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1 引言 電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC）在國家標準GB/4365－1995《電磁兼容性術語》中的定義為：“設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構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，簡稱EMS），即：在存在電磁騷擾的情況下，裝置、設備或系統不能避免性能下降的能力；“不對任何事物構成不能忍受的電磁騷擾的能力”指的是“電磁干擾”（Electromagnetic Interference，簡稱EMI），即：電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降。因此，EMC包括EMS和EMI兩個方面。 隨著電子技術的發展和生產工藝的提高，各種各樣的家用電磁層出不窮，結構也日趨復雜。許多家用電器既是電磁干擾的接受體，又是電磁干擾的發生體。人們正不斷置身與一個復雜的電磁環境中，并隨時可能受到電磁干擾的危害。國家技術監督局與1996年在上海召開了“貫徹實施家用電器、電動工具的無線電干擾國際討論會”，強調現階段要進一步加強宣傳貫徹EMC強制性國家標準，特別是家用電器、電動工具、信息技術設備等行業要盡快開展這項工作。 電磁兼容性已成為衡量家用電器產品質量的重要指標。目前，典型的家用電器主要包括電風扇、洗衣機、電冰箱、空調、電子游戲機、電磁灶、微波爐等，都會產生不同程度的電磁干擾，尤其是帶微處理器的空調、洗衣機等，其運行時產生的電磁干擾是相當嚴重的。由于家用電器種類繁多、電磁兼容技術要求復雜，對“典型家用電器EMC的共性技術研究”就顯得尤為重要。 2 家用電器電磁兼容（EMC）認證的標準及檢驗項目 GB 4343.1-2003 《電磁兼容 家用電器、電動工具和類似器具的要求 第1部分：發射》 該標準于2004年6月1日起實施。本部分適用于其主要功能由電動機、開關或調節裝置實現的器具產生的射頻傳導和輻射騷擾。 GB 4343.2-1999 《電磁兼容 家用電器、電動工具和類似器具的要求 第2部分：抗擾度》該標準于2000年4月1日起實施。本標準適用于家用和類似用途電器、類似器具、電動玩具以及電動工具的電磁抗擾度。 電磁抗擾度（EMS）的檢驗項目有：①靜電放電抗擾度；②輻射電磁場（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電壓暫降和短時中斷抗擾度。 電磁發射（EMI）的檢驗項目有：①連續干擾電壓（150KHz～30MHz）；②斷續干擾電壓（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 共性技術研究 所謂“典型家用電器電磁兼容共性技術”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。本文通過對典型家用電器的開關電源、電動機、微處理器的電磁兼容技術研究，針對其引起的靜電放電、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 開關電源 功率半導體器件的高速開關動作，不可避免地要產生大量的EMI。作為能量轉換裝置，其電壓、電流變化率很高，干擾強度很大；開關頻率不高，主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾。 由于頻繁的動作，開關電源在電路的導通或閉合時，會有大量的電荷聚集在電源線和電器的內部器件上，這樣必然會產生靜電干擾；同時，由于電壓、電流的高變化率，會產生快速瞬變脈沖干擾。 開關電源的干擾以傳導干擾為主，EMI濾波器是目前最有效的抑制方法。此外，經驗表明開關電源的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計大大得到改善。 3.2 電動機 許多家用電器是用電動機驅動的。帶換向器式電動機的家用電器產生的電磁騷擾尤為嚴重。由于其帶有換向器和電刷，在轉子高速旋轉時，電刷不斷地接通和斷開，極易產生電刷電弧，形成火花騷擾；電動機為感性負載，當切換負載的供電電源時會產生高反向電壓。火花騷擾和高反向電壓均具有頻譜寬、諧波豐富的特點，而這些頻率范圍覆蓋了許多廣播、通訊等電子設備的正常工作頻率，嚴重時會影響設備無法正常工作。 消除電動機產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板有大量的數字線路板，其上的時鐘、視頻和數據驅動器，及其它振蕩器中流動的電流是主要的騷擾源。這些電流還可以通過電線產生傳導干擾和過空間產生輻射騷擾。 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，在未被微處理器選中時，器件處于高阻狀態，在一定條件下，電荷很容易產生積累，并在被選中時產生靜電放電。 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，甚至造成整個系統的崩潰。 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、設備、器件的電荷積累放電等。 家用電器抗靜電干擾設計在于良好的接地和結構設計。 接地的作用有兩個：安全地（為有損害的電路提供一個同路），參考地（為從外部進入到系統的信號提供一個參考）。地線干擾按照產生的機理可分為地環路干擾和公共阻抗干擾。地環路干擾是由地線和電纜組成的環路電流產生的。通常減小地環路干擾的有效途徑有：將一端的設備浮地、使用變壓器實現設備之間的連接、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，是由于兩個電路共用一段地線，地線本身又具有阻抗而產生的。減小共用阻抗干擾的途徑有兩個：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；二是通過恰當的接地方式，避免容易相互干擾的電路共用地線，一般要避免強電于弱電電路共用地線，避免數字與模擬電路共用地線。 標準規定，凡試品中人體可以接觸到的地方都要進行靜電放電試驗，可見家用電器的結構對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，金屬外殼作為ESD電流的通道，引導ESD電流在內部電路的周圍，此時外殼中的孔和縫隙對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，并至少在兩點上提供低阻抗連接。 4.2 電快速瞬變脈沖群抗干擾 當操作開關、繼電器、接觸器動作時會在其母線上產生多個瞬態脈沖族，稱為群脈沖干擾。快速瞬變群脈沖一般不會對器件和系統造成破壞，但對于家用電器中的微處理器可以造成很大的影響。當這些高頻的尖脈沖出現在地址總線、數據總線或邏輯門電路上時，會使微處理器和邏輯電路產生時序錯誤，造成微處理器程序混亂、死機等等。因此，抗尖脈沖干擾是帶有微處理器家用電器的EMC設計的重要環節。 家用電器的各個元器件，如繼電器、接觸器、開關、按鍵等等應加以特殊處理，一般在他們的兩端并聯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增加一些吸收尖脈沖的元器件。 下面以一帶電動機的電動玩具為例，用實驗數據說明濾波器的效果。 圖1顯示的是對某電動玩具（換向器式電動機）進行騷擾輻射發射測試的 圖1 某電動玩具的輻射騷擾 圖3 帶電機玩具改進后的輻射騷擾 由圖可見，改電動玩具的電磁輻射是相當嚴重的。為了減小輻射達到電磁兼容的標準，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100uH的扼流圈，用于抑制差模噪聲。扼流圈是對稱安裝的，這樣一方面平衡了扼流圈內部阻抗，另一方面平衡了每根導線與地之間的騷擾電壓。在這種情況下，兩個電刷產生的大小相等方向相反的騷擾電壓在導線與地之間造成的騷擾電場相互抵消。由于兩個扼流圈中騷擾電流方向不同，導線上的騷擾磁場同樣地互相抵消，從而降低了騷擾。圖2（b）中進一步加入了共模扼流圈，效果更好。采用濾波器后的測量數據如圖3所示。可見，濾波效果是相當明顯的，輻射騷擾強度降低了近30dBuV/m。但如果騷擾強度非常大，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。它是由有耗器件構成的，在阻帶內吸收噪聲的能量轉化為熱損耗，從而起到濾波作用。鐵氧體吸收型濾波器是目前應用發 展很快的一種低通濾波器。它與常規的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，對頻率具有高度的敏感性，低頻信號可以毫無損耗地通過，而當頻率增加時，其阻抗也迅速增加，有效抑制了高頻信號。用鐵氧體吸收型濾波器代替圖2中電路中的電感后，輻射騷擾場強可再降低10dBuv/m。鐵氧體磁環可以直接套再導線上，磁環越長，阻抗越大。注意環內徑應與導線密貼，消除導線上電流產生的磁通，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，負載開關的閉合、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）。 5 結論 電磁兼容性是家用電器的一個重要衡量標準。由于家用電器的種類繁多，結構復雜，對其共性技術的研究顯得極為重要。“典型家用電器電磁兼容共性技術研究”通過對家用電器共有部件的EMS測試，得出大量的試驗數據，運用模糊推理的方法可以做成專家控制系統，這對于其他的家用電器的電磁認證具有很大的指導意義。 |
