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1 引言 電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱EMC）在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/4365－1995《電磁兼容性術(shù)語》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年在上海召開了“貫徹實(shí)施家用電器、電動(dòng)工具的無線電干擾國(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)適用于家用和類似用途電器、類似器具、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題及解決的措施”，而不是指具體的某類家用電器。本文通過對(duì)典型家用電器的開關(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 開關(guān)電源 功率半導(dǎo)體器件的高速開關(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，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電線產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和過空間產(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)部電路的周圍，此時(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，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，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)可以毫無損耗地通過，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。 |
