電磁干擾與電磁兼容淺談

我們知道，在開關(guān)電源里面，開關(guān)電源變壓器是最大的磁感應(yīng)器件。反激式開關(guān)電源變壓器，就是通過把流過變壓器初級(jí)線圈的電流轉(zhuǎn)換成磁能，并把磁能存儲(chǔ)在變壓器鐵心之中，然后，等電源開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，流過變壓器初級(jí)線圈的電流為0的時(shí)候，開關(guān)電源變壓器才把存儲(chǔ)在變壓器鐵心之中磁能轉(zhuǎn)換成電能，通過變壓器次級(jí)線圈輸出。開關(guān)電源變壓器在電磁轉(zhuǎn)換過程中，工作效率不可能100%，因此，也會(huì)有一部分能量損失，其中的一部分能量損失就是因?yàn)楫a(chǎn)生漏磁，或漏磁通。這些漏磁通穿過其它電路的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小可由（13）、（14）或（16）式求得。



圖8是磁感應(yīng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的原理圖，圖8表示開關(guān)電源變壓器產(chǎn)生的漏磁通穿過其它電路時(shí)，在其它電路中也產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其中漏磁通M1、M2、M3產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1、e2、e3屬于是差模干擾信號(hào)；M5、M6、M7、M8產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e5、e6、e7、e8屬于是共模干擾信號(hào)。





圖8

圖9是開關(guān)電源變壓器產(chǎn)生的漏磁通的原理圖。開關(guān)電源變壓器的漏磁通大約在5%~20%之間，反激式開關(guān)電源變壓器為了防止磁飽和，在磁回路中一般都留有氣隙，因此漏磁通比較大，即：漏感比較大。因此，產(chǎn)生漏感干擾也特別嚴(yán)重，在實(shí)際應(yīng)用中，一定要用銅箔片在變壓器外圍進(jìn)行磁屏蔽。從原理上來(lái)說(shuō)，銅箔片不是導(dǎo)磁材料，對(duì)漏磁通是起不到直接屏蔽作用的，但銅箔片是良導(dǎo)體，交變漏磁通穿過銅箔片的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向正好與漏磁通的方向相反，是部分漏磁通被抵消，因此，銅箔片也可以起到磁屏蔽的作用。





圖9

檢測(cè)漏磁通干擾的簡(jiǎn)便方法是，用示波器探頭接成一個(gè)小短路環(huán)進(jìn)行測(cè)量，最簡(jiǎn)便的方法就是把探頭與地線端短路連在一起，相當(dāng)于一個(gè)磁感應(yīng)檢測(cè)線圈。把磁感應(yīng)檢測(cè)線圈靠近變壓器或干擾電路，很容易看到干擾信號(hào)的存在。



值得一提的是，開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈的漏感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)et，在所有干擾信號(hào)之中是最不容忽視的，如圖10所示。當(dāng)電源開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈的漏感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)et幾乎沒有回路可釋放，一方面，它只能通過初級(jí)線圈的分布電容進(jìn)行充電，并讓初級(jí)線圈的分布電容與漏感產(chǎn)生并聯(lián)諧振；另一方面，它只能通過輻射向外進(jìn)行釋放，其中通過對(duì)地電容C3與大地相連，也是反電動(dòng)勢(shì)et釋放能量的一個(gè)回路，因此，它對(duì)輸入端也會(huì)產(chǎn)生共模信號(hào)干擾。





輻射干擾

輻射干擾一般是通過電磁感應(yīng)的形式在空間進(jìn)行傳播的，圖11是測(cè)試電子設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾的基本方法，或表示電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過電磁感應(yīng)向空中輻射的原理。圖11中，電子設(shè)備表示干擾信號(hào)源，V1表示測(cè)量?jī)x表，C1表示電子設(shè)備對(duì)大地的電容，C2表示電子設(shè)備與天線偶合的電容，即：電子設(shè)備通過電場(chǎng)對(duì)天線產(chǎn)生感應(yīng)，這里的天線也可以看成是被干擾的設(shè)備。圖11的測(cè)試方法就是測(cè)試電子設(shè)備周圍規(guī)定距離某處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，由于干擾信號(hào)一般都是一個(gè)頻率成份非常豐富的非正弦波，因此，無(wú)法對(duì)它進(jìn)行直接測(cè)量，只能對(duì)它其中某一個(gè)頻率信號(hào)單獨(dú)進(jìn)行測(cè)量。





電子設(shè)備與天線感應(yīng)產(chǎn)生的電流是位移電流，一般頻率很高的位移電流在電路中每處的電流方向以及電流大小和電壓幅度都是不一樣的，我們無(wú)法對(duì)它直接進(jìn)行測(cè)量，因此，在進(jìn)行信號(hào)測(cè)量的時(shí)候一般都使用諧振天線，使天線諧振回路對(duì)某個(gè)頻率的干擾交流信號(hào)產(chǎn)生諧振，然后再檢測(cè)諧振信號(hào)的電壓幅度。在測(cè)試過程中，天線需要經(jīng)常進(jìn)行調(diào)諧，調(diào)諧就是調(diào)節(jié)天線振子的長(zhǎng)度，或磁感應(yīng)天線諧振回路中的電容，更多的是調(diào)諧選頻放大器輸入回路中的諧振電路參數(shù)。





圖12是極化天線的工作原理圖，圖12-a）和圖12-b）表示天線在電場(chǎng)中被感應(yīng)產(chǎn)生極化的兩種不同情形。所謂極化就是導(dǎo)體或物體在電場(chǎng)力的作用下產(chǎn)生帶電，這種帶電是極化帶電，即：導(dǎo)體或物體的一端帶正電，而另一端帶負(fù)電。一般地說(shuō)，導(dǎo)體或物體被極化帶電，只是兩端帶電，而中心點(diǎn)是不帶電的。由于，極化天線的電場(chǎng)是一個(gè)交變電場(chǎng)，所以，天線總是在圖12-a）和圖12-b）之間來(lái)回變化。12-a）和圖12-b）最左邊的圖形是表示電場(chǎng)方向和天線的電荷分布曲線，中間圖形表示載流子在極化天線中流動(dòng)，右邊圖形表示天線的等效電路。



天線來(lái)回極化的工作原理可以等效成一個(gè)串聯(lián)諧振電路，當(dāng)天線在電場(chǎng)力的作用下被極化帶電時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)電容在充電；當(dāng)天線中的載流子在電場(chǎng)力的作用下來(lái)回移動(dòng)時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)電感，并且在天線的周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。



當(dāng)天線諧振電路產(chǎn)生諧振時(shí)，在天線串聯(lián)諧振電路中會(huì)產(chǎn)生很大的諧振電流和很高的諧振電壓（假設(shè)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)非常高），但實(shí)際使用的測(cè)量天線品質(zhì)因數(shù)都不高，因?yàn)樘炀€還要輸出能量，即：需要從天線中取出測(cè)試信號(hào)。要想從天線中取出信號(hào)，可以通過高頻信號(hào)線（雙線）把兩根天線串聯(lián)起來(lái)，相當(dāng)于電纜線連接在兩根天線的中間，然后把高頻信號(hào)線（雙線）的另一端作為輸出；另一種方法是，高頻信號(hào)線（雙線）其中的一條接天線，另一條接大地，高頻信號(hào)線（雙線）的另一端作為輸出。前一種天線一般叫半波雙振子天線或全波雙振子天線，后一種叫半波或全波單振子天線。顯然，雙振子天線性能要比單振子天線好很多。



這種測(cè)量方法是不很精確的，但沒有其它更好的方法。因?yàn)?，任何諧振回路都是一個(gè)儲(chǔ)能電路，這種儲(chǔ)能電路是一點(diǎn)、一點(diǎn)地把電能量進(jìn)行積累并存儲(chǔ)起來(lái)的，在進(jìn)行能量積累的過程中自身也會(huì)損耗能量，最后達(dá)到接收能量與損耗能量完全平衡的時(shí)候，諧振回路的電壓幅度才停止增長(zhǎng)，即：諧振回路的電壓幅度與諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q值有關(guān)，但諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q值對(duì)于不同頻率信號(hào)是不一樣的，并且這種諧振回路無(wú)法檢測(cè)干擾脈沖的瞬時(shí)值。



圖13是諧振回路產(chǎn)生諧振的工作原理圖。圖13-a）是一個(gè)含有諧波分量非常豐富的電壓方波，圖13-b）是LC串聯(lián)回路產(chǎn)生諧振時(shí)的電壓波形。當(dāng)電壓方波作用于LC串聯(lián)回路時(shí)，方波的前后沿都會(huì)對(duì)LC串聯(lián)回路產(chǎn)生激勵(lì)（即接收能量），每次激勵(lì)過后又會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩（即損耗能量），當(dāng)輸入電壓波形的上升率dv/dt值大于諧振回路波形（正弦波）的上升率時(shí)，電路就會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)；當(dāng)輸入電壓波形的上升率dv/dt值小于諧振回路波形的上升率時(shí)，電路就會(huì)產(chǎn)生阻尼。



由于每次激勵(lì)過后振蕩回路的能量還沒有損耗完，緊接著又來(lái)一次新的激勵(lì)，使振蕩電壓一次、又一次地進(jìn)行疊加，如果激勵(lì)的相位與振蕩波形的相位能保持同步，則振蕩電壓的幅度會(huì)越來(lái)越高，直到激勵(lì)的能量與電路損耗的能量相等為止。因此，當(dāng)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q值很高時(shí)，諧振電壓也可以升得很高，理想的情況是Q值無(wú)限高（即天線沒有損耗），則產(chǎn)生諧振電壓的幅度也會(huì)升得無(wú)限高，但這種情況是不存在的。



從圖13還可以看出，LC串聯(lián)回路產(chǎn)生諧振時(shí)的電壓幅度與激勵(lì)波形的相位密切相關(guān)，而與激勵(lì)波形的幅度反而相關(guān)不是特別大。如果圖13-a）中的電壓方波之間的相位或周期不是嚴(yán)格保持相等，那么圖13-b）中的波形就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重抖動(dòng)，并且諧振電壓的幅度也會(huì)下降很多。因此，用圖11中的測(cè)量方法并不能完全客觀地測(cè)量出干擾信號(hào)在某空間處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。



另外還需指出，測(cè)試用的接收天線還分電場(chǎng)感應(yīng)電線和磁場(chǎng)感應(yīng)天線，還有電磁場(chǎng)感應(yīng)天線。圖11中僅以電場(chǎng)偶合天線為例進(jìn)行分析。



圖13中只是對(duì)干擾信號(hào)接收天線的原理進(jìn)行了分析，實(shí)際應(yīng)用中天線是不具體區(qū)分接收天線和發(fā)射天線的，兩者都可以同用一根天線。因此，電路中任何帶電的導(dǎo)體或有電流流過的導(dǎo)體都可以看成是發(fā)射天線。從圖11可以看出，電子設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾的大小除了干擾信號(hào)幅度之外，還與感應(yīng)電容C1、C2的大小有關(guān)，即：與電場(chǎng)輻射的面積有關(guān)（電容與面積大小成正比），與磁場(chǎng)輻射的面積也有關(guān)，因此，盡量減小干擾信號(hào)的輻射面積是一種降低輻射干擾的好辦法。



圖13 是諧振回路產(chǎn)生諧振的工作原理圖。圖13-a）是一個(gè)含有諧波分量非常豐富的電壓方波，圖13-b）是LC 串聯(lián)回路產(chǎn)生諧振時(shí)的電壓波形。當(dāng)電壓方波作用于LC 串聯(lián)回路時(shí)，方波的前后沿都會(huì)對(duì)LC 串聯(lián)回路產(chǎn)生激勵(lì)（即接收能量），每次激勵(lì)過后又會(huì)產(chǎn)生阻尼振蕩（即損耗能量），當(dāng)輸入電壓波形的上升率dv/dt 值大于諧振回路波形（正弦波）的上升率時(shí)，電路就會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)；當(dāng)輸入電壓波形的上升率dv/dt 值小于諧振回路波形的上升率時(shí)，電路就會(huì)產(chǎn)生阻尼。



由于每次激勵(lì)過后振蕩回路的能量還沒有損耗完，緊接著又來(lái)一次新的激勵(lì)，使振蕩電壓一次、又一次地進(jìn)行疊加，如果激勵(lì)的相位與振蕩波形的相位能保持同步，則振蕩電壓的幅度會(huì)越來(lái)越高，直到激勵(lì)的能量與電路損耗的能量相等為止。因此，當(dāng)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q值很高時(shí)，諧振電壓也可以升得很高，理想的情況是Q值無(wú)限高（即天線沒有損耗），則產(chǎn)生諧振電壓的幅度也會(huì)升得無(wú)限高，但這種情況是不存在的。





圖13



從圖13還可以看出，LC串聯(lián)回路產(chǎn)生諧振時(shí)的電壓幅度與激勵(lì)波形的相位密切相關(guān)，而與激勵(lì)波形的幅度反而相關(guān)不是特別大。如果圖13-a）中的電壓方波之間的相位或周期不是嚴(yán)格保持相等，那么圖13-b）中的波形就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重抖動(dòng)，并且諧振電壓的幅度也會(huì)下降很多。因此，用圖11 中的測(cè)量方法并不能完全客觀地測(cè)量出干擾信號(hào)在某空間處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。


另外還需指出，測(cè)試用的接收天線還分電場(chǎng)感應(yīng)電線和磁場(chǎng)感應(yīng)天線，還有電磁場(chǎng)感應(yīng)天線。圖11中僅以電場(chǎng)偶合天線為例進(jìn)行分析。圖13 中只是對(duì)干擾信號(hào)接收天線的原理進(jìn)行了分析，實(shí)際應(yīng)用中天線是不具體區(qū)分接收天線和發(fā)射天線的，兩者都可以同用一根天線。因此，電路中任何帶電的導(dǎo)體或有電流流過的導(dǎo)體都可以看成是發(fā)射天線。從圖11 可以看出，電子設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾的大小除了干擾信號(hào)幅度之外，還與感應(yīng)電容C1、C2的大小有關(guān)，即：與電場(chǎng)輻射的面積有關(guān)（電容與面積大小成正比），與磁場(chǎng)輻射的面積也有關(guān)，因此，盡量減小干擾信號(hào)的輻射面積是一種降低輻射干擾的好辦法。