家用电器印制电路板辐射骚扰抑制问题的研究

张卫

摘  要：随着人们生活水平的不断提升，对家用电器的功能需求也变得更加复杂，而相关电子科技和高集成度的技术也被充分应用到了家用电器当中，从而全面提升了家用电器设备的稳定性、安全性和兼容性。但同时随着人们对家用电器要求的不断升高，也产生了相关问题，进而对家用电器系统的硬件带来了一定的挑战，内嵌式家用电器中高速电路的电磁兼容性设计，成为了系统设计当中的重要内容。文章主要针对电子家用电器印刷电路板辐射骚扰抑制问题进行研究，探讨了其电磁干扰和途径以及空间辐射EMI的原理以及具体的生成模式，并分析了PCB的EMI干扰，提出具体的抑制措施，希望能够为相关工作人员起到一些参考作用。

关键词：家用电器;印制电路板;辐射骚扰抑制问题

中图分类号：TN41 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）35-0051-02

Abstract： With the continuous improvement of people's living standards， the functional requirements of household appliances have become more complex， and relevant electronic technologies and highly integrated technologies have also been fully applied to household appliances， thus comprehensively improving the stability， safety and compatibility of household appliances. But at the same time， with the increasing requirements for household appliances， there are related problems， which bring some challenges to the hardware of household electrical appliances system. The electromagnetic compatibility design of high-speed circuits in embedded household appliances has become an important part of the system design. This paper mainly studies the suppression of radiated disturbance of printed circuit boards of electronic household appliances， discusses its electromagnetic interference and ways， as well as the principle and specific generation mode of space radiation EMI， analyzes the EMI interference of PCB， and puts forward specific suppression measures， so as to provide some reference for relevant staff.

Keywords： household appliances; printed circuit board; radiation disturbance suppression

引言

为了有效防止电子设备之间的相互干扰，国外一些国家和地区均已强制实施了产品电磁兼容性的进口标准，例如欧盟在1989年便强制执行了相关指令，规定电器和电子产品需要符合其标准才能够在欧盟市场进行销售，而违反者将会被责令收回，并进行着重处罚。而美国联邦通讯委员会也颁布了相关法规，针对该方面的管理，对通讯发射机、接收机、电视机等作出了相应的法规要求，如果想在美国出口相关设备则必须要获得某种形式的认可，否则将会触犯美国的法律。我国虽然相关主管部门并未形成完整的产品质量监管体系，但对于一些具有重大关系的电子产品也都强制执行了相关标准，以家用电器为例，我国也强制出台了相关执行标准，并将此类产品的电池兼容性问题进行了强调，使相关产品生产者和使用者能够对其产生正确的认识[1]。

1 研究背景与意义

我国对于电磁兼容理论和相关技术的研究和其他国家比起来相对比较晚，是一直到上世纪80年代才针对电子设备的EMS问题出台了相关强制性的法规和条款，而且宣布一些在国内进行生产和销售的电子设备必须要获得相关认证之后才能够被允许销售。而我国在加入WTO后，对各个行业的相关产品所具有的电磁兼容性也提出了更高的要求，同时也力求和国際进行接轨，更新了相关标准，目前所使用的电磁兼容标准系列与当时在等级和实验等方法上都有了更新。而目前家用电器的相关执行标准虽然也采用了CLSPR的标准，但其早期版本从发布到执行在内，并没有对家用电器形成规范化的管理制度，相关企业在产品设计时往往更加强调产品的功能和是否能够满足市场的需求，这也导致当产品无法通过标准测试时，需要进行重新设计，进而增加了成本费用。而如果在产品设计的一开始就结合电磁兼容理念对设备的电磁兼容性程度进行相应的分析和预测，从而找出干扰的部分采取有效的对策来实现电磁兼容，则可以有效解决这些问题。因此研究电磁兼容性的原理，对于避免产品受到干扰，提高产品的设计质量具有十分重要的意义[2]。

2 研究内容

电磁兼容型设计主要是为了提高电子设备本身所具有的抗干扰能力，以此来有效地减少设备本身的电磁辐射，确保产品工作时所具有的稳定性，提升设备的电磁兼容稳定性。本文当中主要针对电磁兼容中的辐射EMI的产生机理和抑制方法进行研究，主要从电磁干扰产生的三要素进行入手，分析了辐射干扰耦合途径。在相关干扰途径的传播下，对造成干扰的不同耦合方式也进行了相应的预测分析，并针对辐射干扰的具体产生原因，提出了相应的解决办法。同时也对PCB上的辐射干扰进行了相应的理论预测分析，了解了电磁兼容机理，并找出抑制电磁干扰的解决方法[3]。

3 电磁干扰及途径

电磁干扰在形成时需要具备三个因素，分别是电磁干扰源、敏感设备和耦合通道。首先，电磁干扰源是指产生电磁干扰的原件器件和相关设备等。而敏感设备则主要是指对电磁干扰产生响应的一些设备，耦合通道是指能够将能量从干扰源耦合到敏感设备上的一种通道，主要是指设备产生响应的通路或者相关的媒介。电磁干扰属于一种普遍的电磁现象，它会使设备装置的性能降低[4]。

4 空间辐射EMI的原理及生成模式

辐射耦合主要是指通过空间传播的方式来进入设备的电磁干扰，而根据相关电磁理论，我们可以知道任何加速的充电过程都会产生相应的辐射，所以在快速充放电的过程当中，也会无法避免地产生相应的辐射。而电磁辐射源所产生的交变电磁场根据其性质可以分为具体的两部分，第一部分是电子场能量在辐射源的周围空间进行周期性的流动，其不向外进行发射，因此被称之为感应场。而另一部分则主要是指电磁场能量脱离了相关的辐射体，其以电磁波的形式来向外进行发射，被称之为辐射场。通常情况下，电磁辐射场会根据感应场和辐射场的不同，而具体分为远区场和近区场。

5 PCB的EMC干扰及抑制措施

5.1 EMC干扰

EMC可以用一种数学概念来进行解释，而相关的方程和公式十分复杂，因此即使采用数学分析，过程也是非常复杂的。而在实际生活当中有很多情况都可以引起EMC，这主要是由于EMC，经常是无原件按照正常规则工作的意外所产生的结果我们能够发现PCB内引起EMS，主要是由于高频周期信号的存在导致瞬时电流产生，电流流过公共返回阻抗路径时，产生了RF电压降，接地回路或者接地参考不完善，进而导致差模电流不平衡，从而产生了共模电流。

5.2 抑制措施

干扰信号从干扰源传递到设备的途径具体包括两种，首先是靠电源线或者信号线来进行传导耦合，而另外一种则是靠电磁波的空间辐射。而电压电流的变化在传输的过程当中往往具有两种形态，分别是共模和差模。首先减小导线电流环路的面积，由于电路环流是电路正常工作时所必须要具备的，而为了限制差模辐射发射，所以在设计时我们需要控制环路的尺寸和面积，可以选择一些较小尺寸的芯片来进行封装，不使用安装座。其次，减小天线上的电流大小，如果接地合理，而且电源上有去耦和良好的布局，那么其差模辐射发射并非主要问题，其来源应该是背板和互联电缆，因此应该使用一些低功耗的芯片，利用缓冲器来有效地减少电流。此外还可以减小共模电压，通过使用接地网格或者接地平面减小接地系统上的电压，这些都是减少供模电压的有效途径[5]。

6 解决措施

6.1 设计电流环路

进行PCB布局过程中，应该考慮到电流环路作业方式，控制差膜辐射问题，调整环路面积，减小导线电路环路面积，并封装芯片，选择小型芯片后，还应该拉近地-电源平面与信号层间的距离，不用安装座装载芯片，并在信号线两侧安放桥接电容，这样能够尽量减少信号穿越地-电源平面的次数，在应用过程中，如果出现信号必须穿越地-电源平面的情况，还能利用低阻抗桥接电容安置于跨越线槽两端的方式，防止信号回流过程中增大环路面积。除此之外，应该明确PCB布局期间，连接器作为信号传输的重要器件，需要关键其设计工作，明确EMI环节设计要点，应该在连接器的端子设计中增设多个地针，防止信号回流通过电容槽，增大导线电流环路面积。

6.2 减小天线电流

PCB布局过程中，需要明确差模辐射，同时还应该确保各导线铺设位置合理，保证电源有去耦、接地合理的前提下，便可以将PCB差模辐射对线路造成的影响限制在可控范围内，消除差模辐射需要关注互联电缆与背板，两者相比较，背板产生的辐射成为影响差模辐射的主要源头，进行多组控制变量实验后，明确导线电流大小与差模辐射间的内在联系，需要尽量减小导线电流，采用低功耗芯片或是利用缓冲器，都能起到一定的限流功效。

6.3 电缆的去耦

分流共模电流使用去耦电容的方式具有可操作性，但是工作效果受到驱动电路共模源阻抗的影响，减小共模电流还可以采用串联电缆与电感或是电阻的办法。PCB布局布局期间，为了能够使电缆辐射的影响降到最低，还可以通过屏蔽电缆的方式，并选择没有受到电路噪声干扰的区域进行电缆的去耦工作。在布局过程中，应该将差模辐射造成的影响控制在合理范围内，但是由于差模辐射很难控制，为此必须明确差模辐射内在联系，采用控制变量法，在相等辐射场场强下，计算差模电流与共模电流比值，通过以下公式：

其中，环路面积A=0.01m2、电缆长度l=1m、频率f=50MHz时，从结果发现共模电流与差模电流相差巨大，至少比差模电流小三个等级。由于这种关系导致差模辐射在交高的频率范围内影响巨大，而共模辐射只能出现在低频区域中。

7 结束语

综上所述，本文针对电磁兼容性的基本原理进行了讨论，介绍了辐射型EMI的产生原理和具体模式，从多层面结合家用电器的电磁兼容检测标准，对PCB的EMI干扰产生原因进行了充分分析，并提出具体的抑制对策，对共模辐射和差模辐射也做出了相关的分类研究，希望能够为相关工作人员起到一些参考，有效的解决电子设备的干扰问题。

参考文献：

[1]朱奋强.印制电路板电气安全距离视觉检测算法的研究[D].上海交通大学，2016.

[2]邢云霞，刘景洋，郭杨，等.从废印制电路板元器件中分离电容器的方法[J].再生资源与循环经济，2016，5（02）：28-31.

[3]张晓杰，何为，崔浩，等.嵌入陶瓷电容器印制电路板的可靠性[J].印制电路信息，2016（08）：38-43.

[4]刘渝.高速数字印制电路板中的电磁辐射分析[D].西安电子科技大学，2016.

[5]沈中成.家用电器漏电保安插座[J].电子制作，2016（08）：15.