆屏蔽等方法在“天线”上采取措施， 但最根本的还是应该在印刷电路板设计、元器件布置和连接线的安排上下功夫，以抑制共模骚扰源的产生。在设备设计阶段就考虑共模骚扰问题并提前采取措施，才能达到事半功倍的效果。

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案例二

开关电源的骚扰抑制

开关电源不需要沉重的电源变压器，具有体积小，重量轻，效率高的优点，加上已有市售的开关电源集成控制器模块，使电源设计，调试简单化，所以在计算机、电视机及各种控制系统中得到广泛运用。开关电源的基本原理框图如图1所示。

图1 开关电源的基本原理框图

交流电源经过一次整流滤波后变成直流电源UI,然后送到DC/DC变换器。变换器由逆变器和二次整流滤波器组成，逆变器把直流UI变成几千赫至几百赫的高频矩形波，然后再由二次整流滤波器变成所需的直流输出电压U0。由取样，误差放大，基准电压，脉冲控制电路构成的控制器与变换器构成电压负反馈系统，通过调节逆变器输出矩形波的占空比（即PWM方式）或重复频率来稳定U0。开关电源的种类很多，按变换器的电路结构可分为串并联式和直流变换式二种。按激励方式可分为自己和他激二种。按开关管的组合可分为桥式，半桥式，推挽式等。但无论何种类型的开关电源再工作时都会产生很强的噪声，他们通过电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空间辐射噪声。开关电源对由电网侵入的外部噪声也很敏感，并经由它传递到内部电子电路中产生干扰。所以对开关电源的噪声问题必须很好的解决。图2是一台直流变换式他激单边型开关电源，以此为例我们来分析开关电源的噪声来源及抑制方法。

图2 交流变换式他激单边型开关电源原理图

交流电源输入开关电源后由桥式整流器V1~V4整流成直流电压UI，UI加在脉冲变压器的初级L1和开关管V5上。 开关管V5的基极输入一个几千赫至几百千赫的高频矩形波，其重复频率和占空比由输出直流电压U0的要求来确定。被开关管放大了的脉冲电流由脉冲变压器耦合到次级回路。脉冲变压器初次级匝数之比也是由输出直流电压U0的要求来确定的。高频脉冲电流经二级管V6整流并经C2滤波后变成直流输出电压U0。由于开关管一般

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功率都较大，所以在集电极上加散热片K,K是接机壳的，为了防止短路，在集电极和散热片中间填有绝缘薄片。开关电源可能产生的噪声如下：

脉冲变压器初级L1，开关管V5和滤波电容C1构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射。如果电容器C1滤波不足，则高频电流还会以差模方式传导到交流电源中去。

脉冲变压器次级L2，整流二级管V6，滤波电容C2也构成高频开关电流环路，可能向空间辐射噪声。如果电容C2滤波不足，则高频电流将以差模形式混在输出直流电压U0上，影响后续电子电路的正常工作。

散热片K与开关管集电极间虽然有绝缘垫片，但由于双方接触面积较大，绝缘垫片厚度较薄，两者之间的分布电容Ci在高频是不能忽略，因此高频开关电流会通过Ci流到散热片K上，再流到机壳地，最终流到与机壳地相连接的交流电源线的保护地线PE中，从而产生共模辐射。电源线L和N线对PE现存在一定阻抗，如阻抗不平衡则共模噪声还会转变成差模噪声。

脉冲变压器的一次侧和二次侧间存在分布电容Cd，一次侧的高频电压通过这些分布电容，将直接耦合到二次侧上去，在二次侧的二条输出直流电源线上产生同相位的共模噪声。如二线对地阻抗不平衡，还会转变成差模噪声。

脉冲变压器二次侧后面的整流二级管V6会产生反向浪涌电流。硅二极管在正向导通时PN节内的电荷被积累，二极管加反向电压时积累电荷将消失并产生反向电流。因为开关电流需经二极管整流，二极管由导通变为截止的时间很短，在短时间内要让存储电荷消失就产生了反向电流的浪涌。由于直流输出线路中的分布电感，分布电容，浪涌引起了高频衰减振荡，这是一种差模噪声。

开关三极管的负载是脉冲变压器的一次线圈L1，是感性负载，所以开关通断时管子两端会出现较高的浪涌尖峰电压，这个噪声会传导到输入输出端去，也可能击穿开关管。

由以上分析可知开关电源产生的噪声是多途径多方式的，因此应该在各方面都采取抑制措施，通常可从以下几方面着手：

（1）减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容Ci。可以选用低介电常数的材料作绝缘垫，加厚垫片的厚度，也可以用静电屏蔽的方法，如图7-26所示。一般开关管的外壳是集电极，在济电机和散热片之间垫上一层夹心绝缘物，即绝缘物中间夹一层铜箔，作为静电屏蔽层，接在输入直流0V地上，散热片仍接机壳地，这层静电屏蔽层将大大减少集电极和散热片之间的电场耦合。图3（a）是静电屏蔽的示意图，图3（b）是实物图。

图3

（2）交流电源线输入端插入共模和差模滤波器，防止开关电源的共模和差模噪声传递到电源线中，影响电网中其他用电设备，同时也可抑制来自电网的噪声。共模和差模滤波器的形式如图4所示，其中Ld、Cd用于抑制差模噪声，一般Ld取100~700uH，Cd取1~10uF，对抑制10~150kHz比较有效。Lc、Cc用于抑制共模噪声，一般Lc取1~3mH，Cc取2000~6800pF，对抑制150kHz以上的共模噪声有效。对于具体开关电路对上述期间进行

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调试确定。

图4

（3）在直流电源输出端加接抗共模噪声滤波器，例如用铁氧体磁环做成的共模扼流圈，电感量1~3mH即可满足要求。如输出电路的滤波电容器不能充分抑制差模噪声可再加一电感一电容组成的Γ型低通滤波器。

（4）脉冲变压器一次侧和二次侧间加静电屏蔽层，屏蔽层尽量靠近开关管的发射极接0V地，这可以大大减小一次、二次侧间的耦合电容Cd。

（5）在开关管两端加RC吸收电路，吸收浪涌电压，如图5所示。

图5

（6）在输出端的整流二极管两端加RC吸收电路，抑制反向浪涌，也可在整流二极管支路中串接带可饱和磁芯的线圈，如图6（a）所示。可饱和磁芯线圈在通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小，不会影响电路正常工作，一旦电流要反向流过时磁性线圈将产生很大的反电势，阻止反向电流的上升，因此将它与整流二极管串联时就能有效的阻止反向浪涌，其抑制效果可由图6（b）表示。可饱和磁芯采用非晶型磁性材料，目前已制成超小型非晶型磁环，可以直接套在二极管的正极引线上，使用方便，效果也比RC吸收回路好。

图6

（7）采用屏蔽措施。为了防止脉冲变压器的磁场漏泄，可利用闭合磁环形成磁屏蔽。整个开关电源可用多孔金属壳屏蔽起来，引入线处使用穿心电容，接缝处焊接，或用螺丝固定，注意螺丝间距要短。

（8）印制板布线时注意尽量减少高频环路的面积，缩短高频信号线。图7时一开关电源的布置实例，图中A是输入端整流器，B是输入端滤波电容（电解电容器），C是脉冲变压器，D是开关管，E是输出端整流二极管，F是输出端滤波电容器，G是交流输入端滤波

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器。这种布置是否合理？答案是很不合理，理由是：

图7

交流滤波器G离输入端整流器A太远，连接线上的噪声会产生辐射。 2）整流器A和电解电容B距离太远，环路较大，易接受噪声。

3）电解电容B，开关管D和脉冲变压器C的环路太大，高频辐射较强。

4）脉冲变压器C，输出整流二极管E和直流输出端滤波器F组成的环路靠近、甚至与3）中的环路重叠，会接受较大的干扰。

图7-31对图7-30的布置作了改进，上述缺点得到克服，各个环路面积减少，互不靠近或重叠，而且在B、C、D下有一大块面积的铜箔作为一次整流后的直流0V地，减少了高频电流通路中的阻抗。由于开关管的散热片与该面积间有较大电容，有利于分流有散热片流入机壳地的高频电流。同时也有利于脉冲变压器C的静电屏蔽层就近接0V地。

图8

（9）在布线时还应注意：

1）不要把开关电源的输入交流电源线和输出直流电源线靠在一起，更不能捆扎在一起。

2）输出直流电源线最好用双绞线，至少应紧靠在一起走线。 3）开关电源的输入输出电源线应尽可能远离电路中的信号线。

晶闸管触发电路的抗干扰

采用晶闸管的设备不仅对其他设备产生干扰，同时也对自身的触发电路产生干扰，从而引起吴触发。例如电力传动设备的晶闸管整流回路通常是高电压（几十至几百伏）、大电流（几至几十安培），并且含有强烈的谐波和高频噪声。这些晶闸管的导通都是由触发电路完成的，触发电路的工作电压只有几伏，与晶闸管相比是弱电路。触发回路在电气上与晶闸管的门极和阴极直接相连，在安放位置上也与晶闸管十分靠近，所以强电回路必定会对各种途径对弱电回路产生干扰。为了抑制干扰，晶闸管回路和触发回路之间往往用脉冲变压器来隔离，如图9所示。图中触发回路产生的触发脉冲可以通过脉冲变压器提供给晶闸管的门极与阴极。二者之间不公用地，从而切断了地环路。为了避免脉冲变压器一次、二次之间的分布电容再把地环路连起来，应该在一次、二次之间采用静电屏蔽。由于晶闸管噪声强烈，一

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层屏蔽不够，最好采用双层屏蔽，图中G1为触发回路一次屏蔽侧，接机壳地，G2是二次侧屏蔽接晶闸管的阴极。由于晶闸管电路工作在开关状态，阴极电位变化强烈，而且电压较高，因此要求脉冲变压器具有足够的耐压和绝缘性能，为了避免击穿而损坏触发电路。除了晶闸管本身产生的噪声能进入触发回路以外，整流装置所用电网上的噪声也能侵入触发回路，例如整流装置合闸瞬间就可能引起晶闸管误触发。图中给出的整流回路仅是单相示意图，其他没有画。一般整流回路采用降压整流变压器，由高压供电网供电，在整流变压器一次侧合闸通电时，使一次侧对地电位跳跃式升高，这种突变也会通过整流变压器一次、二次间的分布电容传递到二次侧，同时使晶闸管对地电位突变，再通过脉冲变压器触发回路引起干扰。这种噪声的传递合整流变压器一次、二次间分布电容有关，分布电容越大，噪声传递量越大，一次测电压越高，对地电位变化越强烈。因此在一次侧电压高于5KV的整流变压器要采用静电屏蔽，并在二次侧绕组输出端经0.1μF的电容接地。静电屏蔽的作用使减小整流变压器一次、二次侧间的分布电容，从而减少噪声传递。0.1μF接地电容则起到了噪声滤波的作用。

图9

在晶闸管的阳极和阴极间通常并接RC吸收回路，主要为了抑制晶闸管工作时产生的高频振荡噪声，也是为了防止阳极和阴极间由于某种原因引起的正向电压上升太快，导致晶闸管误触发。但是如果RC吸收回路布置不妥，与触发回路一起具有公共导体，则很容易产生共阻抗干扰。图10（a）是具有公共阻抗耦合的布线实例，RC吸收回路和触发输出回路具有公共导体AB。晶闸管截止时RC回路的充电电流变化率可达几安至几十安/微秒，即使AB较短，电感较小，也会产生相当可观的电压降。设AB导线长20cm，电感为0.14~0.20μH，若充电电流上升率为10A/μS,则AB导线感抗上的压降为1.4～2.0V。这个电压与触发电压是同一方向的，而且足够大，因此又可以将刚截止的晶闸管触发导通，造成误动作。消除这种共阻干扰的方法是把RC吸收回路和触发电路分开，旨在阴极处单点连接，如图10（b）所示，这样两个回路就不再具有公共阻抗，在布线方面则要求：

图10

1）RC吸收回路的引线越短越好，并要紧贴晶闸管。触发输出线采用双绞线。这样可防止两个回路之间通过空间场相互耦合。

2）触发电路的各种连接线都是弱电信号线，必须与强电信号线例如晶闸管整流回路、传导装置中的继电器、信号指示回路中的连接线分开布置。

3）如需要强弱电信号回路都集中在一个机箱内，则强电信号线应集中在机箱一侧

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走线，则弱电信号线则应集中在机箱另一侧走线。在机箱的出现端子上强弱信号也应分开安排，不能互相交错接到端字排上。

4）为减少噪声的辐射和空间耦合，强电线应尽可能使用节距小于3~4cm的双绞线。为防止受干扰，每个晶闸管的触发线也应采用双绞线，并专线专用，不要采用公共导线（例如信号导线）传输不同的脉冲。可逆传动中的正反两组触发脉冲线也不要混在一起走线。

5）强电线布置是应尽可能贴近金属机壳，这样可以增加强电线和金属机壳间的分布电容，让强电线上的高频噪声流入金属机壳，减少向外辐射。而弱电线布置时应离开金属机壳，至少25mm以上，以减小两者间的分布电容，因为金属机壳上往往附有高频噪声，可以通过分布电容感应到弱电信号线上。

6）触发电路等弱点回路的供电电源应与晶闸管整流回路的供电电源分开，因为晶闸管整流回路工作时会在供电电源中产生谐波、尖峰、缺口。如一定要用同一电源供电则必须配置带静电屏蔽的专用隔离变压器，并采取足够的抗共模和差模噪声的滤波措施。

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