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電子發燒友網按：工程師在進行電子設計方案過程中越來越不能忽視EMC/EMI規范化設計了，它需要工程師在設計之初就進行嚴格把關！在產品結構方案設計階段，主要針對產品需要滿足EMC法規標準，對產品采用什么屏蔽設計方案、選擇什么屏蔽材料，以及材料的厚度提出設計方案，另外對屏蔽體之間的搭接設計，縫隙設計考慮，同時重點考慮接口連接器與結構件的配合。 為幫助工程師在設計過程中排憂解難，電子發燒友網特整合優質資源推出《工程師EMC設計方案攻略》技術系列文章，其余章節將會陸續發布，敬請廣大工程師關注和留意！
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一、混合集成電路的EMC設計1引言
混合集成電路(Hybrid Integrated Circuit)是由半導體集成工藝與厚(薄)膜工藝結合而制成的集成電路。混合集成電路是在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互連線,并在同一基片上將分立的半導體芯片、單片集成電路或微型元件混合組裝,再外加封裝而成。具有組裝密度大、可靠性高、電性能好等特點。
隨著電路板尺寸變小、布線密度加大以及工作頻率的不斷提高,電路中的電磁干擾現象也越來越突出,電磁兼容問題也就成為一個電子系統能否正常工作的關鍵。電路板的電磁兼容設計成為系統設計的關鍵。
2電磁兼容原理
電磁兼容是指電子設備和電源在一定的電磁干擾環境下正常可靠工作的能力,同時也是電子設備和電源限制自身產生電磁干擾和避免干擾周圍其它電子設備的能力。
任何一個電磁干擾的發生必須具備三個基本條件:首先要具備干擾源,也就是產生有害電磁場的裝置或設備;其次是要具有傳播干擾的途徑,通常認為有兩種方式:傳導耦合方式和輻射耦合方式,第三是要有易受干擾的敏感設備。因此,解決電磁兼容性問題應針對電磁干擾的三要素,逐一進行解決:減小干擾發生元件的干擾強度;切斷干擾的傳播途徑;降低系統對干擾的敏感程度。
混合集成電路設計中存在的電磁干擾有:傳導干擾、串音干擾以及輻射干擾。在解決EMI問題時,首先應確定發射源的耦合途徑是傳導的、輻射的,還是串音。如果一個高幅度的瞬變電流或快速上升的電壓出現在靠近載有信號的導體附近,電磁干擾的問題主要是串音。如果干擾源和敏感器件之間有完整的電路連接,則是傳導干擾。而在兩根傳輸高頻信號的平行導線之間則會產生輻射干擾。
3電磁兼容設計
在混合集成電路電磁兼容性設計時首先要做功能性檢驗,在方案已確定的電路中檢驗電磁兼容性指標能否滿足要求,若不滿足就要修改參數來達到指標,如發射功率、工作頻率、重新選擇器件等。其次是做防護性設計,包括濾波、屏蔽、接地與搭接設計等。第三是做布局的調整性設計,包括總體布局的檢驗,元器件及導線的布局檢驗等。通常,電路的電磁兼容性設計包括:工藝和部件的選擇、電路布局及導線的布設等。
3.1工藝和部件的選取
混合集成電路有三種制造工藝可供選擇,單層薄膜、多層厚膜和多層共燒厚膜。薄膜工藝能夠生產高密度混合電路所需的小尺寸、低功率和高電流密度的元器件,具有高質量、穩定、可靠和靈活的特點,適合于高速高頻和高封裝密度的電路中。但只能做單層布線且成本較高。多層厚膜工藝能夠以較低的成本制造多層互連電路, 從電磁兼容的角度來說,多層布線可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾能力。因為可以設置專門的電源層和地層,使信號與地線之間的距離僅為層間距離。這樣,板上所有信號的回路面積就可以降至最小,從而有效減小差模輻射。
其中多層共燒厚膜工藝具有更多的優點,是目前無源集成的主流技術。它可以實現更多層的布線,易于內埋元器件,提高組裝密度,具有良好的高頻特性和高速傳輸特性。此外,與薄膜技術具有良好的兼容性,二者結合可實現更高組裝密度和更好性能的混合多層電路。
混合電路中的有源器件一般選用裸芯片,沒有裸芯片時可選用相應的封裝好的芯片,為得到最好的EMC特性,盡量選用表貼式芯片。選擇芯片時在滿足產品技術指標的前提下,盡量選用低速時鐘。在HC能用時絕不使用AC,CMOS4000能行就不用HC。電容應具有低的等效串聯電阻,這樣可以避免對信號造成大的衰減。
混合電路的封裝可采用可伐金屬的底座和殼蓋,平行縫焊,具有很好的屏蔽作用。
3.2電路的布局
在進行混合微電路的布局劃分時,首先要考慮三個主要因素:輸入/輸出引腳的個數,器件密度和功耗。一個實用的規則是片狀元件所占面積為基片的20%,每平方英寸耗散功率不大于2W。
在器件布置方面,原則上應將相互有關的器件盡量靠近,將數字電路、模擬電路及電源電路分別放置,將高頻電路與低頻電路分開。易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路。對時鐘電路和高頻電路等主要干擾和輻射源應單獨安排,遠離敏感電路。輸入輸出芯片要位于接近混合電路封裝的I/O出口處。
高頻元器件盡可能縮短連線,以減少分布參數和相互間的電磁干擾,易受干擾元器件不能相互離得太近,輸入輸出盡量遠離。震蕩器盡可能靠近使用時鐘芯片的位置,并遠離信號接口和低電平信號芯片。元器件要與基片的一邊平行或垂直,盡可能使元器件平行排列,這樣不僅會減小元器件之間的分布參數,也符合混合電路的制造工藝,易于生產。
在混合電路基片上電源和接地的引出焊盤應對稱布置,最好均勻地分布許多電源和接地的I/O連接。裸芯片的貼裝區連接到最負的電位平面。
在選用多層混合電路時,電路板的層間安排隨著具體電路改變,但一般具有以下特征。
(1)電源和地層分配在內層,可視為屏蔽層,可以很好地抑制電路板上固有的共模RF干擾,減小高頻電源的分布阻抗。
(2)板內電源平面和地平面盡量相互鄰近,一般地平面在電源平面之上,這樣可以利用層間電容作為電源的平滑電容,同時接地平面對電源平面分布的輻射電流起到屏蔽作用。
(3)布線層應盡量安排與電源或地平面相鄰以產生通量對消作用。
3.3導線的布局
在電路設計中,往往只注重提高布線密度,或追求布局均勻,忽視了線路布局對預防干擾的影響,使大量的信號輻射到空間形成干擾,可能會導致更多的電磁兼容問題。因此,良好的布線是決定設計成功的關鍵。
3.3.1地線的布局
地線不僅是電路工作的電位參考點,還可以作為信號的低阻抗回路。地線上較常見的干擾就是地環路電流導致的地環路干擾。解決好這一類干擾問題,就等于解決了大部分的電磁兼容問題。地線上的噪音主要對數字電路的地電平造成影響,而數字電路輸出低電平時,對地線的噪聲更為敏感。地線上的干擾不僅可能引起電路的誤動作,還會造成傳導和輻射發射。因此,減小這些干擾的重點就在于盡可能地減小地線的阻抗(對于數字電路,減小地線電感尤為重要)。
地線的布局要注意以下幾點:
(1)根據不同的電源電壓,數字電路和模擬電路分別設置地線。
(2)公共地線盡可能加粗。在采用多層厚膜工藝時,可專門設置地線面,這樣有助于減小環路面積,同時也降低了接受天線的效率。并且可作為信號線的屏蔽體。
(3)應避免梳狀地線,這種結構使信號回流環路很大,會增加輻射和敏感度,并且芯片之間的公共阻抗也可能造成電路的誤操作。
(4)板上裝有多個芯片時,地線上會出現較大的電位差,應把地線設計成封閉環路,提高電路的噪聲容限。
(5)同時具有模擬和數字功能的電路板,模擬地和數字地通常是分離的,只在電源處連接。
3.3.2電源線的布局
一般而言,除直接由電磁輻射引起的干擾外,經由電源線引起的電磁干擾最為常見。因此電源線的布局也很重要,通常應遵守以下規則。
(1)電源線盡可能靠近地線以減小供電環路面積,差模輻射小,有助于減小電路交擾。不同電源的供電環路不要相互重疊。
(2)采用多層工藝時,模擬電源和數字電源分開,避免相互干擾。不要把數字電源與模擬電源重疊放置,否則就會產生耦合電容,破壞分離度。
(3)電源平面與地平面可采用完全介質隔離,頻率和速度很高時,應選用低介電常數的介質漿料。電源平面應靠近接地平面,并安排在接地平面之下,對電源平面分布的輻射電流起到屏蔽作用。
(4)芯片的電源引腳和地線引腳之間應進行去耦。去耦電容采用0.01uF的片式電容,應貼近芯片安裝,使去耦電容的回路面積盡可能減小。
(5)選用貼片式芯片時,盡量選用電源引腳與地引腳靠得較近的芯片,可以進一步減小去耦電容的供電回路面積,有利于實現電磁兼容。
3.3.3信號線的布局
在使用單層薄膜工藝時,一個簡便適用的方法是先布好地線,然后將關鍵信號,如高速時鐘信號或敏感電路靠近它們的地回路布置,最后對其它電路布線。信號線的布置最好根據信號的流向順序安排,使電路板上的信號走向流暢。
如果要把EMI減到最小,就讓信號線盡量靠近與它構成的回流信號線,使回路面積盡可能小,以免發生輻射干擾。低電平信號通道不能靠近高電平信號通道和無濾波的電源線,對噪聲敏感的布線不要與大電流、高速開關線平行。如果可能,把所有關鍵走線都布置成帶狀線。不相容的信號線(數字與模擬、高速與低速、大電流與小電流、高電壓與低電壓等)應相互遠離,不要平行走線。信號間的串擾對相鄰平行走線的長度和走線間距極其敏感,所以盡量使高速信號線與其它平行信號線間距拉大且平行長度縮小。
導帶的電感與其長度和長度的對數成正比,與其寬度的對數成反比。因此,導帶要盡可能短,同一元件的各條地址線或數據線盡可能保持長度一致,作為電路輸入輸出的導線盡量避免相鄰平行,最好在之間加接地線,可有效抑制串擾。低速信號的布線密度可以相對大些,高速信號的布線密度應盡量小。
在多層厚膜工藝中,除了遵守單層布線的規則外還應注意:
盡量設計單獨的地線面,信號層安排與地層相鄰。不能使用時,必須在高頻或敏感電路的鄰近設置一根地線。分布在不同層上的信號線走向應相互垂直,這樣可以減少線間的電場和磁場耦合干擾;同一層上的信號線保持一定間距,最好用相應地線回路隔離,減少線間信號串擾。每一條高速信號線要限制在同一層
上。信號線不要離基片邊緣太近,否則會引起特征阻抗變化,而且容易產生邊緣場,增加向外的輻射。
3.3.4時鐘線路的布局
時鐘電路在數字電路中占有重要地位,同時又是產生電磁輻射的主要來源。一個具有2ns上升沿的時鐘信號輻射能量的頻譜可達160MHz。因此設計好時鐘電路是保證達到整個電路電磁兼容的關鍵。關于時鐘電路的布局,有以下注意事項:
(1)不要采用菊花鏈結構傳送時鐘信號,而應采用星型結構,即所有的時鐘負載直接與時鐘功率驅動器相互連接。
(2)所有連接晶振輸入/輸出端的導帶盡量短,以減少噪聲干擾及分布電容對晶振的影響。
(3)晶振電容地線應使用盡量寬而短的導帶連接至器件上;離晶振最近的數字地引腳,應盡量減少過孔。
4結束語
本文詳細闡述了混合集成電路電磁干擾產生的原因,并結合混合集成電路的工藝特點提出了系統電磁兼容設計中應注意的問題和采取的具體措施,為提高混合集成電路的電磁兼容性奠定了基礎。
文章創新點:從提高系統電磁兼容性出發,結合混合集成電路工藝特點,提出了在混合集成電路設計中應注意的問題和采取的具體措施。
二、醫療儀器設備中的EMC解決方案
隨著醫療儀器設備現代化程度的進一步提高，各種運行的電力設備之間以電磁傳導、電磁感應和電磁輻射三種方式彼此關聯并相互影響，在一定的條件下會對運行的設備和人員造成干擾、影響和危害。
????????1.1干擾的方式
干擾分為差模干擾、共模干擾和串模干擾。差模干擾又叫常模干擾、橫模干擾或對稱干擾，它是指疊加在線路電壓正弦波上的干擾，是載流導體之間的干擾。如電網的過欠壓、瞬態突變、尖峰等。共模干擾又叫縱模干擾、不對稱干擾和接地干擾，它是指產生于電網與零線之間的干擾，是載流導體與大地之間的干擾，是由輻射或干擾耦合到電路中來的。如尖峰干擾、射頻干擾、零線與地線間的穩態電壓等。串模干擾是指外界磁場電場引起的干擾。
1.2干擾的類型
現在生產的所有電子設備都包含電磁干擾濾波電路。同樣，所有開關型電源都有內部的電磁干擾濾波器。但是，在有些環境中，這些電子器件的電磁干擾濾波器需要輔助濾波器，以便滿足更加苛刻的電噪聲管制或者保護器件免受過多的外部噪聲源干擾。
電源干擾的類型包括電壓降落、失電、頻率偏移、電氣噪聲、浪涌、諧波失真和瞬變等。
l.3干擾對醫療儀器設備的影響
心腦電圖機、監護儀、超聲診斷儀、針灸電療儀或銀針直接接觸人體的儀器設備等，特別是檢測人體生物電信號的儀器設備，由于信號非常的微弱，如果受到干擾，就會在檢測結果如波形、圖形、圖像上疊加一種類似于某些病變的畸變造成誤診，同時還會引起微電擊，嚴重時還有生命危險。如果是帶有計算機系統的醫學儀器設備，當共模干擾中的尖峰干擾幅度達到2V～50V，時間持續數微秒時，可引起計算機邏輯錯誤、丟失等。
2抑制干擾的常用方法
2.1接地
在闡述接地之前，必須弄清地線與零錢、保護接地和保護接零的基本概念。即：地線是指連接地球通向大地的金屬連接線，而零線是我國電力部門提供的工作線路;保護接地是將儀器設備的金屬外殼接上地線，在外殼由于干擾引起帶電時，電流沿地線流入大地，達到保護人身和儀器設備安全的目的。而保護接零是將儀器設備的金屬外殼與電源的零線連接起來，在短路時，立即燒斷保險，以達到切斷電源的目的。
2.1.1儀器設備的信號接地
①浮地把電路的“零”電位或設備的“零”電位與公共接地系統，或可能引起環流的公共導線絕緣，即不接地，使此“零”電位相對于大地的零電位來說是個懸空的“零”電位。常用的方法有變壓器隔離和光電耦合隔離。浮地的優點是抗干擾能力強，缺點是靜電積累。當電荷積累到一定程度后，在設備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈地靜電放電，而成為破壞性很強的騷擾源。解決的方法是在浮地與公共地間跨接泄放電阻、阻值的大小以不影響設備漏電流的要求為宜。
②單點接地電路和設備中凡需要接地的點都接到被定義的只有一個物理點為接地參考點的點上就稱為單點接地。對一個系統如果采用單點接地，每個設備都要有自己的單點接地點，然后各設備的地再與系統中唯一指定的參考接地點相接。缺點是系統工作頻率很高時呈某種電抗效應，引起接地效果不佳。
③多點接地多點接地是指設備中凡需接地的點，都直接接到離它最近的接地平面上。優點是簡單，高頻駐波小。缺點是維護量較大。
④混合接地集單點和多點接地之長，把需要就近接地的點，就近直接與接地平面相連或對需要高頻接地的點，通過旁路電容與接地平面相連接，其余各點均采用單點接地。流通信號波長低于0.05λ時采用單點接地，接地線長度達到0.05λ以上的就應采用多點接地。
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2.2屏蔽
為了有效地抑制設備內、外部的輻射電磁能通過空間傳播的電磁干擾，通常采取的措施，是屏蔽。具體有電場、磁場、電磁場屏蔽三種。實踐證明：對帶有計算機系統的儀器設備，采用屏蔽計算機主機的方法對電磁干擾和靜電產生的干擾有很好的抑制作用。用不同的屏蔽方式和材料其效果也各不相同。
2.2.1電場屏蔽
儀器設備中電位不同物體間的相互感應可看成是分布電容間的電壓分配。為了減少干擾源對被感應物的干擾，通常采取的措施是：增大干擾源與被感應物的距離，減小分布電容;盡可能讓被感應物貼近接地板，增大其對地的電容;在兩者間加入金屬屏蔽層。屏蔽層必須是導電良好的導體，要有足夠的強度，接地要好。例如心腦電圖機、監護儀、針灸電療儀或銀針直接接觸人體的儀器設備應遠離超短波治療機、高頻電刀、X射線機、CT、MRI及一切能輻射電磁波的醫療設備的輻射區內，X線機的高壓電纜屏蔽層的重要性。
2.2.2磁場屏蔽
磁場屏蔽是指對直流或低頻磁場的屏蔽。其屏蔽原理是利用屏蔽體的高導磁率、低磁阻特性對磁通所起的磁分路作用，從而削弱屏蔽體內部的磁場。為了減少屏蔽體的磁阻，所用材料必須是高導磁率的，有一定的厚度的材料。被屏蔽物要盡量放在屏蔽體的中心位置，注意縫隙。通風孔等要順著磁場方向分布，電磁屏蔽是電磁兼容技術的主要措施之一。即用金屬屏蔽材料將電磁干擾源封閉起來，使其外部電磁場強度低于允許值的一種措施;或用金屬屏蔽材料將電磁敏感電路封閉起來，使其內部電磁場強度低于允許值的一種措施。
2.2.3電磁場屏蔽
該電路包括耦合至次級繞組中一匝的一反相裝置，用于產生與從所述次級繞組感應至陽極的一電壓信號的相位相反的相位;一振蕩裝置，用于振蕩從所述反相裝置的輸出節點輸出的電壓信號并使經振蕩的信號與所述高電壓在電平上相匹配;以及一電磁場發生裝置，用于施加從所述振蕩裝置的輸出節點輸出的一電壓信號，產生一電磁場以響應于實質上圍繞所述顯象管的前部的周圍的所述電壓信號，并消除和屏蔽從所述陽極產生的所述電磁場。結果，該電路可以較低成本應用于多種尺寸的陰極射線管，由此提出生產效率。
3抑制干擾的技術
3.1專用線路
為了抑制儀器設備間的相互干擾，最簡單的方法是采用分相供電制。即：在三線供電線路中認定一相作為敏感設備的供電電源;一相作為外部設備的供電電源;再一相作為常用測試儀器或其它輔助設備的供電電源。這種措施常應用在大型的醫療儀器設備供電系統。
值得注意的是在現代醫用電子儀器設備系統中，由于配電線路中非線性負載的使用，造成線路中諧波電流的存在，而零序分量諧波在中線里不能相互抵消，反而疊加，因此過于遷細的中線會造成線路阻抗的增加，干擾也將增加。
3.2瞬變干擾抑制器
3.2.1氣體放電管
俗稱避雷管。優點是絕緣電阻高、寄生電容小、浪涌吸收能力強。缺點是對浪涌電壓的響應速度低。
3.2.2金屬氧化物壓敏電阻
壓敏電阻的主要參數是標稱電壓和通流容量。在使用時，壓敏電阻的電壓選擇要考慮被保護線路可能有的波動電壓，一般取1.2～1.4倍。如果是交流電路，還要注意電壓的有效值與峰值間的關系。例如220V時其壓敏電阻的標稱電壓應是220×1.4×1.4=430V。前者因壓敏電阻對瞬變干擾吸收時的高速性能級，引線越長感應電壓越大，后者因壓敏電阻的固有電容。
3.2.3硅瞬變電壓吸收二極管
TVS管又叫瞬態電壓抑制電路。當瞬態電壓保護二極管受到反向瞬態高能量沖擊時，以1×10-12s的速度，將其兩極間的高阻抗變成低阻抗，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護了電子線路的敏感元件。具體又分為單向和雙向兩種。主要參數是擊穿電壓、漏電流和電容。特點是響應時間快、浪涌吸收能力高、瞬態功率大、漏電流小、箝位電壓易控制、沒有損傷極限和體積小等。廣泛應用于醫療儀器設備的靜電，電感性負載切換時產生的瞬變電壓，雷擊產生的過電壓保護。
3.2.4固體放電管
固體放電管的特點是響應速度快，吸收電流大、動作電壓穩定、使用壽命長。其工作原理是：當外界干擾低于觸發電壓時，放電管處于截止狀態;當干擾電壓超出觸發電壓時，放電管工作在負阻區。此時電流極大，使干擾能量轉移。隨著干擾的減少，通過放電管的電流回落，當干擾電流低于維持電流時，放電管從低阻區回到高阻區，完成～次放電過程。
3.3電源線濾波器
電源線濾波器安裝在電源與電子設備之間，主要起抑制電能傳輸中寄生的電磁干擾，提高設備工作可靠性的作用。常用的由無源集中參數構成的單級線路。如圖1所示。圖中Cx為差模電容，起衰減差模干擾的作用。在220V交流電源中取為幾十～幾百nF，耐壓250VAC。Cy為共模電容，起衰減共模干擾的作用。一般取1nf~4.7nf，耐壓3~6KVDC。L1、L2為共模電感，其電感量與通過電流的大小有關，對共模電流有很好的濾波效果。多個電感串聯起來：對于要求較高的濾波器，可以將一個大電感分解成一個較大的電感和若干電感量不同的小電感，將這些電感串聯起來，可以使電感的帶寬擴展。但這付出的代價是體積和成本。另外要注意與電容并聯同樣的問題，即引入了額外的串聯諧振點。諧振點上電感的阻抗很小。
提高濾波器性能的措施：一是使用帶地線電感的濾波器。這樣可以抑制地線上的干擾。二是采用多級濾波器。三是濾波器與吸收器件組合使用。四是使用新型軟磁材料。五是加接有耗元件。
3.4隔離變壓器
隔離變壓器的原理和普通變壓器的原理是一樣的。都是利用電磁感應原理。隔離變壓器一般是指1：1的變壓器。由于次級不和地相連。次級任一根線與地之間沒有電位差。使用安全。常用作維修電源。
3.4.1普通隔離變壓器
普通隔離變壓器在初級與次級間不設屏蔽層，它是通過輸入與輸出間的電隔離，從而解決公共地的問題。優點是對共模干擾有一定的抑制作用，其大小可用初次級間的分布電容和設備對地分布電容的比值來估算。通常初次級間的分布電容為幾百Pf，設備對地分布電容為幾~幾十nF，因此共模干擾的衰減值在 10~20倍左右。缺點是對共模干擾的抑制效果因繞組間的分布電容隨頻率升高而下降。
3.4.2帶屏蔽層的隔離變壓器
在變壓器初次級間增設屏蔽層，并將屏蔽層可靠接地，既可獲得較好的抑制共模干擾，也可利用屏蔽層抑制差模干擾。具體做法是將變壓器屏蔽層接至初級的中線端。例如對50HZ工頻來說，由于初級與屏蔽層構成的容抗很高，仍可通過變壓器效應傳遞到次級，而未被衰減。對頻率較高的共模干擾，由于初級與屏蔽層間容抗變小，使這部分干擾經由分布電容及屏蔽層與初級中線端的連線直接返回電網，而進入次級回路。
3.4.3超級隔離變壓器
隔離變壓器屬于安全電源，一般用來機器維修保養用起保護、防雷、濾波作用。 隔離變壓器是一種1/1的變壓器。初級單相220V，次級也是單相220V。或初級三相380V，次級也是三相380V。首先通常我們用的交流電源電壓一根線和大地相連，另一根線與大地之間有220V的電位差。人接觸會產生觸電。而隔離變壓器的次級不與大地相連，它的任意兩線與大地之間沒有電位差。人接觸任意一條線都不會發生觸電，這樣就比較安全。其次還有隔離變壓器的輸出端跟輸入端是完全“斷路”隔離的，這樣就有效的對變壓器的輸入端(電網供給的電源電壓)起到了一個良好的過濾的作用。從而給用電設備提供了純凈的電源電壓
3.5交流穩壓器
由于市電供電壓因各種原因而不穩定，特別是有些供電場所電壓波動幅度很大，從而影響用電設備的正常工作，還可能造成用電設備損壞，而交流穩壓器是一種能夠使用電設備的工作電壓基本穩定的穩壓設備。
交流穩壓器的作用是在輸入電壓和負載電流變化時，把其輸出電壓穩定在所允許的范圍內。常用的有鐵磁諧振、參數調整型、伺服型、分級調整寬度、超級隔離、開關型、不間斷和凈化等交流穩壓電源。
3.5.1鐵磁諧振交流穩壓電源
能為負載提供穩定交流電源的電子裝置。又稱交流穩壓器。有關交流穩壓電源的參數及質量指標可參見直流穩壓電源。各種電子設備要求有比較穩定的交流電源供電，特別是當計算機技術應用到各個領域后，采用由交流電網直接供電而不采取任何措施的方式已不能滿足需要。
工作原理是靠改變電感的飽和程度，而使電感與電容諧振來實現調節的。當輸輸入電壓因某種因素過高或過低時，其輸出電壓可隨輸入電壓的高低通過自動調節，從而使輸出電壓保持穩定不變。優點是電路簡單、輸出阻抗高、過載能力強、可靠性較高。缺點是穩壓精度不高、輸出電壓波形失真大、有相移和噪聲。不適宜啟動電流大的負載。
3.5.2參數調整型交流穩壓電源
典型的是早年的614系列穩壓器。該電源是在614的基礎上進行了一定的改進，工作原理是利用可控硅的相位控制來改變電感的參數，實現調節使輸出電壓穩定不變。優點是穩壓精度高，同第一種比較還可以抑制交流輸出電壓中的部分諧波。缺點是輸入側的電流諧波較大、功率因數較低、有相移。特別是帶非線性負載時可能有低頻振蕩現象。
3.5.3伺服型交流穩壓電源
該電源就是早期的多抽頭自耦式調壓變壓器。工作原理是監視變壓器輸出電壓的高低的辦法來驅動伺服電動機改變變壓器輸出抽頭的位置，使輸出電壓在維持負載所允許的電壓范圍內。缺點是響應速度低，調節時會出現許多尖峰和振鈴干擾。
3.5.4分級調整的寬限交流穩壓電源
該電源和伺服型交流穩壓電源類似，所不同的是多抽頭自耦變壓器的抽頭位置是由繼電器轉換。由于該電源價格低廉，輸入電壓的適應范圍較寬，應用于家用電器的交流穩壓。缺點是穩壓精度不高，在繼電器轉換過程中易產生電火花所帶來的尖峰干擾。
3.5.5超級隔離變壓器
為了解決了現代電子儀器設備的小型化、數字化和低功耗化，對電網的瞬變干擾尤其敏感的問題，對多抽頭的繞組的控制則采用了無觸點的雙向可控硅，數字電路或單片機。有時也稱為數控型凈化電源。優點是：穩壓電源的電壓適應范圍寬、對電網或負載變化的響應速度快、對存在于電網中瞬變干擾抑制能力強。
3.5.6開關型交流穩壓電源
開關型交流穩壓電源采用了先進的高頻開關電源技術。優點：小型、輕量、高效、響應速度快。缺點：復雜、價格昂貴。
3.5.7不間斷電源
①電動機一發動機組主要由直流電動機驅動的慣性飛輪和交流發電機組組成。當電網電壓停電時，利用飛輪的慣性儲能，使發電機在短時間內繼續供電;與此同時啟動備用的柴油發電機組，當油機轉速與發電機組轉速相同時，油機離合器與發電機相連，完成由市電到油機的轉換。它是較早發展的一種不間斷電源。優點：穩定可靠。缺點：體積大、噪聲大。
②靜態后備式電網正常時，靜態后備式不間斷電源處在旁通狀態，當市電斷電時，才將靜態轉移開關切換到逆變器一側，經過2~4ms后逆變器啟動，將蓄電池中儲存的電能轉換成交流電，輸給負載。優點：簡單、小巧、價格便宜。缺點：輸出電壓直接受電網波動的影響，抗電網中的突變干擾能力差。
③靜態在線式該電源的工作過程是市電先經整流后對蓄電池充電，再由蓄電地給逆變器供電，經逆變、穩壓、穩頻后為負載供給交流電源。斷電時蓄電池不再充電，而逆變器供電的狀態不變，當逆變器發生輸出過電壓、過電流或不間斷電源故障時逆變器會自動關閉，并通過靜態轉移開關轉到旁通位置，直接由市電給負載供電。優點：保護和擴展能力強。該電源的容量較大，三相大功率的常用醫院電子計算機及監護系統。
4在醫療儀器設備中的應用
上述各種方法和抗干擾技術已廣泛應用于心腦電圖機、監護儀、超聲診斷儀，電子脈沖治療儀針灸電療儀或銀針直接接觸人體等醫療診斷、治療儀器設備之中。
三、遙控器設計中的EMC解決方法
小家電控制板存在許多自身干擾源，對于這些干擾，其解決方法可以從以下方面人手來完成：
(1)在繼電器線圈增加續流二極管，消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾。
(2)在繼電器接點兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯電路，電阻一般選幾千歐到幾十千歐，電容選0.01μF)，以減小電火花影響。
(3)在電路板上每個IC上并接一個0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小IC對電源的影響。但應注意高頻電容的布線，連線應靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯電阻，而這會影響濾波效果。
(4)布線時應避免90度折線，并盡量減少高頻噪聲發射。
(5)在可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產生的噪聲(該噪聲嚴重時可能會把可控硅擊穿的)。
(6)注意晶振布線。晶振與芯片引腳應應盡量靠近，并用地線把時鐘區隔離起來，晶振外殼要接地并固定。最好在能使用低速晶振的場合盡可能選用低速晶振。
(7)對電路板合理分區(如強、弱信號，數字、模擬信號)。盡可能把干擾源(如電機、繼電器)與敏感元件(如單片機)遠離。
(8)交流端用電感電容濾波：去掉高頻低頻干擾脈沖，VCC和GND之問接電解電容及瓷片電容，以去掉高、低頻干擾信號。
1.2控制板本身的傳導干擾
為防止控制板電路產生的傳導干擾，可在電路的進人口(即AC兩端)并接上一個電容C，圖1所示是一個簡單的電容抗擾電路連接圖。圖中的電容屬于安全電容，但必須在該電容的兩端并聯一個安全電阻，以用于防止電源線拔插時電源線插頭長時間帶電。因為安全標準規定，當正在工作之中的機器電源線被拔掉時，在兩秒鐘內，電源線插頭兩端所帶的電壓(或對地電位)必須小于原來電壓的30%。
該電容必須經過安全檢測部門認證過后才能使用。電容的耐壓一般都標有安全認證標志和AC250V或AC275V字樣，但其真正的直流耐壓應達到2000V以上。而且在使用的時候，不要隨便用AC250V或DC400V之類的電容來代用。
抗擾電容一般都選用紋波電流比較大的聚脂薄膜安全電容，這種電容體積一般都很大，其允許瞬間充放電的電流也很大，即內阻比較小。而普通電容紋波電流的指標一般都很小，動態內阻比較大，因此，用普通電容代替安全電容，除了耐壓條件不能滿足以外，一般紋波電流指標也是難以滿足要求的。
實際上，光靠用安全電容就想把傳導干擾信號完全濾除是不可能的。因為干擾信號的頻譜非常寬，基本覆蓋了幾十千赫芝到幾百兆赫芝甚至上千兆赫芝的頻率范圍。一般對低端干擾信號，其濾除需要很大容量的濾波電容，但受到安全條件的限制，電容的容量不能太大;而對高端干擾信號的濾除，大容量電容的濾波性能又極差，特別是聚脂薄膜電容的高頻性能一般都比較差，并且聚脂薄膜介質的高頻響應特性與陶瓷或云母相比相差很遠，此外，一般聚脂薄膜介質都具有吸附效應，因此它會降低電容器的工作頻率。聚脂薄膜電容工作頻率范圍大約都在1MHz左右，超過1MHz時其阻抗將顯著增加。
因此，抑制電子控制板本身產生的傳導干擾除了選用這種電容進行濾波以外，一般還要同時選用多個電感濾波器一起組合來對干擾進行濾波。電感濾波器屬于低通濾波器，但電感濾波器也有很多種類和無數種規格(例如差模、共模，以及高頻、低頻)等，每種電感主要都是針對某一小段頻率的干擾信號而起濾除作用，而對其它頻率的干擾信號的濾除作用不大。因為，電感量很大的電感，其線圈匝數很多，分布電容也很大，高頻信號會通過分布電容旁路掉，另外，導磁率很高的磁芯，其工作頻率也不高。目前，國內大量使用的電感濾波器磁芯的工作頻率大多數都在75MHz以下，對于工作頻率要求比較高的場合，必須選用高頻環形磁芯，高頻環形磁芯導磁率一般都不高，但其漏感特別小。
小家電中的負載包括線性負載(如熱水器，等)和非線性負載(豆漿機，絞肉機等)。由于非線性負載為頻普極寬的干擾源。因此，對于以上干擾，特別是非線性負載的干擾，其抑制方法主要有兩種一是從非線性負載(如電機)本身入手。因為不恰當的操作接觸器的接觸不良炭刷不干凈等，都會產生數倍于正常運轉時的干擾情況，為了減少干擾，就應當保證接觸器的接觸可靠、開合動作的正常和觸頭的壓力，而且還要保持炭刷和換向器的干凈，還應保證炭刷本身的質量和換向器的光潔度;同時還要保護炭刷對換向器有適當的壓力;最后還要使機座的固定可靠，避免機械運轉時引起的運轉不穩。其二則是采用必要的電氣濾波方式，其電路連接如圖2所示。
該電路的目的是為干擾電勢提供一個低阻抗的通路，以抑制干擾值。圖2中，C1為電感成分較小的電容，一般為幾十～幾百nF;C2選用穿心電容，一般為1～4.7nF。增加該電容的目的是為了抑制噪聲，但電容的安裝位置不同，以甚高頻段的干擾抑制效果會有很大變化，所以，安裝時要特別注意電容的接地外殼應與電動機座或金屬外殼的最短連接。同時應在連線時使電容器的輸入、輸出部分的電磁耦合盡可能地減少。
此外，還有一組典型的△形干擾抑制器電路，可同時抑制對稱和不對稱干擾。其具體電路如圖3所示。
3線路干擾
線路干擾的干擾源主要來自外界電磁場在導線上感應出的電壓，電源線上其它電器發射的和感性負載通斷造成的干擾，以及浪涌(雷擊)產生的干擾等。
3.1電磁場在電纜上的感應
電磁場在導線中感應出的電壓一般是共模電壓，而負載上的電壓則以系統中的公共導體或大地為參考點。一般以系統中的參考地線面為參考點。對于多芯電纜來說，這意味著電纜中的所有導體都暴露在同一個場中，它們上面所感應的電壓取決于每根導體與參考點之間的阻抗。抑制干擾的方法可以使用共模移值法，其原理圖如圖4所示
圖4中共模扼流圈的特殊繞制方法決定了它僅對共模電流有抑制作用，而對電路工作所需要的差模電流沒有影響。因此，共模扼流圈是解決共模干擾的理想器件。理想的共模扼流圈的低頻共模抑制作用較小，而隨著頻率的升高，抑制效果增加。這與平衡電路低頻共模抑制比高，隨著頻率升高平衡性變差，共模抑制比降低的特性正好相反，因此它們具有互補性。所以，在平衡電路中使用共模扼流圈后，電路可在較寬的頻率范圍內保持較高的共模抑制比。
3.2浪涌干擾
浪涌是指電源電壓和電流的變動，負載開關的閉合、自然界的雷擊都可能引起浪涌，且其危害較大，有時可能引起振蕩甚至燒壞整個系統。
家用電器一般不會直接受到雷電的干擾，大多是通過傳導線路中的感應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)和硅瞬變吸收二級管(TVS)。圖5所示是采用TVS的浪涌抑制電路。
四、開關電源的變壓器EMC設計
??????? 對于帶變壓器拓撲結構的開關電源來說，變壓器的電磁兼容性(EMC)設計對整個開關電源的EMC水平影響較大。本文以一款反激式開關電源為例，闡述了其傳導共模干擾的產生、傳播機理。根據噪聲活躍節點平衡的思想，提出了一種新的變壓器EMC設計方法。通過實驗驗證，與傳統的設計方法相比，該方法對傳導電磁干擾(EMI)的抑制能力更強，且能降低變壓器的制作成本和工藝復雜程度。本方法同樣適用于其他形式的帶變壓器拓撲結構的開關電源。
隨著功率半導體器件技術的發展，開關電源高功率體積比和高效率的特性使得其在現代軍事、工業和商業等各級別的儀器設備中得到廣泛應用，并且隨著時鐘頻率的不斷提高，設備的電磁兼容性(EMC)問題引起人們的廣泛關注。EMC設計已成為開關電源開發設計中必不可少的重要環節。
傳導電磁干擾(EMI)噪聲的抑制必須在產品開發初期就加以考慮。通常情況下，加裝電源線濾波器是抑制傳導EMI的必要措施l1l。但是，僅僅依靠電源輸入端的濾波器來抑制干擾往往會導致濾波器中元件的電感量增加和電容量增大。而電感量的增加使體積增加；電容量的增大受到漏電流安全標準的限制。電路中的其他部分如果設計恰當也可以完成與濾波器相似的工作。本文提出了變壓器的噪聲活躍節點相位干燥繞法，這種設計方法不僅能減少電源線濾波器的體積，還能降低成本。
1 反激式開關電源的共模傳導干擾
電子設備的傳導噪聲干擾指的是：設備在與供電電網連接工作時以噪聲電流的形式通過電源線傳導到公共電網環境中去的電磁干擾。傳導干擾分為共模干擾與差模干擾兩種。共模干擾電流在零線與相線上的相位相等；差模干擾電流在零線與相線上的相位相反。差模干擾對總體傳導干擾的貢獻較小，且主要集中在噪聲頻譜低頻端，較容易抑制；共模干擾對傳導干擾的貢獻較大，且主要處在噪聲頻譜的中頻和高頻頻段。對共模傳導干擾的抑制是電子設備傳導EMC設計中的難點，也是最主要的任務。
反激式開關電源的電路中存在一些電壓劇變的節點。和電路中其他電勢相對穩定的節點不同，這些節點的電壓包含高強度的高頻成分[2]。這些電壓變化十分活躍的節點稱為噪聲活躍節點。噪聲活躍節點是開關電源電路中的共模傳導干擾源，它作用于電路中的對地雜散電容就產生共模噪聲電流M 。而電路中對EMI影響較大的對地雜散電容有：功率開關管的漏極對地的寄生電容C 變壓器的主邊繞組對副邊繞組的寄生電容Cp ；變壓器的副邊回路對地的寄生電容C 變壓器主、副邊繞組對磁芯的寄生電容C。 、C 以及變壓器磁芯對地的寄生電容C? 這些寄生電容在電路中的分布如圖1所示。
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圖l中的共模電流， 在電路中的耦合途徑主要有3條：從噪聲源—— 功率開關管的d極通過C耦合到地；從噪聲源通過c。 耦合到變壓器次級電路，再通過C 耦合到地；從變壓器的前、次級線圈通過C?C 耦合到變壓器磁芯，再通過C 耦合到地。這3種電流是構成共模噪聲電流(圖1中的黑色箭頭所示)的主要因素。共模電流通過電源線輸入端的地線回流，從而被LISN取樣測量得到。
2 隔離變壓器的EMC設計
2．1 傳統變壓器EMC設計
共模噪聲的耦合除了通過場效應管d極對地這條途徑外，開關管d極的噪聲電壓通過變壓器的寄生電容將噪聲電流耦合到變壓器副邊繞組所在的回路，再通過次級回路對地的寄生電容耦合到地也是共模電流產生的途徑。因此設法減小從變壓器主邊繞組傳遞到副邊繞組間的共模電流是一種有效的EMC設計方法。傳統的變壓器EMC設計方法是在兩繞組間添加隔離層[3]，如圖2所示。
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金屬隔離層直接連接地線的設計會增大共模噪聲電流，使EMC性能變差。隔離層應該是電路中電位穩定的節點，比如將圖2中的隔離層連接到電路前級的負極就是一個很好的接法。這樣的連接能把原本流向大地的共模電流有效分流，從而大大降低電源線的傳導噪聲發射水平。
2．2 節點相位平衡法
在電路中，噪聲電壓活躍節點并不是單一的。以本文分析的電路為例：除功率開關管的d極外，變壓器前級繞組的另一端U 也是一個噪聲電壓活躍節點，而且節點電壓的變化方向與場管的d極電壓情況相反。所以變壓器次級繞組的兩端是相位相反的噪聲電壓活躍節點。圖3所示的是采用節點相位平衡法后，變壓器骨架上的線圈分布情況。
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變壓器骨架最內層是前級繞組線圈的一半，與功率開關管的d極相連；中間層的線圈是次級繞組；最外層是前級繞組的另一半，與節點U． 相連。由于噪聲電流主要通過前后級線圈層之間的寄生電容耦合，把前、后級線圈方向相反的噪聲活躍節點成對地繞在內外層相對位置就能使大部分的噪聲電流相互抵消，大大降低了最終耦合到次級的噪聲電流的強度。
本文討論的電路中還存在前級電路和次級電路的輔助電源，它們也是由繞在變壓器上的獨立線圈提供能量的。這兩級輔助線圈的存在給噪聲電流的傳播提供了額外的途徑。輔助線圈是為了控制電路的供電設計的。盡管控制電路本身的功率很小，但它們的存在卻增大了電路對地的寄生電容，從而分擔了一部分把共模噪聲從活躍節點耦合到地的工作。然而把這些繞組夾在前級線圈和次級線圈的繞組中間就能增大前后級繞組的距離，從而它們的層間寄生電容就減小了，噪聲電流就能相應減小。因此，變壓器繞制的最終方法應如圖4所示。從內到外的線圈繞組依次是：前級繞組的一半、輔助繞組的一半、后級繞組、輔助繞組的另一半和前級繞組的另一半。
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3 實驗部分
變壓器改進繞法對開關電源的傳導EMC性能提高的有效性可以通過實驗得到驗證。
3．1 實驗方法
實驗按照文獻[43中的電壓法進行。頻段范圍為0．15～30 MHz；頻譜分析儀的檢波方式為準峰值檢波；測量帶寬為9 kHz；頻譜橫軸(頻率)取對數形式；噪聲信號的單位為dB／~Vl5j
3．2 實驗結果
圖5為變壓器設計改進前后實驗樣品的傳導噪聲頻譜對比。
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圖5中的上下兩條平行折線分別為國際無線電干擾特別委員會(簡稱CISPR)頒布的CISPR22標準中b級要求的準峰值檢波限值和平均值檢波限值；而曲線為開關電源的傳導噪聲頻譜。從實驗結果可以看出：與傳統方法相比，新方法有著更出色的對共模噪聲電流的抑制能力，尤其在中頻1～ 5MHz的頻段。在較低頻段，電源線上的傳導干擾主要是差模電流引起的；而在中高頻段，共模電流起主要作用。而本文提出的方法對共模電流的抑制較強，實驗和理論是相符合的。在10 MHz以上的頻段，主要由電路中的其他寄生參數決定EMC性能，與變壓器關系不大。
4 結束語
開關電源電路中的噪聲活躍節點是電路中的共模噪聲源。要降低開關電源的傳導干擾水平，實際上是減小共模電流強度、增大噪聲源的對地阻抗。在傳統的隔離式EMC設計中，隔離層連接到電路中電位穩定的節點上(如：變壓器前級的負極)要比直接連到地線對EMI干擾的抑制更有效。
開關電源電路中的噪聲活躍節點通常都是成對存在的，這些成對節點之間的相位相反，利用這一特點活躍節點相位平衡繞法對EMI抑制的有效性高于傳統的隔離式設計。由于不需要添加隔離金屬層，變壓器的體積與成本都能被有效減小或降低。
工商網監
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