家用电器EMC的共性技术研究
2010-12-17 17:30:07
来源：《半导体器件应用》2010年4月刊
1 引言
电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）在国家标准GB/4365-1995《电磁兼容性术语》中的定义为 ：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能忍受的电磁骚扰的能力”。“能正常工作”指的是“电磁敏感性”（Electromagnetic Susceptibility，简称EMS），即：在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能下降的能力；“不对任何事物构成不能忍受的电磁骚扰的能力”指的是“电磁干扰”（Electromagnetic Interference，简称EMI），即：电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。因此，EMC包括EMS和EMI两个方面。
随着电子技术的发展和生产工艺的提高，各种各样的家用电器层出不穷，结构也日趋复杂。许多家用电器既是电磁干扰的接受体，又是电磁干扰的发生体。人们正不断置身于一个复杂的电磁环境中，并随时可能受到电磁干扰的危害。国家技术监督局于1996年在上海召开了“贯彻实施家用电器、电动工具的无线电干扰国际讨论会”，强调现阶段要进一步加强宣传贯彻EMC强制性国家标准，特别是家用电器、电动工具、信息技术设备等行业要尽快开展这项工作。
电磁兼容性已成为衡量家用电器产品质量的重要指标。目前，典型的家用电器主要包括：电风扇、洗衣机、电冰箱、空调、电子游戏机、电磁灶、微波炉等，都会产生不同程度的电磁干扰。尤其是带微处理器的空调、洗衣机等，其运行时产生的电磁干扰是相当严重的。由于家用电器种类繁多、电磁兼容技术要求复杂，对“典型家用电器EMC的共性技术研究”就显得尤为重要。
2 家用电器电磁兼容(EMC)认证的标准及检验项目
GB 4343.1-2003《电磁兼容 家用电器、电动工具和类似器具的要求第1部分：发射》标准于2004年6月1日起实施。本部分适用于其主要功能由电动机、开关或调节装置实现的器具产生的射频传导和辐射骚扰。
GB 4343.2-1999《电磁兼容 家用电器、电动工具和类似器具的要求第2部分：抗扰度》标准于2000年4月1日起实施[1]。本标准适用于家用和类似用途电器、类似器具、电动玩具以及电动工具的电磁抗扰度。
电磁抗扰度（EMS）的检验项目有：①静电放电抗扰度；②辐射电磁场(80MHz~1000MHz)抗扰度；③电快速瞬变/脉冲群抗扰度；④浪涌（雷击）抗扰度；⑤注入电流(150kHz~230MHz)抗扰度；⑥电压暂降和短时中断抗扰度。
电磁发射(EMI)的检验项目有：①连续干扰电压(150kHz~30MHz)；②断续干扰电压（喀呖声）（150kHz、500kHz、1.4MHz和30MHz）；③干扰频率(30MHz~300MHz)；④谐波电流（2次~40次谐波）。
3 共性技术研究
所谓“典型家用电器电磁兼容共性技术”是指“就电磁兼容而言，家用电器中普遍存在的问题及解决的措施”，而不是指具体的某类家用电器。本文通过对典型家用电器的开关电源、电动机、微处理器的电磁兼容技术研究，针对其引起的静电放电、电快速瞬变脉冲群、浪涌等干扰，给予普遍适用的有效解决措施。
3.1 开关电源
功率半导体器件的高速开关动作，不可避免地要产生大量的EMI。作为能量转换装置，其电压、电流变化率很高，干扰强度很大；开关频率不很高，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰[2]。
由于频繁的动作，开关电源在电路的导通或闭合时，会有大量的电荷聚集在电源线和电器的内部器件上，这样必然会产生静电干扰；同时，由于电压、电流的高变化率，会产生快速瞬变脉冲干扰。
开关电源的干扰以传导干扰为主，EMI滤波器是目前最有效的抑制方法。此外，经验表明，开关电源的EMC性能往往可以在不增加任何元器件和改变线路的条件下，通过修改印刷线路板的布线设计大大得到改善。
3.2 电动机
许多家用电器是用电动机驱动的。带换向器式电动机的家用电器产生的电磁骚扰尤为严重。由于其带有换向器和电刷，在转子高速旋转时，电刷不断地接通和断开，极易产生电刷电弧，形成火花骚扰；电动机为感性负载，当切换负载的供电电源时会产生高反向电压。火花骚扰和高反向电压均具有频谱宽、谐波丰富的特点，而这些频率范围覆盖了许多广播、通讯等电子设备的正常工作频率，严重时会影响设备无法正常工作。
消除电动机产生骚扰的行之有效的方法是滤波、屏蔽和接地。
3.3 微处理器
微处理器的使用使得家用电器更加智能化。然而，由于微处理器的PCB板有大量的数字线路板，其上的时钟、视频和数据驱动器，及其它振荡器中流动的电流是主要的骚扰源。这些电流还可以通过电线产生传导干扰和通过空间产生辐射骚扰。
家用电器中微处理器电路的各种外部集成电路是用总线形式连接的，靠地址线选通外设。在未被微处理器选中时，器件处于高阻状态，在一定条件下，电荷很容易产生积累，并在被选中时产生静电放电。
值得提出的是，除了解决上述EMI之外，微处理器还特别要提高自身的抗干扰性(EMS)。高频数字脉冲一旦受到外界的骚扰，很容易不能正常工作，甚至造成整个系统的崩溃。
4 抗干扰措施
4.1 静电放电(ESD)抗干扰
静电干扰来源于人体放电、设备、器件的电荷积累放电等。
家用电器抗静电干扰设计在于良好的接地和结构设计。
接地的作用有两个：安全地（为有损害的电路提供一个旁路），参考地（为从外部进入到系统的信号提供一个参考）。地线干扰按照产生的机理可分为地环路干扰和公共阻抗干扰。地环路干扰是由地线和电缆组成的环路电流产生的。通常减小地环路干扰的有效途径有：将一端的设备浮地、使用变压器实现设备之间的连接、使用光电隔离器、使用公模扼流圈等；公共阻抗干扰顾名思义，是由于两个电路共用一段地线，地线本身又具有阻抗而产生的。减小共用阻抗干扰的途径有两个：一是减小公共地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合；二是通过恰当的接地方式，避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电与弱电电路共用地线，避免数字与模拟电路共用地线。
标准规定，凡试品中人体可以接触到的地方都要进行静电放电试验，可见家用电器的结构对抗静电能力有着重要作用。家用电器一般都置身于金属外壳内，金属外壳作为ESD电流的通道，引导ESD电流在内部电路的周围。此时外壳中的孔和缝隙对电流都能起到高阻抗的壁垒作用，为了使其最小，所有的金属板必须搭接在一起，并至少在两点上提供低阻抗连接。
4.2 电快速瞬变脉冲群抗干扰
当操作开关、继电器、接触器动作时会在其母线上产生多个瞬态脉冲族，称为群脉冲干扰。快速瞬变群脉冲一般不会对器件和系统造成破坏，但对于家用电器中的微处理器可以造成很大的影响。当这些高频的尖脉冲出现在地址总线、数据总线或逻辑门电路上时，会使微处理器和逻辑电路产生时序错误，造成微处理器程序混乱、死机等等。因此，抗尖脉冲干扰是带有微处理器家用电器的EMC设计的重要环节。
家用电器的各个元器件，如继电器、接触器、开关、按键等等应加以特殊处理。一般在他们的两端并联或串连电容元件和二极管以吸收尖脉冲干扰；其次，在极为重要的电路中应增加一些吸收尖脉冲的元器件。
下面以带电动机的电动玩具为例[3]，用实验数据说明滤波器的效果。
图1显示的是对某电动玩具（换向器式电动机）进行骚扰辐射发射测试的。
由图可见，该电动玩具的电磁辐射是相当严重的。为了减小辐射达到电磁兼容的标准，我们加入滤波器，如图2所示。
图2(a)中分别在电源线上加入两个100μH的扼流圈，用于抑制差模噪声。扼流圈是对称安装的，这样一方面平衡了扼流圈内部阻抗，另一方面平衡了每根导线与地之间的骚扰电压。在这种情况下，两个电刷产生的大小相等方向相反的骚扰电压，在导线与地之间造成的骚扰电场相互抵消。由于两个扼流圈中骚扰电流方向不同，导线上的骚扰磁场同样地互相抵消，从而降低了骚扰。图2(b)中进一步加入了共模扼流圈，效果更好。采用滤波器后的测量数据如图3所示。可见，滤波效果是相当明显的，辐射骚扰强度降低了近30dBμV/m。但如果骚扰强度非常大，就需要使用吸收式滤波器。
吸收式滤波器是目前一种常见的、便宜的器件。它是由有耗能器件构成的，在阻带内吸收噪声的能量转化为热损耗，从而起到滤波作用。铁氧体吸收型滤波器是目前应用发展很快的一种低通滤波器。它与常规的L滤波器相比具有更好的高滤波特性。
铁氧体材料是铁氧化物和其他成分如锰、锌钴、镍的混合体，对频率具有高度的敏感性，低频信号可以毫无损耗地通过，而当频率增加时，其阻抗也迅速增加，有效抑制了高频信号[4]。用铁氧体吸收型滤波器代替图2电路中的电感后，辐射骚扰场强可再降低10dBμV/m。铁氧体磁环可以直接套再导线上，磁环越长，阻抗越大。注意环内径应与导线密贴，消除导线上电流产生的磁通，增加滤波效果。
4.3 浪涌(雷击)抗干扰
浪涌是指电源电压和电流的变动、负载开关的闭合、自然界的雷击都可能引起浪涌。其危害较大，可以引起振荡甚至烧坏整个系统。
家用电器一般不会直接受到雷电的干扰，大多是通过传导线路中的感应电流或电压引起的骚扰。良好的接地是解决这一干扰的有效手段。
防止浪涌干扰的常用器件有：气体放电管、金属氧化物压敏电阻(MOVS)和硅瞬变吸收二级管(TVS)。
5 结论
电磁兼容性是家用电器的一个重要衡量标准。由于家用电器的种类繁多，结构复杂，对其共性技术的研究显得极为重要。“典型家用电器电磁兼容共性技术研究”通过对家用电器共有部件的EMS测试，得出大量的试验数据，运用模糊推理的方法可以做成专家控制系统，这对于其他的家用电器的电磁认证具有很大的指导意义。
电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）在国家标准GB/4365-1995《电磁兼容性术语》中的定义为 ：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能忍受的电磁骚扰的能力”。“能正常工作”指的是“电磁敏感性”（Electromagnetic Susceptibility，简称EMS），即：在存在电磁骚扰的情况下，装置、设备或系统不能避免性能下降的能力；“不对任何事物构成不能忍受的电磁骚扰的能力”指的是“电磁干扰”（Electromagnetic Interference，简称EMI），即：电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。因此，EMC包括EMS和EMI两个方面。
随着电子技术的发展和生产工艺的提高，各种各样的家用电器层出不穷，结构也日趋复杂。许多家用电器既是电磁干扰的接受体，又是电磁干扰的发生体。人们正不断置身于一个复杂的电磁环境中，并随时可能受到电磁干扰的危害。国家技术监督局于1996年在上海召开了“贯彻实施家用电器、电动工具的无线电干扰国际讨论会”，强调现阶段要进一步加强宣传贯彻EMC强制性国家标准，特别是家用电器、电动工具、信息技术设备等行业要尽快开展这项工作。
电磁兼容性已成为衡量家用电器产品质量的重要指标。目前，典型的家用电器主要包括：电风扇、洗衣机、电冰箱、空调、电子游戏机、电磁灶、微波炉等，都会产生不同程度的电磁干扰。尤其是带微处理器的空调、洗衣机等，其运行时产生的电磁干扰是相当严重的。由于家用电器种类繁多、电磁兼容技术要求复杂，对“典型家用电器EMC的共性技术研究”就显得尤为重要。
2 家用电器电磁兼容(EMC)认证的标准及检验项目
GB 4343.1-2003《电磁兼容 家用电器、电动工具和类似器具的要求第1部分：发射》标准于2004年6月1日起实施。本部分适用于其主要功能由电动机、开关或调节装置实现的器具产生的射频传导和辐射骚扰。
GB 4343.2-1999《电磁兼容 家用电器、电动工具和类似器具的要求第2部分：抗扰度》标准于2000年4月1日起实施[1]。本标准适用于家用和类似用途电器、类似器具、电动玩具以及电动工具的电磁抗扰度。
电磁抗扰度（EMS）的检验项目有：①静电放电抗扰度；②辐射电磁场(80MHz~1000MHz)抗扰度；③电快速瞬变/脉冲群抗扰度；④浪涌（雷击）抗扰度；⑤注入电流(150kHz~230MHz)抗扰度；⑥电压暂降和短时中断抗扰度。
电磁发射(EMI)的检验项目有：①连续干扰电压(150kHz~30MHz)；②断续干扰电压（喀呖声）（150kHz、500kHz、1.4MHz和30MHz）；③干扰频率(30MHz~300MHz)；④谐波电流（2次~40次谐波）。
3 共性技术研究
所谓“典型家用电器电磁兼容共性技术”是指“就电磁兼容而言，家用电器中普遍存在的问题及解决的措施”，而不是指具体的某类家用电器。本文通过对典型家用电器的开关电源、电动机、微处理器的电磁兼容技术研究，针对其引起的静电放电、电快速瞬变脉冲群、浪涌等干扰，给予普遍适用的有效解决措施。
3.1 开关电源
功率半导体器件的高速开关动作，不可避免地要产生大量的EMI。作为能量转换装置，其电压、电流变化率很高，干扰强度很大；开关频率不很高，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰[2]。
由于频繁的动作，开关电源在电路的导通或闭合时，会有大量的电荷聚集在电源线和电器的内部器件上，这样必然会产生静电干扰；同时，由于电压、电流的高变化率，会产生快速瞬变脉冲干扰。
开关电源的干扰以传导干扰为主，EMI滤波器是目前最有效的抑制方法。此外，经验表明，开关电源的EMC性能往往可以在不增加任何元器件和改变线路的条件下，通过修改印刷线路板的布线设计大大得到改善。
3.2 电动机
许多家用电器是用电动机驱动的。带换向器式电动机的家用电器产生的电磁骚扰尤为严重。由于其带有换向器和电刷，在转子高速旋转时，电刷不断地接通和断开，极易产生电刷电弧，形成火花骚扰；电动机为感性负载，当切换负载的供电电源时会产生高反向电压。火花骚扰和高反向电压均具有频谱宽、谐波丰富的特点，而这些频率范围覆盖了许多广播、通讯等电子设备的正常工作频率，严重时会影响设备无法正常工作。
消除电动机产生骚扰的行之有效的方法是滤波、屏蔽和接地。
3.3 微处理器
微处理器的使用使得家用电器更加智能化。然而，由于微处理器的PCB板有大量的数字线路板，其上的时钟、视频和数据驱动器，及其它振荡器中流动的电流是主要的骚扰源。这些电流还可以通过电线产生传导干扰和通过空间产生辐射骚扰。
家用电器中微处理器电路的各种外部集成电路是用总线形式连接的，靠地址线选通外设。在未被微处理器选中时，器件处于高阻状态，在一定条件下，电荷很容易产生积累，并在被选中时产生静电放电。
值得提出的是，除了解决上述EMI之外，微处理器还特别要提高自身的抗干扰性(EMS)。高频数字脉冲一旦受到外界的骚扰，很容易不能正常工作，甚至造成整个系统的崩溃。
4 抗干扰措施
4.1 静电放电(ESD)抗干扰
静电干扰来源于人体放电、设备、器件的电荷积累放电等。
家用电器抗静电干扰设计在于良好的接地和结构设计。
接地的作用有两个：安全地（为有损害的电路提供一个旁路），参考地（为从外部进入到系统的信号提供一个参考）。地线干扰按照产生的机理可分为地环路干扰和公共阻抗干扰。地环路干扰是由地线和电缆组成的环路电流产生的。通常减小地环路干扰的有效途径有：将一端的设备浮地、使用变压器实现设备之间的连接、使用光电隔离器、使用公模扼流圈等；公共阻抗干扰顾名思义，是由于两个电路共用一段地线，地线本身又具有阻抗而产生的。减小共用阻抗干扰的途径有两个：一是减小公共地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合；二是通过恰当的接地方式，避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电与弱电电路共用地线，避免数字与模拟电路共用地线。
标准规定，凡试品中人体可以接触到的地方都要进行静电放电试验，可见家用电器的结构对抗静电能力有着重要作用。家用电器一般都置身于金属外壳内，金属外壳作为ESD电流的通道，引导ESD电流在内部电路的周围。此时外壳中的孔和缝隙对电流都能起到高阻抗的壁垒作用，为了使其最小，所有的金属板必须搭接在一起，并至少在两点上提供低阻抗连接。
4.2 电快速瞬变脉冲群抗干扰
当操作开关、继电器、接触器动作时会在其母线上产生多个瞬态脉冲族，称为群脉冲干扰。快速瞬变群脉冲一般不会对器件和系统造成破坏，但对于家用电器中的微处理器可以造成很大的影响。当这些高频的尖脉冲出现在地址总线、数据总线或逻辑门电路上时，会使微处理器和逻辑电路产生时序错误，造成微处理器程序混乱、死机等等。因此，抗尖脉冲干扰是带有微处理器家用电器的EMC设计的重要环节。
家用电器的各个元器件，如继电器、接触器、开关、按键等等应加以特殊处理。一般在他们的两端并联或串连电容元件和二极管以吸收尖脉冲干扰；其次，在极为重要的电路中应增加一些吸收尖脉冲的元器件。
下面以带电动机的电动玩具为例[3]，用实验数据说明滤波器的效果。
图1显示的是对某电动玩具（换向器式电动机）进行骚扰辐射发射测试的。
由图可见，该电动玩具的电磁辐射是相当严重的。为了减小辐射达到电磁兼容的标准，我们加入滤波器，如图2所示。
图2(a)中分别在电源线上加入两个100μH的扼流圈，用于抑制差模噪声。扼流圈是对称安装的，这样一方面平衡了扼流圈内部阻抗，另一方面平衡了每根导线与地之间的骚扰电压。在这种情况下，两个电刷产生的大小相等方向相反的骚扰电压，在导线与地之间造成的骚扰电场相互抵消。由于两个扼流圈中骚扰电流方向不同，导线上的骚扰磁场同样地互相抵消，从而降低了骚扰。图2(b)中进一步加入了共模扼流圈，效果更好。采用滤波器后的测量数据如图3所示。可见，滤波效果是相当明显的，辐射骚扰强度降低了近30dBμV/m。但如果骚扰强度非常大，就需要使用吸收式滤波器。
吸收式滤波器是目前一种常见的、便宜的器件。它是由有耗能器件构成的，在阻带内吸收噪声的能量转化为热损耗，从而起到滤波作用。铁氧体吸收型滤波器是目前应用发展很快的一种低通滤波器。它与常规的L滤波器相比具有更好的高滤波特性。
铁氧体材料是铁氧化物和其他成分如锰、锌钴、镍的混合体，对频率具有高度的敏感性，低频信号可以毫无损耗地通过，而当频率增加时，其阻抗也迅速增加，有效抑制了高频信号[4]。用铁氧体吸收型滤波器代替图2电路中的电感后，辐射骚扰场强可再降低10dBμV/m。铁氧体磁环可以直接套再导线上，磁环越长，阻抗越大。注意环内径应与导线密贴，消除导线上电流产生的磁通，增加滤波效果。
4.3 浪涌(雷击)抗干扰
浪涌是指电源电压和电流的变动、负载开关的闭合、自然界的雷击都可能引起浪涌。其危害较大，可以引起振荡甚至烧坏整个系统。
家用电器一般不会直接受到雷电的干扰，大多是通过传导线路中的感应电流或电压引起的骚扰。良好的接地是解决这一干扰的有效手段。
防止浪涌干扰的常用器件有：气体放电管、金属氧化物压敏电阻(MOVS)和硅瞬变吸收二级管(TVS)。
5 结论
电磁兼容性是家用电器的一个重要衡量标准。由于家用电器的种类繁多，结构复杂，对其共性技术的研究显得极为重要。“典型家用电器电磁兼容共性技术研究”通过对家用电器共有部件的EMS测试，得出大量的试验数据，运用模糊推理的方法可以做成专家控制系统，这对于其他的家用电器的电磁认证具有很大的指导意义。
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