家用電器電磁兼容性設(shè)計.doc

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天馬行空官方博客：http://t.qq.com/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632 家用電器電磁兼容性設(shè)計 當(dāng)前，電子信息技術(shù)日新月異，數(shù)字化浪潮波濤洶涌，而網(wǎng)絡(luò)時代的到來又會給家電產(chǎn)業(yè)帶來一個全新的、廣闊的市場。21世紀(jì)家電產(chǎn)品的概念還會擴大和延伸，所以我們對未來我國家電制造業(yè)的發(fā)展充滿信心。然而，這一切都建立在一個重要基礎(chǔ)之上，即家用電器的電磁兼容性設(shè)計。 1、家用電器電磁騷擾對電磁環(huán)境的影響 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，家用電器正迅速向節(jié)能化、自動化、智能化、方便化、舒適化的趨勢發(fā)展。這樣，隨著家用電器品種越來越多，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大；同時，進口產(chǎn)品也充斥市場。另一方面，隨著微電子控制技術(shù)的發(fā)展，電子家電產(chǎn)品大量涌現(xiàn)。由此而產(chǎn)生的電磁騷擾在對其它家用電器或電子設(shè)備的正常使用和可靠性產(chǎn)生影響和危害的同時，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)國際組織的普遍關(guān)注。特別是歐共體理事會指令《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日進入實質(zhì)性實施階段后，電子、電氣產(chǎn)品電磁兼容性指標(biāo)合格與否更成為歐共體市場準(zhǔn)入或市場流通的必要條件。隨著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不斷提高，進而逐漸減小電磁環(huán)境污染，保護廣大用戶的切身利益。 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型： (1)由帶有換向器的電動機在運轉(zhuǎn)過程中，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)、電動縫紉機、食品攪拌器、電動剃須刀等；電磁騷擾是指任何可能引起其它家用電器或電子設(shè)備性能降低或?qū)θ梭w健康產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象； (2)由于頻繁的開關(guān)動作而產(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)啟動時可能引起低壓配電網(wǎng)各項指標(biāo)下降，導(dǎo)致其它家用電器或電子設(shè)備不能正常運行的家用電器，如空調(diào)器啟動時所需的大電流會使電網(wǎng)電壓暫時下降，電動機或電感性鎮(zhèn)壓流器等電感性負載啟動時會導(dǎo)致電源功率因數(shù)下降，變頻調(diào)速式空調(diào)器中的電力電子器件還會產(chǎn)生電源諧波等； (4)帶有可控硅器件的家用電器，如電子調(diào)光燈、電風(fēng)扇多功能控制器等，會產(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形成的等離子體，會產(chǎn)生電磁騷擾； (6)帶有微處理器的家用電器，如模糊類家電、帶遙控的家電、全自動洗衣機、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(shù)字信號會引起電磁騷擾，而且，隨著時鐘頻率的不斷提高，其騷擾頻譜可高達數(shù)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國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，就會造成電磁環(huán)境污染。例如，騷擾收音機、電視機的收聽、收看；使計算機及其控制的電器發(fā)生誤操作或丟失數(shù)據(jù)；使醫(yī)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(xiàn)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，還會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、血液與免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)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，不會造成性能降級，而且，不會對該電磁環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。這就是說，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，每臺家用電器除了本身要能抗住外來電磁騷擾，能正常運行以外，還不能騷擾其它家用電器或電子設(shè)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題。總之，家用電器一方面應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)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)生超過國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)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(biāo)之一，也是保證家用電器的質(zhì)量、實現(xiàn)家用電器應(yīng)有功能的重要手段。 3、家用電器電磁兼容性設(shè)計 家用電器電磁兼容性設(shè)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(shè)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(shè)計的初始階段，同時進行電磁兼容性設(shè)計，可以把電磁騷擾和抗擾度等電磁兼容性問題解決在產(chǎn)品定型之前；如果等到產(chǎn)品定型以后，甚至等到生產(chǎn)階段或到了用戶手里以后，發(fā)現(xiàn)問題才去解決，非但將在技術(shù)上帶來很大難度，而且會造成人力、財力極大的浪費。所以，盡早解決電磁兼容性問題是十分必要的。那種不顧電磁兼容性，只按常規(guī)進行產(chǎn)品設(shè)計，然后對樣品進行電磁兼容性測試，出了問題再進行補救的做法，是一種非常冒險的做法，是完全不可取的。 3．1家用電器電磁兼容性設(shè)計的關(guān)鍵是有源器件的選擇和印刷電路板設(shè)計。例如，數(shù)字電路是一種最常見的寬帶騷擾源，其上升／下降時間越短，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，應(yīng)選用較低的脈沖重復(fù)頻率和較慢的上升／下降時間。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(dāng)?shù)钠骷猓€應(yīng)從諧波發(fā)射和亂真發(fā)射等技術(shù)指標(biāo)方面進行篩選。另一方面，高速邏輯電路、高速時鐘電路、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該電路的噪聲容限，就會產(chǎn)生誤動作。CMOS和HTL器件具有較高的噪聲容限，應(yīng)優(yōu)選使用。 當(dāng)數(shù)字電路工作時，將發(fā)生高、低電壓之間的轉(zhuǎn)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，使電源線或地線中的電流產(chǎn)生不平衡。由于電源線和地線存在不可忽略的電阻和電感，瞬態(tài)地電流和瞬態(tài)負載電流流過電源線和地線時，會引發(fā)電源電壓的波動，嚴(yán)重時將干擾其它電路或器件的工作，是傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾的初始源。為此，應(yīng)盡量減小印刷電路板電源線和地線的電阻和電感。例如，當(dāng)脈沖電流的變化為30mA，上升／下降時間為3ns，則騷擾帶寬可達100MHz。對于長10cm，寬1mm，厚0．03mm的印刷電路板導(dǎo)線，其阻抗為72．5Ω，所引起的電源電壓波動達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(dāng)然，如果在印刷電路板上再安裝去耦電容來提供一個電流源，以被補償數(shù)字電路工作時所產(chǎn)生的瞬態(tài)電流，將會取得更好的效果。 為了控制差模輻射，還應(yīng)將信號線和回線緊靠在—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(dāng)于輻射或接收磁場的環(huán)天線。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(yīng)減小共模電壓，合理選擇接地點；也可采用板上濾波器或濾波器連接器濾除共模電流；當(dāng)然，如果使屏蔽電纜的屏蔽層與屏蔽機箱構(gòu)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。為了進一步減小印刷電路板導(dǎo)線的輻射，設(shè)計時還應(yīng)滿足20H準(zhǔn)則和2W準(zhǔn)則。這里H是印刷電路板兩層板之間的距離，即元件面應(yīng)比接地面縮小20H寬度，避免因邊緣效應(yīng)引起的輻射；W是印剛電路板導(dǎo)線的寬度，即高頻或高速電路導(dǎo)線間距不小于兩倍導(dǎo)線寬度，以減小串?dāng)_。導(dǎo)線應(yīng)短、寬、均勻、直，如遇拐彎，應(yīng)采用45角，導(dǎo)線寬度不要突變，不要突然拐角。 應(yīng)當(dāng)注意，單面板雖然制造簡單、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(fù)雜電路的場合；雙面板適用于只要求中等組裝密度的場合；對于高組裝密度或復(fù)雜電路，應(yīng)優(yōu)選多層板。這時，可將數(shù)字電路和模擬電路分別安排在不同層內(nèi)，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(yīng)靠近邊緣連接器。完成印刷電路板設(shè)計后，應(yīng)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)射降至最低并且有良好的抗擾性。 3．2地線設(shè)計是最重要的設(shè)計，往往也是難度最大的一項設(shè)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(shè)計。信號地線則是信號流回源的低阻抗路徑，類型有懸浮地、單點接地、多點接地以及混合接地，懸浮地容易產(chǎn)生靜電積累與靜電放電，很少采用。由于地線不是理想的零阻抗，單元電路應(yīng)當(dāng)采用單點接地；多級電路接地點應(yīng)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(yīng)單點接地，接地點應(yīng)選在輸出端地線上，可以防止自激；復(fù)雜家用電器中往往包含多種電子線路和電機、電器等，這時應(yīng)將地線分為信號地線、騷擾源地線、屏蔽罩地線、機殼地線等，分組敷設(shè)，最后集中為一條地線，可以克服各部分地線之間引起的騷擾。多點接地一般用于高于10MHz的頻率范圍，以便就近接地。但由于兩個不同的接地點之間存在地電壓，電路多點接地、并且電路間有信號聯(lián)系時，將構(gòu)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(dǎo)線，則地電壓將加到兩根導(dǎo)線上，由于這兩根導(dǎo)線對地的陰抗不等，地電壓在兩導(dǎo)線上產(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(yīng)將信號地線和機殼地線分組敷設(shè)，先互相絕緣，最后再合一、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(dǎo)線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)可以用來抑制家用電器中的輻射騷擾。輻射騷擾是以電磁場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，使屏蔽體內(nèi)外的“場”相互隔離?？梢钥吹?，屏蔽技術(shù)還可以用來保護家用電器中的敏感電路，免受外來的輻射騷擾。對于屏蔽作用的評價可以用屏蔽效能來表示，屏蔽效能即未加屏蔽前待測點的場強與加上屏蔽后，待測點的場強之比值。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(yīng)采用近場電場屏蔽，即采用高導(dǎo)電率金屬屏蔽體并接地； 對于低電壓、大電流的騷擾源，應(yīng)采用近場磁場屏蔽，但不同頻率時應(yīng)采用不同的措施。直流或低頻時，可用鐵、硅鋼片、坡莫合金、合金等高導(dǎo)磁率材料制成屏蔽體，可以不接地。磁導(dǎo)率越高，屏蔽效能越高，增加厚度也會增加屏蔽效能，但很不經(jīng)濟，可以改用多層屏蔽。頻率較高時，由于磁導(dǎo)率下降和磁損增加而不再適用，應(yīng)采用高導(dǎo)電率金屬材料，如銅、鋁等。這時，如果屏蔽體接地良好，還可以同時屏蔽高頻電場。 敏感電路距離騷擾源較遠時，采用遠場電磁屏蔽，即用高導(dǎo)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(yīng)，在工程塑料機箱上噴涂一層導(dǎo)電漆，就能起到良好的屏蔽作用。但實際機箱總有各種大小的孔、縫和開口，都可能造成騷擾的耦合。為此，可采用導(dǎo)電襯墊、金屬絲網(wǎng)、截止波導(dǎo)管、截止波導(dǎo)通風(fēng)板、導(dǎo)電玻璃視窗等，改善屏蔽效能。 3．4濾波技術(shù)可以用來抑制家用電器中傳導(dǎo)騷擾的傳輸，而使需要的頻率分量順利通過。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，與信號源通過濾波器后加在負載上的電壓的比值。能無衰減地通過濾波器的頻率范圍稱為通帶，而受到很大衰減的頻率范圍稱為阻帶。抑制傳導(dǎo)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(nèi)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(yán)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。常用于電源線濾波器和信號線濾波器。 吸收式濾波器是由有耗器件構(gòu)成的，在阻帶內(nèi)，有耗器件將傳導(dǎo)騷擾的能量吸收后轉(zhuǎn)化為熱損耗，而起濾波作用。鐵氧體材料就是一種廣泛應(yīng)用的有耗器件，可用來構(gòu)成低通濾波器。當(dāng)導(dǎo)線中的低頻電流穿過鐵氧體時幾乎沒有損耗，但高頻電流卻會受到很大損耗。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有衰減。根據(jù)不同的使用場合，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上的磁珠，可以套在元、器件引腳或?qū)Ь€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，近場電場屏蔽的必要條件是采用高導(dǎo)電率金屬屏蔽體并接地；接地良好的屏蔽體還可以實現(xiàn)遠場電磁屏蔽。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，才能將外來騷擾短路至地，避免了因與芯線之間存在耦合，而將騷擾耦合至芯線；同理，芯線的騷擾耦合至屏蔽層后，也被短路至地，避免了芯線的騷擾通過屏蔽層向外輻射?？梢娖帘闻c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輸入口。因為屏蔽體內(nèi)部的電磁騷擾可以耦合到進、出屏蔽體的導(dǎo)線和電纜上，傳導(dǎo)到屏蔽體外，造成輻射騷擾。同樣，外來的電磁騷擾也會通過電磁耦合，由這些導(dǎo)線和電纜傳導(dǎo)進入屏蔽體。為了阻止騷擾電流的流進或流出，一種簡單可行的辦法，就是在輸入輸出接口和電源線輸入口分別安裝濾波器連接器和饋通濾波器。此外，前面提到的在開口處安裝的截止波導(dǎo)管、截止波導(dǎo)通風(fēng)板、導(dǎo)電玻璃視窗等，實質(zhì)上都是高通濾波器?？梢娖帘闻c濾波也是不可分的。 除了特別說明允許不接地的濾波器在使用時可以不接地以外，各類濾波器都必須接地。因為濾波器中的共模旁路電容只有在接地時才能起濾波作用。特別是濾波器，接地不良時，相當(dāng)于電容和電感并聯(lián)，完全失去了濾波的作用。此外，安裝濾波器時，還應(yīng)借助于屏蔽，把輸入端和輸出端隔離開來，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，需要將信號地線與機殼地線先絕緣再集中，因此，信號地線穿過機殼時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時，為了避免因地線過長而耦合電磁騷擾，還必須在地線外加裝屏蔽套筒，可見，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機的家用電器，可以采用圖1所示的濾波器，圖(a)中的三個電容器均采用陶瓷電容器，要求電容器的引腳短，并緊貼著電動機安裝，C2、C3的公共端與電動機殼體可靠連接，接地阻抗要小；圖(b)中C2、C3采用穿心電容；需要進一步濾波時，可以在電源線上加扼流圈，如圖(c)所示。 圖1帶有換向器的電動機的濾波設(shè)計 （a） (b) (c) 對于因頻繁開關(guān)動作而產(chǎn)生騷擾的家用電器，可在開關(guān)或繼電器觸點上并聯(lián)濾波器，如圖2所示。 圖2開關(guān)或繼電器觸點的濾波設(shè)計 (a)小功率低壓觸點 （b）大電流觸點 （c）高壓觸點 對于采用了啟動時可能引起沖擊電流而斷開時會產(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輸入端并聯(lián)放電通路，這樣，在斷開電源時，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。這對啟動時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。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，為了避免放電時產(chǎn)生的騷擾進入電網(wǎng)，可在其電源線上安裝濾波器，如圖3所示。 圖3氣體放電濾波器 對于帶有微處理器的家用電器，則應(yīng)安裝高質(zhì)量電源線濾波器和輸入輸出端口濾波器，并良好接地。必要時還需進行屏蔽。 對于可能發(fā)生電磁能量泄漏的家用電器，則主要應(yīng)采用屏蔽措施，并對孔、縫、開口進行密封式屏蔽。 5．結(jié)束語 家用電器的電磁兼容性設(shè)計，表面上看好像很復(fù)雜，不知從何處下手。但如果能抓住以上幾個問題，任何復(fù)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(shè)計，要有超前意識，要舍得投入。只要盡早進行電磁兼容性設(shè)計，成本不會增加太多。面對電磁環(huán)境日益惡化、電磁兼容設(shè)計與認證對國內(nèi)、國際貿(mào)易的影響，我們應(yīng)該有緊迫感和強烈的責(zé)任感。