原创 彩电的EMC抗扰度设计

摘 要：介绍了彩电抗扰度的相关概念、测量方法、原理和设计措施。
关键词：电磁敏感度 抗扰度 滤波器 屏蔽效果

----一、基本概念

----1)EMS(电磁敏感度)：是英文ELECTROMGNETIC SUSCEPTIBLITY的缩写，是指设备或系统在电磁骚扰存在的情况下，能保持正常工作的能力。对电视机来说，就是当受到外界电磁骚扰时，保持图象没有明显干扰，伴音信噪比不低于40dB的这样的一种能力。

----2)差模信号：两条并排线路中，大小相等方向相反的一对信号电流，叫差模信号。一般是构成回路的信号电流。如：电源回路，信号回路等。差模电流构成的环路，能向外辐射电磁波，其辐射大小，与环路面积、电流频率的平方、电流大小成正比。

　




  图1中矩形天线向外辐射的电磁波场强

  E=(IL60π/rλ)sin(2πS/λ)

  通常2πS＜λ，上式可写成

  E=(120π2IA/rλ2) (v/m)

式中：

E——电场强度

I——电流

A——环路面积=SL

r——辐射距离

λ——波长=c/f

----因此，一般为减小辐射骚扰，尽量采用低速电路，少用上升沿时间很短的数字电路；构成回路的一对信号线应尽量使用排线或使用双绞线，在PCB布线时，差模信号的两根线最好并排排列，或尽量减小环路面积。当环路中有电流时，能向外发射电磁波，这时相当于一个发射天线。同样它也能当作接收天线，接收来自外界的干扰信号，其产生的感应电动势与环路面积、电磁波频率、电磁波场强成正比(磁场产生的最大感应电动势U=2πfBA，电场产生的最大感应电动势U＝2πAE/λ)。因此从减小受干扰的影响来说，也应尽量减小环路面积。

----3)共模信号：两条或两条以上并排线路中，大小相等或近似相等，方向相同的信号电流，叫共模信号。需提醒注意的是，共模电流是由共模源(电压源或电流源)提供的。共模电流本身不会对线路产生影响，它是通过一定的方式转化为差模信号对线路干扰的。它影响电路有两种方式，一是通过共模源的空间感应或辐射，由电场耦合(近场)或磁场耦合(近场)或电磁场耦合(远场)途径耦合到信号环路中的敏感部分形成差模信号而造成干扰；二是共模源处在两个以上的信号回路中(共阻抗)，当其中一个信号回路电流发生变化时，引起共电压变化，共电压的变化也加在其它回路上形成差模干扰信号，造成了干扰。如图2(共地)，图3(共电源)的共阻抗干扰。当回路I电流发生变化时，必然引起共电压UAB的变化，该变化加到负载Z2上，形成差模干扰信号，对回路II造成干扰。反过来，当回路II电流变化时，也会影响到UAB，对回路I造成干扰。




----因此为提高抗扰度，应尽量避免共模源的产生，或减小共模源的影响。数字电路中，尽量采用噪声容限值大的IC电路(例如CMOS电路)。对电视机来说，在设计时，信号输入回路要尽量使用平衡电路(对称电路)，使共电压的影响最小；尽量避免混地(或电源)，如数字地(电源)模拟地(电源)、大信号地(电源)小信号地(电源)、高频地(电源)低频地(电源)应各自分开，独自构成回路，参考地最后才汇集到一起，如图4。即使不同电路之间有数据交换，构成新的环路，也要尽量使环路面积最小。另外一种有效的手段是在输入输出回路并上容量几十至几百皮法的去耦电容，这实际上也是减小了环路面积，因为为干扰信号提供了阻抗最小的回路。当然，由于电视机现在用的主集成电路都是把多种电路(小信号模拟、数字电路)做在一片IC上，厂家已经预留了不同的接地端，PCB设计时要注意不要混地。但彩电厂家绝大多数用的是单面板，PCB排版时很难做到如此顺利，因此要打一些折扣。




----二、彩电抗扰度的测量方法、原理及设计

----一般性的电磁兼容性设计方法如滤波、屏蔽、接地等都是有用的，本文将重点针对GB9383-1995的几项测量参数来谈谈如何进行抗扰度设计，以及怎样运用上述原理方法。首先简略介绍GB9383-1995的内容。

----GB9383-1995是早期颁布的一项标准，现在已经修订为GB/T9383-1999。但主要执行的内容仍以GB9383-1995的内容为主，再增加一项内部抗扰度的要求(即GB/T13839)。具体对电视机来说，要执行4项：

a电源端及音频输入输出端子电压抗扰度

b天线端电流抗扰度

c屏蔽效果

d内部抗扰度

  其中前3项是GB9383-1995的内容，第4项是GB/T13839的内容。下面分别来探讨。

(1)电源端及音频输入输出端子电压抗扰度

(a)测量方法及原理

  图5中所示是电源端的电压抗扰度测试图，音频输入输出端子的测量原理是一样的，只是所用的耦合网络稍有不同。




----测量是在屏蔽室中，M是一个耦合网络，其作用一是阻止电网的干扰信号进入到彩电中，二是阻止测试中的干扰信号注入到电网中，三是把所需的干扰信号通过平衡方式以共模信号的形式加入到电网的两个电极L桸上，这样就形成了彩电电源电压抗扰度的测试布置。需要提醒的是，原先用的是电源阻塞滤波器(MSF)，现在都用M型耦合滤波器，其结构上近似，测量结果是一致的。

----测量方法是：先调整电视机正常工作，然后在0.15KHz～150MHz的范围内，选定一个干扰频率f，改变其信号幅度，直到彩电画面刚看不到干扰，或伴音信噪比刚为40dB，两种情况取最坏的那一种，记录该频点下的干扰信号强度。通常记录那些影响最大的点。现在最先进的设备是自动扫频测试，可以大大缩短测试时间，提高测试精度，可重复性较好。当然要防止外界环境的影响，以及屏蔽室谐振的影响。

----测量方法很简单，但造成的干扰的机理却很复杂，下面来谈谈它的干扰原理。

----干扰信号通过M型耦合网络以共模信号的形式注入到彩电电源中，然后通过各种耦合途径(电场、磁场、电磁场)耦合到信号线路中，最后通过彩电与大地的分布电容回到干扰信号发生器(发生器信号地是接大地的)。

----当干扰信号通过某种途径耦合到有用信号上时，由于线路中地阻抗的存在，会产生干扰。见图6，图中干扰源的信号以共模形式从信号回路两端C点、A点注入，显然干扰源产生的电压UA＝UC，如果Zg=0，UAB=0，则UBC＝0，干扰信号对负载不会有任何影响。但是，引线总是有电感的，Zg不为0，UAB≠0，则UBC≠0，负载ZL上有干扰信号存在，当Zg值较大，或干扰信号足够强时，干扰就可以在电视机上观察到了。干扰信号对负载有两种干扰方式：一是当干扰信号频谱落在信号通带内时，被当作有用信号处理，直接产生干扰。另一种是干扰信号与有用信号及其谐波(或其他机内产生的谐波干扰信号)差拍，差拍后的信号频谱落在信号通带内，造成电视干扰。




----这就是彩电共模干扰的一般原理。GB9383?995给出的测量方法也是有实际意义的，如：当我们用电吹风时，会发现附近的电视机会被干扰，原因就是电吹风与电视机共同使用一个电源，电吹风的电动机工作时产生的电磁干扰通过电源线注入到电视机当中了。这就要求电吹风设计时要考虑电磁发射的抑制，减小电磁发射。二就是要求电视机有一定的抗干扰能力 抗扰度要好。下面就介绍几种抑制干扰的手段。

----b)滤波器的设计

----干扰信号在电源线中传播时，以两种方式对信号回路干扰，一是沿导线传导，通过近场耦合干扰信号回路；另一种是通过电源线向空中发射电磁波，通过信号回路的“天线”(信号环路或大于1/4干扰信号波长的导线）来接收而产生干扰，因此，最好的方法就是在电源线进线端就开始对干扰信号抑制，从源头加以防范。而滤波则是最有效的一种手段。因此滤波器的设计至关重要。

----下面就来看看一种典型的电源滤波器设计。




----图中L1、L2是两个电感量约为10μH的电感(在铁氧体磁芯上绕制几圈而成)，主要用于抑制30MHz～150MHz的干扰。Cx是抑制差模干扰的。T1、T2是两种不同规格的共模滤波器，T1电感量约为30mH，用于抑制5MHz以下的干扰：T2约为300μH，主要抑制5MHz～30MHz之间的干扰。电容Cy主要抑制10MHz～50MHz之间的共模干扰，随着干扰频率的提高，引线及接地线阻抗已经很大，逐渐会失去滤波作用。另外需注意的是，Cy的取值在1000P以下为好，因为Cy越大，漏电就越大，不符合安全的要求。R是1MΩ的放电电阻，用于静电的泄放。所有元件都要符合安规GB8898-1997的要求。

----以上分析的是典型滤波器的构成，实际当中会依产品种类的不同而稍有差异。对I类产品来说，由于电源线带接地端，Cy的作用将很大，干扰可以从很短的路径被引向大地而滤掉。对电视机这样的II类产品来说，采用的是双重绝缘(又叫加强绝缘)，电源线是两芯的，没有接地端，PCB主板不接大地，是“浮地”，随着频率的增大，接地阻抗将增大，Cy对抗扰度基本起不到应有的作用了，但对EMI的抑制是有作用的(150kHz～30MHz)。

----还有要注意的就是在PCB排版布线时，电源滤波器的元件最好成“一字型”直线排列，尽量避免“Z字型”排列，这主要是防止电源前端的干扰信号通过空间电磁场耦合到后级信号回路中，使滤波器失去作用。另外还应注意使元件紧凑排列，这一点已在前期文章中说明，在此不再阐述。

----滤波器作用是双向的，如果仅仅考虑EMI(电视机对电网的干扰)，L1、L2是可以去除的，因为EMI只考虑150kHz～30MHz的干扰。这个频率范围只需由T1、T2来完成。