辰儀科技解讀家用電器電磁兼容性設計

當前，電子信息技術(shù)日新月異，數字化浪潮波濤洶涌，而網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的到來(lái)又會(huì )給家電產(chǎn)業(yè)帶來(lái)一個(gè)全新的、廣闊的市場(chǎng)。21世紀家電產(chǎn)品的概念還會(huì )擴大和延伸，所以我們對未來(lái)我國家電制造業(yè)的發(fā)展充滿(mǎn)信心。然而，這一切都建立在一個(gè)重要基礎之上，即家用電器的電磁兼容性設計。

 1、家用電器電磁騷擾對電磁環(huán)境的影響

近年來(lái)，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，家用電器正迅速向節能化、自動(dòng)化、智能化、方便化、舒適化的趨勢發(fā)展。這樣，隨著(zhù)家用電器品種越來(lái)越多，生產(chǎn)規模不斷擴大；同時(shí)，進(jìn)口產(chǎn)品也充斥市場(chǎng)。另一方面，隨著(zhù)微電子控制技術(shù)的發(fā)展，電子家電產(chǎn)品大量涌現。由此而產(chǎn)生的電磁騷擾在對其它家用電器或電子設備的正常使用和可靠性產(chǎn)生影響和危害的同時(shí)，也對人們的身體健康造成了直接影響。目前，保護電磁環(huán)境，防止電磁環(huán)境污染，已引起世界各國及有關(guān)組織的普遍關(guān)注。特別是歐共體理事會(huì )指令《各成員國就有關(guān)電磁兼容性的法律達成的共識》(89／336／EEC)于1996年1月1日進(jìn)入實(shí)質(zhì)性實(shí)施階段后，電子、電氣產(chǎn)品電磁兼容性指標合格與否更成為歐共體市場(chǎng)準入或市場(chǎng)流通的必要條件。隨著(zhù)我國電磁兼容認證制度的建立和完善，我國電子產(chǎn)品，包括家用電器的電磁兼容性將會(huì )不斷提高，進(jìn)而逐漸減小電磁環(huán)境污染，保護廣大用戶(hù)的切身利益。

按照家用電子對電磁環(huán)境產(chǎn)生影響的原因，可將家用電器分為以下幾種類(lèi)型：

(1)由帶有換向器的電動(dòng)機在運轉過(guò)程中，電刷與換向器接觸形成火花而產(chǎn)生電磁騷擾的家用電器，如吸塵器、電吹風(fēng)、電動(dòng)縫紉機、食品攪拌器、電動(dòng)剃須刀等；電磁騷擾是指任何可能引起其它家用電器或電子設備性能降低或對人體健康產(chǎn)生損害作用的電磁現象；

(2)由于頻繁的開(kāi)關(guān)動(dòng)作而產(chǎn)生電磁騷擾的家用電器，如電飯堡、電熨斗、電烤箱、電冰箱、洗衣機等；

(3)啟動(dòng)時(shí)可能引起低壓配電網(wǎng)各項指標下降，導致其它家用電器或電子設備不能正常運行的家用電器，如空調器啟動(dòng)時(shí)所需的大電流會(huì )使電網(wǎng)電壓暫時(shí)下降，電動(dòng)機或電感性鎮流器等電感性負載啟動(dòng)時(shí)會(huì )導致電源功率因數下降，變頻調速式空調器中的電力電子器件還會(huì )產(chǎn)生電源諧波等；

(4)帶有可控硅器件的家用電器，如電子調光燈、電風(fēng)扇多功能控制器等，會(huì )產(chǎn)生高次諧波騷擾；

(5)各種氣體放電燈，如熒光燈等氣體放電時(shí)形成的等離子體，會(huì )產(chǎn)生電磁騷擾；

(6)帶有微處理器的家用電器，如模糊類(lèi)家電、帶遙控的家電、全自動(dòng)洗衣機、影碟機、組合音響、家庭影院、熱水器、微波爐等，它們所采用的二電平數字信號會(huì )引起電磁騷擾，而且，隨著(zhù)時(shí)鐘頻率的不斷提高，其騷擾頻譜可高達數百兆赫；

(7)微波爐、電磁灶、家庭影院功率放大器等所產(chǎn)生的電磁能量泄漏，不僅會(huì )引起電磁騷擾，而且還將對人體健康造成危害。

家用電器產(chǎn)生的電磁騷擾如果超過(guò)國家標準規定的限值，就會(huì )造成電磁環(huán)境污染。例如，騷擾收音機、電視機的收聽(tīng)、收看；使計算機及其控制的電器發(fā)生誤操作或丟失數據；使醫療器械如心臟起博器工作失常等；對人體健康的影響包括出現血流加快、局部體溫升高、酶活性降低、蛋白質(zhì)變性、心率改變、局部組織受損等，此外，還會(huì )對中樞神經(jīng)系統、血液與免疫系統、心血管系統、生殖系統等造成不良影響。

 2、家用電器的電磁兼容性

家用電器的電磁兼容性是指家用電器在其電磁環(huán)境中能正常工作，不會(huì )造成性能降級，而且，不會(huì )對該電磁環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。這就是說(shuō)，在復雜的電磁環(huán)境中，每臺家用電器除了本身要能抗住外來(lái)電磁騷擾，能正常運行以外，還不能騷擾其它家用電器或電子設備的正常運行，不能對人體健康造成危害。這就是家用電器電磁兼容性需要解決的問(wèn)題?？傊?，家用電器一方面應滿(mǎn)足國家標準所規定的抗擾度限值要求，具有面臨電磁騷擾不降低運行性能的能力；另一方面又具有不產(chǎn)生超過(guò)國家標準所規定的電磁騷擾限值的能力。電磁兼容性是家用電器的重要性能指標之一，也是保證家用電器的質(zhì)量、實(shí)現家用電器應有功能的重要手段。

3、家用電器電磁兼容性設計

家用電器電磁兼容性設計的目的就是要使家用電器具有電磁兼容性。這要從分析電磁騷擾源、騷擾耦合途徑和敏感電路入手，設計接地、屏蔽、濾波等防護措施，在騷擾源處抑制電磁騷擾，切斷對電磁騷擾的耦合，增強敏感電路的抗擾性等。經(jīng)驗證明，在家用電器功能設計的初始階段，同時(shí)進(jìn)行電磁兼容性設計，可以把電磁騷擾和抗擾度等電磁兼容性問(wèn)題解決在產(chǎn)品定型之前；如果等到產(chǎn)品定型以后，甚至等到生產(chǎn)階段或到了用戶(hù)手里以后，發(fā)現問(wèn)題才去解決，非但將在技術(shù)上帶來(lái)很大難度，而且會(huì )造成人力、財力大大的浪費。所以，盡早解決電磁兼容性問(wèn)題是十分必要的。那種不顧電磁兼容性，只按常規進(jìn)行產(chǎn)品設計，然后對樣品進(jìn)行電磁兼容性測試，出了問(wèn)題再進(jìn)行補救的做法，是一種非常冒險的做法，是*不可取的。

3．1家用電器電磁兼容性設計的關(guān)鍵是有源器件的選擇和印刷電路板設計。例如，數字電路是一種至常見(jiàn)的寬帶騷擾源，其上升／下降時(shí)間越短，騷擾頻譜越寬，高頻分量可延伸到兆赫以上。因此，在保證電路功能的同時(shí)，應選用較低的脈沖重復頻率和較慢的上升／下降時(shí)間。又如家庭影院的功放管是重要的電磁騷擾源，除了選用功率適當的器件外，還應從諧波發(fā)射和亂真發(fā)射等技術(shù)指標方面進(jìn)行篩選。

 另一方面，高速邏輯電路、高速時(shí)鐘電路、微處理器以及視頻電路等，既是潛在的電磁騷擾源，卻又很容易被騷擾，如果脈沖騷擾的強度超過(guò)該電路的噪聲容限，就會(huì )產(chǎn)生誤動(dòng)作。CMOS和HTL器件具有較高的噪聲容限，應優(yōu)選使用。

當數字電路工作時(shí)，將發(fā)生高、低電壓之間的轉換，將引起瞬態(tài)地電流和瞬態(tài)負載電流從電源流入電路或由電路流入地線(xiàn)，使電源線(xiàn)或地線(xiàn)中的電流產(chǎn)生不平衡。由于電源線(xiàn)和地線(xiàn)存在不可忽略的電阻和電感，瞬態(tài)地電流和瞬態(tài)負載電流流過(guò)電源線(xiàn)和地線(xiàn)時(shí)，會(huì )引發(fā)電源電壓的波動(dòng)，嚴重時(shí)將干擾其它電路或器件的工作，是傳導騷擾和輻射騷擾的初始源。為此，應盡量減小印刷電路板電源線(xiàn)和地線(xiàn)的電阻和電感。例如，當脈沖電流的變化為30mA，上升／下降時(shí)間為3ns，則騷擾帶寬可達100MHz。對于長(cháng)10cm，寬1mm，厚0．03mm的印刷電路板導線(xiàn)，其阻抗為72．5Ω，所引起的電源電壓波動(dòng)達2．1v；如果使用多層板中的一層為電源層，另一層為接地層，阻抗僅為3．72mΩ，電源電壓波動(dòng)可減小到100μv，對其它電路或器件的工作幾乎不發(fā)生影響。當然，如果在印刷電路板上再安裝去耦電容來(lái)提供一個(gè)電流源，以被補償數字電路工作時(shí)所產(chǎn)生的瞬態(tài)電流，將會(huì )取得更好的效果。

為了控制差模輻射，還應將信號線(xiàn)和回線(xiàn)緊靠在—起，減小信號路徑形成的環(huán)路面積。因為信號環(huán)路的作用就相當于輻射或接收磁場(chǎng)的環(huán)天線(xiàn)。由于接地面存在阻抗而存在地電位，即共模電壓，它能在外接電纜上激勵共模輻射。為了控制共模輻射，就應減小共模電壓，合理選擇接地點(diǎn)；也可采用板上濾波器或濾波器連接器濾除共模電流；當然，如果使屏蔽電纜的屏蔽層與屏蔽機箱構成完整的屏蔽體，也能達到抑制共模輻射的效果。此外，降低信號頻率和電平也是減小輻射的重要措施。為了進(jìn)一步減小印刷電路板導線(xiàn)的輻射，設計時(shí)還應滿(mǎn)足20H準則和2W準則。這里H是印刷電路板兩層板之間的距離，即元件面應比接地面縮小20H寬度，避免因邊緣效應引起的輻射；W是印剛電路板導線(xiàn)的寬度，即高頻或高速電路導線(xiàn)間距不小于兩倍導線(xiàn)寬度，以減小串擾。導線(xiàn)應短、寬、均勻、直，如遇拐彎，應采用45°角，導線(xiàn)寬度不要突變，不要突然拐角。

應當注意，單面板雖然制造簡(jiǎn)單、裝配方便，但只適用于一般電路要求，不適用于高組裝密度或復雜電路的場(chǎng)合；雙面板適用于只要求中等組裝密度的場(chǎng)合；對于高組裝密度或復雜電路，應優(yōu)選多層板。這時(shí)，可將數字電路和模擬電路分別安排在不同層內，電源層和接地層相鄰，騷擾源單獨安排并遠離敏感電路；高速、高頻電路應靠近邊緣連接器。完成印刷電路板設計后，應使板上各電路都能正常工作，不存在相互騷擾，能將騷擾發(fā)射降至低并且有良好的抗擾性。

3．2地線(xiàn)設計是重要的設計，往往也是難度大的一項設計。家用電器的安全地，要提供對人身和家用電器的可靠安全保證，需做獨立的設計。信號地線(xiàn)則是信號流回源的低阻抗路徑，類(lèi)型有懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地以及混合接地，懸浮地容易產(chǎn)生靜電積累與靜電放電，很少采用。由于地線(xiàn)不是理想的零阻抗，單元電路應當采用單點(diǎn)接地；多級電路接地點(diǎn)應選在低電平電路的輸入端，可減小地電位對電路的騷擾；小信號高增益放大器的屏蔽罩也應單點(diǎn)接地，接地點(diǎn)應選在輸出端地線(xiàn)上，可以防止自激；復雜家用電器中往往包含多種電子線(xiàn)路和電機、電器等，這時(shí)應將地線(xiàn)分為信號地線(xiàn)、騷擾源地線(xiàn)、屏蔽罩地線(xiàn)、機殼地線(xiàn)等，分組敷設，后集中為一條地線(xiàn)，可以克服各部分地線(xiàn)之間引起的騷擾。

多點(diǎn)接地一般用于高于10MHz的頻率范圍，以便就近接地。但由于兩個(gè)不同的接地點(diǎn)之間存在地電壓，電路多點(diǎn)接地、并且電路間有信號聯(lián)系時(shí)，將構成地環(huán)路騷擾。地電壓將疊加在信號上一起加到負載端，造成差模干擾。如果兩電路間的信號傳輸用兩根導線(xiàn)，則地電壓將加到兩根導線(xiàn)上，由于這兩根導線(xiàn)對地的陰抗不等，地電壓在兩導線(xiàn)上產(chǎn)生的共模電注大小不等，也將在負載兩端造成差模干擾。為了克服地環(huán)路騷擾，應將信號地線(xiàn)和機殼地線(xiàn)分組敷設，先互相絕緣，后再合一、使地環(huán)路阻抗增大，將地電壓大部分降在該阻抗上，加到導線(xiàn)上的那部分被大大減小。此外，還可以在兩電路之間插入隔離變壓器、共模扼流圈或光電耦合器等，切斷地環(huán)路，也可以取得良好的效果。

3．3屏蔽技術(shù)可以用來(lái)抑制家用電器中的輻射騷擾。輻射騷擾是以電磁場(chǎng)與電磁波的形式在空間傳播的，通?？捎媒饘俨牧匣虼判圆牧习羊}擾源包圍起來(lái)，使屏蔽體內外的“場(chǎng)”相互隔離?？梢钥吹?，屏蔽技術(shù)還可以用來(lái)保護家用電器中的敏感電路，免受外來(lái)的輻射騷擾。對于屏蔽作用的評價(jià)可以用屏蔽效能來(lái)表示，屏蔽效能即未加屏蔽前待測點(diǎn)的場(chǎng)強與加上屏蔽后，待測點(diǎn)的場(chǎng)強之比值。屏蔽效能為屏蔽體反射損耗、吸收損耗和多次反射修正量之和。

對于高電壓、小電流的騷擾源，應采用近場(chǎng)電場(chǎng)屏蔽，即采用高導電率金屬屏蔽體并接地；

對于低電壓、大電流的騷擾源，應采用近場(chǎng)磁場(chǎng)屏蔽，但不同頻率時(shí)應采用不同的措施。直流或低頻時(shí)，可用鐵、硅鋼片、坡莫合金、合金等高導磁率材料制成屏蔽體，可以不接地。磁導率越高，屏蔽效能越高，增加厚度也會(huì )增加屏蔽效能，但很不經(jīng)濟，可以改用多層屏蔽。頻率較高時(shí)，由于磁導率下降和磁損增加而不再適用，應采用高導電率金屬材料，如銅、鋁等。這時(shí)，如果屏蔽體接地良好，還可以同時(shí)屏蔽高頻電場(chǎng)。

敏感電路距離騷擾源較遠時(shí)，采用遠場(chǎng)電磁屏蔽，即用高導電金屬材料制成屏蔽體。家用電器屏蔽機箱或屏蔽盒的材料一般可采用銅板、鋼板、鋁板、鍍鋅鐵板等，厚度約為0．2—0．8毫米。由于高頻電流具有集膚效應，在工程塑料機箱上噴涂一層導電漆，就能起到良好的屏蔽作用。但實(shí)際機箱總有各種大小的孔、縫和開(kāi)口，都可能造成騷擾的耦合。為此，可采用導電襯墊、金屬絲網(wǎng)、截止波導管、截止波導通風(fēng)板、導電玻璃視窗等，改善屏蔽效能。

3．4濾波技術(shù)可以用來(lái)抑制家用電器中傳導騷擾的傳輸，而使需要的頻率分量順利通過(guò)。所使用的濾波器的重要特性用頻率特性，即插入損耗隨頻率的變化來(lái)表征。插入損耗定義為信號源不接濾波器、直接加在負載上的電壓，與信號源通過(guò)濾波器后加在負載上的電壓的比值。能無(wú)衰減地通過(guò)濾波器的頻率范圍稱(chēng)為通帶，而受到很大衰減的頻率范圍稱(chēng)為阻帶。抑制傳導騷擾的濾波器有反射式濾波器和吸收式濾波器等。

反射式濾波器是由電感、電容等元件組成的低通濾波器，在阻帶內能提供高的串聯(lián)阻抗和低的并聯(lián)阻抗，并與騷擾源的阻抗嚴重不匹配，能將高頻騷擾反射回騷擾源而被濾除，有用的低頻分量則很小的衰減通過(guò)。常用于電源線(xiàn)濾波器和信號線(xiàn)濾波器。

吸收式濾波器是由有耗器件構成的，在阻帶內，有耗器件將傳導騷擾的能量吸收后轉化為熱損耗，而起濾波作用。鐵氧體材料就是一種廣泛應用的有耗器件，可用來(lái)構成低通濾波器。當導線(xiàn)中的低頻電流穿過(guò)鐵氧體時(shí)幾乎沒(méi)有損耗，但高頻電流卻會(huì )受到很大損耗。

這因為鐵氧體材料可以等效為電阻值和電感量都隨頻率變化電阻和電感的串聯(lián)。在低頻段，電感起主要作用，在高頻段，電阻起主要作用，并隨頻率升高而增加，電感卻隨頻率升高反而減小，因此對高頻分量起到較大衰減作用，而對直流或低頻分量幾乎沒(méi)有衰減。根據不同的使用場(chǎng)合，鐵氧體可以做成多種形式，例如可以直接焊在印刷電路板上的電阻元件形式，可以串在低速信號線(xiàn)上的磁珠，可以套在元、器件引腳或導線(xiàn)上的磁環(huán)，可以套在電纜上的柱形磁環(huán)和矩形磁環(huán)等。

3．5必須綜合使用接地、屏蔽、濾波等防護措施。單獨使用任何一種防護措施，都不會(huì )達到理想的抑制效果，需要掌握綜合使用的技巧。

前面提到，近場(chǎng)電場(chǎng)屏蔽的必要條件是采用高導電率金屬屏蔽體并接地；接地良好的屏蔽體還可以實(shí)現遠場(chǎng)電磁屏蔽。屏蔽電纜屏蔽層的屏蔽效能主要不是因反射和吸收而得到的，卻是由屏蔽層接地后才得到的。這因為屏蔽層接地后，才能將外來(lái)騷擾短路至地，避免了因與芯線(xiàn)之間存在耦合，而將騷擾耦合至芯線(xiàn)；同理，芯線(xiàn)的騷擾耦合至屏蔽層后，也被短路至地，避免了芯線(xiàn)的騷擾通過(guò)屏蔽層向外輻射?？梢?jiàn)屏蔽與接地是不可分的。

電磁騷擾入侵屏蔽體的主要途徑是輸入輸出接口和電源線(xiàn)輸入口。因為屏蔽體內部的電磁騷擾可以耦合到進(jìn)、出屏蔽體的導線(xiàn)和電纜上，傳導到屏蔽體外，造成輻射騷擾。同樣，外來(lái)的電磁騷擾也會(huì )通過(guò)電磁耦合，由這些導線(xiàn)和電纜傳導進(jìn)入屏蔽體。為了阻止騷擾電流的流進(jìn)或流出，一種簡(jiǎn)單可行的辦法，就是在輸入輸出接口和電源線(xiàn)輸入口分別安裝濾波器連接器和饋通濾波器。此外，前面提到的在開(kāi)口處安裝的截止波導管、截止波導通風(fēng)板、導電玻璃視窗等，實(shí)質(zhì)上都是高通濾波器?？梢?jiàn)屏蔽與濾波也是不可分的。

除了特別說(shuō)明允許不接地的濾波器在使用時(shí)可以不接地以外，各類(lèi)濾波器都必須接地。因為濾波器中的共模旁路電容只有在接地時(shí)才能起濾波作用。特別是型濾波器，接地不良時(shí)，相當于電容和電感并聯(lián)，*失去了濾波的作用。此外，安裝濾波器時(shí)，還應借助于屏蔽，把輸入端和輸出端隔離開(kāi)來(lái)，以免發(fā)生耦合。所以濾波和接地、屏蔽都有密切關(guān)系。

為了減小地環(huán)路騷擾，需要將信號地線(xiàn)與機殼地線(xiàn)先絕緣再集中，因此，信號地線(xiàn)穿過(guò)機殼時(shí)必須安裝饋通濾波器。而高層建筑上的家用電器需要安裝接至大地的地線(xiàn)時(shí)，為了避免因地線(xiàn)過(guò)長(cháng)而耦合電磁騷擾，還必須在地線(xiàn)外加裝屏蔽套筒，可見(jiàn)，接地和濾波、屏蔽也是不可分的，必須綜合利用。

 4、家用電器電磁騷擾抑制舉例

針對前面提到的，安裝了帶有換向器的電動(dòng)機的家用電器，可以采用圖1所示的濾波器，圖(a)中的三個(gè)電容器均采用陶瓷電容器，要求電容器的引腳短，并緊貼著(zhù)電動(dòng)機安裝，C2、C3的公共端與電動(dòng)機殼體可靠連接，接地阻抗要??；圖(b)中C2、C3采用穿心電容；需要進(jìn)一步濾波時(shí)，可以在電源線(xiàn)上加扼流圈，如圖(c)所示。

對于因頻繁開(kāi)關(guān)動(dòng)作而產(chǎn)生騷擾的家用電器，可在開(kāi)關(guān)或繼電器觸點(diǎn)上并聯(lián)濾波器，如圖2所示。

對于采用了啟動(dòng)時(shí)可能引起沖擊電流而斷開(kāi)時(shí)會(huì )產(chǎn)生浪涌電壓和瞬變噪聲的感性負載家用電器，則可以在家用電器電源線(xiàn)輸入端并聯(lián)放電通路，這樣，在斷開(kāi)電源時(shí)，給感性負載上存儲的能量提供一條釋放的通路，例如并聯(lián)壓敏電阻通路或RC網(wǎng)絡(luò )等。

這對啟動(dòng)時(shí)負載中的電流突變所引起的瞬變電壓也能起到抑制作用。

對于帶有可控硅的家用電器，為了抑制高頻諧波騷擾，可以在可控硅支路套上鐵氧體磁珠，或在可控硅的兩極間并聯(lián)RC吸收支路，也可在可控硅與負載之間插入低通濾波器。如果將可控硅電路用屏蔽合屏蔽起來(lái)。也能得到較好的效果。

對于各種氣體放電燈或帶有放電管的家用電器，為了避免放電時(shí)產(chǎn)生的騷擾進(jìn)入電網(wǎng)，可在其電源線(xiàn)上安裝濾波器，如圖3所示。

對于帶有微處理器的家用電器，則應安裝高質(zhì)量電源線(xiàn)濾波器和輸入輸出端口濾波器，并良好接地。必要時(shí)還需進(jìn)行屏蔽。

對于可能發(fā)生電磁能量泄漏的家用電器，則主要應采用屏蔽措施，并對孔、縫、開(kāi)口進(jìn)行密封式屏蔽。

  5．結束語(yǔ)

家用電器的電磁兼容性設計，表面上看好像很復雜，不知從何處下手。但如果能抓住以上幾個(gè)問(wèn)題，任何復雜的家用電器都是可以迎刃而解的。希望企業(yè)界重視電磁兼容性設計，要有超前意識，要合得投入。只要盡早進(jìn)行電磁兼容性設計，成本不會(huì )增加太多。面對電磁環(huán)境日益惡化、電磁兼容設計與認證對國內、貿易的影響，我們應該有緊迫感和強烈的責任感。