电子设备电磁干扰(EMI)的发生与对策

电子设备的AC输入线上一般都会有滤波器的存在，也就是说配备了开关电源的电子设备的电磁干扰源主要是开关电源部位。电磁干扰的发生源是多种多样的，例如自然界的雷电、地磁场，科技界的马达、射频技术、数字/模拟信号等都会产生干扰信号。滤波器是防止干扰信号外传或防止干扰信号影响周边的电子设备不可或缺的元器件。本文将探讨电磁干扰产生的原因及解决方案。

01 干扰信号类型及其发生方式

电子设备的噪音是在电子设备中不必要的电性信号，但是这种信号是无法避免的电压、电流的干扰信号。如果干扰信号过大的话，会发生如下的现象:
1、收音机、多媒体设备中听到原本声音以外的噪音。
2、在电视画面上出现原本画面以外的杂乱画面。
3、数字设备错误启动，或者不能正常运行。
4、通讯设备上，正常的信号没有办法传输。
5、其他影响电子设备正常运作的现象。

为此，国家或者地区在电子设备相关领域做出了相应的要求与规定，要求电子设备对外产生的干扰信号不能超过某一个限制值。对于电子设备制造商来说，不得不将电子设备产生的干扰信号控制到这个限制值之内。

近年来，电子设备基本上都采用了数字技术、开关技术。只要电子产品采用以上的技术，就必然会产生电磁干扰信号。而使用滤波器能将电磁干扰限制到限制值以内。每个国家或者地区对于干扰信号的限制值可能不一样，所以滤波器的特性也不一样，如下图：工业设备外挂使用的电源线滤波器，及电源内部安装使用的滤波器（共模电感、差模电感）。

图1(左): 工业外挂滤波器
图2(右): 开关电源内装滤波器（共模电感）

在开关电源中，开关晶体管和高频整流二极管、开关变压器会产生更大等级的干扰信号。开关电源中的工作波形是方波或者三角波（基本波形）。这些工作波形中会含有基本波形的整数倍的高频波形成分。这些高频波形向外传播的话，就成为了干扰信号。

而且晶体管的开关速度是极快的，如2A的电流，12V电压以300kHz左右ON/OFF的开关频率在运作，如下图所示，在开关的切换过渡状态下，电流的时间变化率di/dt是非常大的。由于电路中不仅电感线圈上存在电感，印刷电路板上也存在寄生电感，电流的变化则会导致产生干扰电压信号，对周围环境或电子元件产生干扰。而且这些干扰信号不止在印刷电路板上传导，也通过电磁波和导线向外传导。电磁干扰信号的频率也不是一定的，在一个开关周期内会有很多的di/dt成分的存在，所以产生的干扰电压信号的频率是很宽的。

图3：等价回路模型

图4：干扰电压信号模型

图5：干扰电压信号
图6：干扰电流信号
图7：二极管的关断短路电流模型

不仅限于开关电源，从电压/电流的路径大致区分电子设备是在哪里产生干扰信号，如下图所示，差模模式产生的干扰和共模模式产生的干扰，分别称为差模干扰信号和共模干扰信号。

图8：干扰信号模型示意图

交流电的导线之间，或者直流输出的正负极之间出现的干扰信号是差模信号。与此相对，共模干扰信号是指电路上某条线和接地线之间，即与大地之间产生的干扰信号成分。电源电路产生的干扰信号，几乎都是差模信号。但是，在差模信号传播到其他电路的过程中，在电磁或静电的影响下，导致与大地的阻抗平衡被破坏，被转换为共模信号，最终，很多的干扰信号就成了共模干扰信号。

另外，在自然界中产生并进入设备的外来干扰信号，基本上是共模信号。因为这些干扰信号的产生基本上都与大地相关。此外，在共模干扰信号进入电路中，在各种条件、设备的影响作用下共模信号也会转化成差模干扰信号，这也会对电路的运作产生直接且恶劣的影响。

在电子设备或者电源电路中，需要考虑采取对策来处理完全不一样的共模干扰信号及差模干扰信号。

02 电子设备电磁干扰对策

从干扰信号的传播方式来看，干扰信号可以大致分为传导型、辐射型；从干扰信号的模式来看，干扰信号可以分为共模干扰信号、差模干扰信号。

抑制干扰信号的解决方案有两种：一、抑制干扰信号的发生；二、阻碍（吸收消除）干扰信号的传播。

现在的电子设备基本上都是采用了开关电源技术，及数字技术。采用这些技术的设备都会产生干扰信号，且很难通过技术升级来抑制干扰信号产生。目前大多数的处理方式都是阻碍干扰信号的传播。

1、采用被动元器件来阻碍（吸收消除）干扰信号的传导，如共模电感，差模电感，X滤波电容，Y滤波电容组合起来阻碍干扰信号传导；
2、采用磁珠，磁屏蔽结构的功率电感来阻止辐射型的干扰信号向外传播。

针对传导型EMI的解决方案，科达嘉推出了一系列的信号线共模电感（SPRHS系列，CSTP系列，VSTCB系列等）、电源线的共模电感（TCB系列，SQH系列，TCMB系列），差模电感（SPRH系列，PRD系列等功率电感可用作差模电感），这些共模电感、差模电感能够帮助电子设备抵抗外界的电磁干扰信号，也能阻止电子设备向外传导自身产生电磁干扰信号。

干扰信号的滤除效果与电感的阻抗大小息息相关，请参考以下的特性表及频率特性图。

表1：科达嘉共模电感特性表

注：该表格仅展示了部分电感型号，更多信息请查阅科达嘉官网

图9：信号线共模电感的阻抗频率特性图

图10：电源线共模电感的阻抗频率特性图

针对辐射型干扰信号的解决方案，可以采用磁珠。在某一些高频电路如RF、振荡电路等都需要在电源输入部分加磁珠。科达嘉推出了一系列磁珠，如RHD系列，RHV系列，SMB系列，UUN系列等。

表2：磁珠特性表

注：该表格仅展示了部分电感型号，更多信息请查阅科达嘉官网

如前文所述，磁屏蔽结构的功率电感也可以阻止辐射型干扰信号的传播。针对辐射型EMI，科达嘉推出了一系列磁屏蔽结构的一体成型电感、大电流电感、数字功放电感、贴片电感等。这些功率电感可以运用开关电源中的功率线，磁屏蔽结构能够有效地阻碍电感产生的干扰信号向外辐射，也能有效地阻挡外界辐射干扰信号对该结构的电感的干扰。此类的磁屏蔽结构的电感也用于信号线、电源线的差模干扰信号解决方案。

表3：磁屏蔽结构电感特性表

注：该表格仅展示了部分电感型号，更多信息请查阅科达嘉官网

图11：VSHB0421-4R7MC的温升电流和饱和电流曲线、电感频率特性、阻抗频率特性

03 结论

随着电子产品的集成化、复杂化，电子产品的EMI/EMC环境也面临着巨大的挑战。为助力电子设备解决EMI/EMC问题，科达嘉开发了各种系列标准化的信号线共模电感、电源线共模电感、差模电感、磁珠及各类磁屏蔽结构的功率电感。工程师可以根据设计的电源电路的具体要求，选择合适的科达嘉标准化的共模电感、差模电感或功率电感。

审核编辑 黄宇