家用電器電磁兼容性設(shè)計(jì)（一）

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(shí)代的到來(lái)又會(huì)給家電產(chǎn)業(yè)帶來(lái)一個(gè)全新的、廣闊的市場(chǎng)。21世紀(jì)家電產(chǎn)品的概念還會(huì)擴(kuò)大和延伸，所以我們對(duì)未來(lái)我國(guó)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(gè)重要基礎(chǔ)之上，即家用電器的電磁兼容性設(shè)計(jì)。
   


 1、家用電器電磁騷擾對(duì)電磁環(huán)境的影響


    近年來(lái)，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(dòng)化、智能化、方便化、舒適化的趨勢(shì)發(fā)展。這樣，隨著家用電器品種越來(lái)越多，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大；同時(shí)，進(jìn)口產(chǎn)品也充斥市場(chǎng)。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(duì)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(shí)，也對(duì)人們的身體健康造成了直接影響。目前，保護(hù)電磁環(huán)境，防止電磁環(huán)境污染，已引起世界各國(guó)及有關(guān)國(guó)際組織的普遍關(guān)注。特別是歐共體理事會(huì)指令《各成員國(guó)就有關(guān)電磁兼容性的法律達(dá)成的共識(shí)》(89／336／EEC)于1996年1月1日進(jìn)入實(shí)質(zhì)性實(shí)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(chǎng)準(zhǔn)入或市場(chǎng)流通的必要條件。隨著我國(guó)電磁兼容認(rèn)證制度的建立和完善，我國(guó)電子產(chǎn)品，包括家用電器的電磁兼容性將會(huì)不斷提高，進(jìn)而逐漸減小電磁環(huán)境污染，保護(hù)廣大用戶的切身利益。
    按照家用電子對(duì)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(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(dòng)縫紉機(jī)、食品攪拌器、電動(dòng)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(kāi)關(guān)動(dòng)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(jī)等；
    (3)啟動(dòng)時(shí)可能引起低壓配電網(wǎng)各項(xiàng)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(yùn)行的家用電器，如空調(diào)器啟動(dòng)時(shí)所需的大電流會(huì)使電網(wǎng)電壓暫時(shí)下降，電動(dòng)機(jī)或電感性鎮(zhèn)壓流器等電感性負(fù)載啟動(dòng)時(shí)會(huì)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(huì)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(huì)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(shí)形成的等離子體，會(huì)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(dòng)洗衣機(jī)、影碟機(jī)、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(hào)會(huì)引起電磁騷擾，而且，隨著時(shí)鐘頻率的不斷提高，其騷擾頻譜可高達(dá)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(huì)引起電磁騷擾，而且還將對(duì)人體健康造成危害。
    家用電器產(chǎn)生的電磁騷擾如果超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，就會(huì)造成電磁環(huán)境污染。例如，騷擾收音機(jī)、電視機(jī)的收聽(tīng)、收看；使計(jì)算機(jī)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(duì)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(huì)對(duì)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)等造成不佳影響。
   


 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(huì)造成性能降級(jí)，而且，不會(huì)對(duì)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(shuō)，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，每臺(tái)家用電器除了本身要能抗住外來(lái)電磁騷擾，能正常運(yùn)行以外，還不能騷擾其它家用電器或電子設(shè)備的正常運(yùn)行，不能對(duì)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(wèn)題。總之，家用電器一方面應(yīng)滿足國(guó)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(yùn)行性能的能力；另一方面又具有不產(chǎn)生超過(guò)國(guó)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(shí)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(jì)


    家用電器電磁兼容性設(shè)計(jì)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(jì)接地、屏蔽、濾波等防護(hù)措施，在騷擾源處抑制電磁騷擾，切斷對(duì)電磁騷擾的耦合，增強(qiáng)敏感電路的抗擾性等。經(jīng)驗(yàn)證明，在家用電器功能設(shè)計(jì)的初始階段，同時(shí)進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，可以把電磁騷擾和抗擾度等電磁兼容性問(wèn)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(wèn)題才去解決，非但將在技術(shù)上帶來(lái)很大難度，而且會(huì)造成    人力、財(cái)力極大的浪費(fèi)。所以，盡早解決電磁兼容性問(wèn)題是十分必要的。那種不顧電磁兼容性，只按常規(guī)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，然后對(duì)樣品進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試，出了問(wèn)題再進(jìn)行補(bǔ)救的做法，是一種非常冒險(xiǎn)的做法，是完全不可取的。
    3．1家用電器電磁兼容性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是有源器件的選擇和印刷電路板設(shè)計(jì)。例如，數(shù)字電路是一種*常見(jiàn)的寬帶騷擾源，其上升／下降時(shí)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(shí)，應(yīng)選用較低的脈沖重復(fù)頻率和較慢的上升／下降時(shí)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?，還應(yīng)從諧波發(fā)射和亂真發(fā)射等技術(shù)指標(biāo)方面進(jìn)行篩選。
 另一方面，高速邏輯電路、高速時(shí)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(qiáng)度超過(guò)該電路的噪聲容限，就會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)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(shí)，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(fù)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(fù)載電流流過(guò)電源線和地線時(shí)，會(huì)引發(fā)電源電壓的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)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(shí)間為3ns，則騷擾帶寬可達(dá)100MHz。對(duì)于長(zhǎng)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(dòng)達(dá)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(dòng)可減小到100μv，對(duì)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(lái)提供一個(gè)電流源，以被補(bǔ)償數(shù)字電路工作時(shí)所產(chǎn)生的瞬態(tài)電流，將會(huì)取得更好的效果。
    為了控制差模輻射，還應(yīng)將信號(hào)線和回線緊靠在—起，減小信號(hào)路徑形成的環(huán)路面積。因?yàn)樾盘?hào)環(huán)路的作用就相當(dāng)于輻射或接收磁場(chǎng)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(lì)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(diǎn)；也可采用板上濾波器或?yàn)V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(jī)箱構(gòu)成完整的屏蔽體，也能達(dá)到抑制共模輻射的效果。此外，降低信號(hào)頻率和電平也是減小輻射的重要措施。為了進(jìn)一步減小印刷電路板導(dǎo)線的輻射，設(shè)計(jì)時(shí)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(jiǎn)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(chǎng)合；雙面板適用于只要求中等組裝密度的場(chǎng)合；對(duì)于高組裝密度或復(fù)雜電路，應(yīng)優(yōu)選多層板。這時(shí)，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(dú)安排并遠(yuǎn)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(jì)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*低并且有良好的抗擾性。
    3．2地線設(shè)計(jì)是*重要的設(shè)計(jì)，往往也是難度*大的一項(xiàng)設(shè)計(jì)。家用電器的**地，要提供對(duì)人身和家用電器的可靠**保證，需做獨(dú)立的設(shè)計(jì)。信號(hào)地線則是信號(hào)流回源的低阻抗路徑，類型有懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)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(diǎn)接地；多級(jí)電路接地點(diǎn)應(yīng)選在低電平電路的輸入端，可減小地電位對(duì)電路的騷擾；小信號(hào)高增益放大器的屏蔽罩也應(yīng)單點(diǎn)接地，接地點(diǎn)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(jī)、電器等，這時(shí)應(yīng)將地線分為信號(hào)地線、騷擾源地線、屏蔽罩地線、機(jī)殼地線等，分組敷設(shè)，*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(diǎn)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(gè)不同的接地點(diǎn)之間存在地電壓，電路多點(diǎn)接地、并且電路間有信號(hào)聯(lián)系時(shí)，將構(gòu)成地環(huán)路騷擾。地電壓將疊加在信號(hào)上一起加到負(fù)載端，造成差模干擾。如果兩電路間的信號(hào)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(duì)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(fù)載兩端造成差模干擾。為了克服地環(huán)路騷擾，應(yīng)將信號(hào)地線和機(jī)殼地線分組敷設(shè)，先互相絕緣，*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(lái)抑制家用電器中的輻射騷擾。輻射騷擾是以電磁場(chǎng)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(lái)，使屏蔽體內(nèi)外的“場(chǎng)”相互隔離。可以看到，屏蔽技術(shù)還可以用來(lái)保護(hù)家用電器中的敏感電路，免受外來(lái)的輻射騷擾。對(duì)于屏蔽作用的評(píng)價(jià)可以用屏蔽效能來(lái)表示，屏蔽效能即未加屏蔽前待測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與加上屏蔽后，待測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)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(duì)于高電壓、小電流的騷擾源，應(yīng)采用近場(chǎng)電場(chǎng)屏蔽，即采用高導(dǎo)電率金屬屏蔽體并接地；
    對(duì)于低電壓、大電流的騷擾源，應(yīng)采用近場(chǎng)磁場(chǎng)屏蔽，但不同頻率時(shí)應(yīng)采用不同的措施。直流或低頻時(shí)，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(huì)增加屏蔽效能，但很不經(jīng)濟(jì)，可以改用多層屏蔽。頻率較高時(shí)，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(shí)，如果屏蔽體接地良好，還可以同時(shí)屏蔽高頻電場(chǎng)。
    敏感電路距離騷擾源較遠(yuǎn)時(shí)，采用遠(yuǎn)場(chǎng)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(jī)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(jī)箱上噴涂一層導(dǎo)電漆，就能起到良好的屏蔽作用。但實(shí)際機(jī)箱總有各種大小的孔、縫和開(kāi)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。