EMI （电磁干扰）基础
2012-11-28
1、概述
大多数国家的安全和EMC （电磁兼容）标准通常是合在一起的，如CE 认证（欧洲共同体认证）和CCC （中国强制认证）；但美国是分开的，UL 认证（美国保险商实验室）表示符合产品安全标准，而FCC 认证（美国联邦通信委员会）则表示符合电磁干扰标准。 EMC 要求机器既不能干扰其它设备，也不能受其它设备干扰，而EMI 包括传导和辐射，而传导又分为差模（DM ）噪声干扰和共模（CM ）噪声干扰。 2、EMI 辐射基础
光、射线波、红外线、微波等都是电磁波，它们的波长λ（m ）、频率f （Hz ）和在介质中的传播速率u （m/s ）的关系是λ=u/f 。
如果电子设备尺寸接近于λ/4，那么它就极易发射（或者接收）相应频率的电波，这正是收音机天线的原理，手机收音机必须插上耳线才能收到电台是因为耳线作为天线使用了。当天线远比最佳的λ/4短时会怎么样？天线短于λ/10仍相当有效，这就就是为什么在汽车上（固定长度的）鞭状天线可以很好的接收几
乎所有FM 频道，当天线远比λ/4长时可以把天线当成已经钳位于λ/4，剩下的长度基本上多余。
把机器插头插到交流电网插座上时，其输入电缆（交流电源线）与建筑的配电线结合形成天线，这就产生很强的辐射干扰，影响附件其他设备工作，除辐射途径外，发射还可以通过电网线路传导干扰，直接影响其他插座上的装置。
麦克斯韦电磁场理论指出，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。
开关变换器频率越高EMI 性能越差， 对MOS 管而言，这里所指“频率”并非一定是PWM 开关频率（开关频率约为100kHz-500kHz ，即周期为几ms ），而是指非常短的转换时间，即10ns-100ns （MOS 管的驱动电阻不能随便选）。在特定情况下转换时间是固定的，频率越高重复次数越多EMI 越严重。电容噪声
尽管电磁波电场与磁场的幅值随着与发射源之间距离的增大而衰减，但在足够远的距离
之外的任意点，电场和磁场的幅值比为恒定值。比例常数取决于传播材料，E/H= μ是磁导率，ε是介电常数。
空气源热泵热水系统离发射源很近的场不遵守上述规律（近场处是电磁场，远场处才是电磁波），近场定义为离源距离小
锅炉减温减压装置
于2λπ的区域，在标准的辐射EMI 测试中，天线放置的位置是在规定测试频率范围内的远场，FCC 规定的测试距离是3m ，3m 距离只有在16MHz 或更低频率时才被认为是“近场”，而GISPR 的要求是10m ，10m 距离只有在4.8MHz 或更低频率时才被认为是“近场”，这都远低于典型辐射EMI 测试的频率范围30MHz-1GHz 。这两种标准因为测试的都是远场，辐射水平与距离的倒数成反比，所以两者测试读数可以相互转换，GISPR 的辐射频谱只要增加10.5dB 就可以得到等效的FCC 频谱。
辐射干扰是磁干扰，和PCB 布线有很大关系，因为PCB 上的电流环走线会产生磁场。关键走线要短要粗。单个电感是EMI 大炮。 3、差模（DM ）噪声的形成
假设输入大容量电容为理想电容，即没有等效串联电阻（ESR ）(并忽略其他所有电容
寄生参数)时的情况，此时电源内所有可能的差分噪声源会全部被该电容旁路，显然，这根本不会发生，因为大容量电容ESR的值非零。因此从DM噪声产生源看进去的阻抗Zdm主要是输入电容的ESR。输入电容除了流过供电线上的工作电流以外，也流过开关器件所要求的高频脉冲电流。电流流过ESR电压会想要下降，因此输入电容两端会有高频电压纹波。
实际输入大容量电容含有等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL），高频时主要是感性，所以电容不再起作用。容量小的电容比容量大的电容更能保持容量，即谐振频率更高。
安规限制了Y电容的大小，X电容多年来也被限制在最大值为0.22uF（偶尔见到0.47uF），不过这仅是可行性和元件技术的限制，因此大的输入电容会造成电源启动时有难于预测的浪涌大电流。除了考虑EMI外，可在X电容前放置浪涌保护元件，如NTC（负温度系数）热敏电阻或绕线电阻。
与辐射不同，这里引起传导干扰的是MOS管的开关频率，而不是MOS管的上升时间或下降时间。
4、共模（CM）噪声的形成
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中长波加热器CM噪声从定义而言必须有到地的通道，很多电源通过绝缘片锁在外壳上散热，这样两金属中间有电介质（散热片）时一定会形成电容，改变这些平面之间的电压会产生磁场，并产生流过寄生电容的电流，此处是指流入大地的噪声电流，也称为“共模噪声”，噪声电流
大小为：
d
dt
V
I C
，电压的变化率关系MOS管的开通时间和关闭时间，过分的减小它将
产生热问题（电压的变化率和MOS管的栅极电阻选取有关）。
共模干扰形成如下：
既然允许有Icm流过，那么该如何限制它的影响，首先要防止Icm产生强电磁场，因此我们的主要目标是使CM电流通道的环路面积最小化，以防止其成为高效磁场天线，还要使这一电流从母线上转移开（通过提高其他回到其产生源的通道），即减小传导辐射。此时，整流后直流母线和地之间的额外两个Y电容起着很重要的作用。额外的Y电容到大地几乎不流过交流电网漏电流，所以没有先前提到的漏地电流引起的安全问题，其容量可以很大，但是，为防止高压击穿起火，仍然不能忽略其额定电压值，所以这个位置需要两个串联的Y2电容（或一个Y1电容），且它们的位置必须很靠近MOS管。
如果切断大地线，CM噪声电流就会强制为零，由公式I=C*dV/dt可知，dV/dt也会变为零，然而，寄生电容一端的dV/dt是固定的（另一端是机壳），由MOS管开关产出，因此电容上的dV/dt变成零的唯一方法就是使电容两极板的dV/dt相同，外壳上的dV/dt最终会正好等于MOS管漏极上的dV/dt并开始辐射（切断大地线减少了传导噪声，却增加了辐射噪声）。因此，所要做的是提供良好的CM电流通道，这样就要求PCB到外壳，再到地线的连接都良好，所有的这些PCB线路都要粗，且电感量要小（环路的铜箔不一定要很宽，但必须很短，长度才是决定性因数）。
5、传导EMI的限制
上图中，L线和N线的对地阻抗Zcm相等时，L线和N线引入相等的噪声电流Icm/2，如果阻抗不对称就会产生“不对称共模”电流分量，“不对称共模”等效共模和差模之和。
传导EMI发射限制通常只高达30MHz，为什么限制没有设定更高的频率呢？因为电网上30MHz的传导噪声会自动迅速衰减，所以不会传播得很远并造成干扰，然而，由于电缆仍然有（局部）辐射干扰，所以典型EMI辐射限制范围为30MHz-1GHz。为什么没有限制更低？因为比150K低的噪声不看做干扰。
就本质而言，共模电流通常差模电流频率高得多，它能产生更严重的辐射，因为其路径包括机架，所以外壳变成了高频天线。差模噪声源与电压源相似，共模噪声源与电流源相似，差模干扰可以通过前端线间输入电容去耦，对于塑胶机箱机器如果传导EMI不过，很有可能是差模干扰的原因。
在很多地方没有接大地并不认为是故障状态，通常无论设备接地与否，都希望有加强绝缘，如果有接地的话，接地仅是为了帮助减少EMI。
6、抑制EMI的原则和措施
抑制辐射的原则是：抑制电压突变，加全屏蔽
1、MOS管栅极电阻选取和DS极加电容；
2、RCD钳位电路中，适当增大C；甲基化引物设计
3、继电器线圈加续流二极管，触电两端加RC缓冲；
4、二极管并RC缓冲；
5、PCB板布线宽和大；
6、把变压器静默端设计在最外围；
7、金属外壳接地。
抑制传导原则：阻断和泄放
1、滤波器拦截；
2、信号地和功率地布线分开；
3、零火地之间加电容形成泄放回路，泄放回路要短；
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