吳秋杰

（市光法雷奧（佛山）汽車照明系統(tǒng)有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

電路設(shè)計(jì)中，技術(shù)上通常需要解決三大問題：電子元器件散熱問題、可靠性問題以及印刷電路板的布線空間問題。電磁兼容問題是電路可靠性問題的一個(gè)重要組成部分。電磁兼容又分為電磁干擾（EMI）和電磁耐受（EMS）。電磁耐受是考查電子電路在受到不同干擾情況下的可靠性情況。提高電子產(chǎn)品的電磁耐受能力，通常有兩種途徑：一是減少電子產(chǎn)品接收到的電磁干擾；二是提高產(chǎn)品控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下面將從這兩個(gè)方面展開討論。

1 電磁干擾的產(chǎn)生

首先介紹邁克爾-法拉第電磁感應(yīng)定律[1]。當(dāng)變化的閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，閉合電路中就有電流產(chǎn)生，有：

其中ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，ΦB為磁通量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，S為垂直通過磁通量的面積，Δi為感應(yīng)電流元。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，有些感應(yīng)電流是有用的，如變壓器初、次級(jí)能量的轉(zhuǎn)遞，沒有這個(gè)感應(yīng)電流就不可能實(shí)現(xiàn)變壓器初、次級(jí)能量的傳遞[3]；而有些感應(yīng)電流則是有害的，如電子產(chǎn)品接收到的電磁干擾絕大多數(shù)是有害的，會(huì)對(duì)電路的穩(wěn)定性和可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)工作異常。由圖1可知，當(dāng)有變化磁場(chǎng)通過電路板上大大小小的閉合環(huán)路面積元時(shí)，這些大小不等的閉合環(huán)路將產(chǎn)生大小不等的感應(yīng)電流元Δi，感應(yīng)電流Δi就是電磁干擾。當(dāng)干擾的磁場(chǎng)一定的情況下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電路中閉合的回路面積成正比關(guān)系。閉合回路的面積越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大；反之，則越小。對(duì)于確定的回路，感應(yīng)電流i越大，電路所受到的電磁干擾越大。因此，實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量減少線路環(huán)路的面積，盡可能減少產(chǎn)品環(huán)路上的感應(yīng)電流，從而將電路受到的電磁干擾減到最少。

圖1 電磁干擾產(chǎn)生過程

2 環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)

要考察某產(chǎn)品能否經(jīng)得住各種電磁干擾的考驗(yàn)，最主要是考查該產(chǎn)品電路中的環(huán)路是否可靠。也就是說，要考查電路中的控制環(huán)路的穩(wěn)定性。電路的環(huán)路穩(wěn)定性又將很大程度地決定電路的電磁抗干擾能力。因此，在驗(yàn)證電路的電磁抗干擾能力時(shí)，一定要看控制環(huán)路是否穩(wěn)定。根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，在復(fù)平面中[5]，若電路注入的干擾為r(t)，那么應(yīng)有：

如圖2所示，當(dāng)σ＞0時(shí)，因?yàn)榱恐祌(t)會(huì)無限增長(zhǎng)，所以環(huán)路將出現(xiàn)不穩(wěn)定。

如圖3所示，當(dāng)σ=0時(shí)，因?yàn)榱恐祌(t)雖不會(huì)無限增長(zhǎng)，但也不會(huì)收斂到0，環(huán)路臨界穩(wěn)定。

如圖4所示，當(dāng)σ＜0時(shí)，因?yàn)榱恐祌(t)隨著t趨向無窮大減小為0，環(huán)路響應(yīng)減小到0，因而環(huán)路是穩(wěn)定的。

圖2 不穩(wěn)定的系統(tǒng)圖示

圖3 臨界穩(wěn)定系統(tǒng)圖示

圖4 穩(wěn)定系統(tǒng)圖示

因此，要看一個(gè)環(huán)路是否穩(wěn)定，關(guān)鍵是看極點(diǎn)是落在復(fù)坐標(biāo)的左邊還是右邊。如果極點(diǎn)位于復(fù)平面的左邊，環(huán)路是穩(wěn)定的；如果極點(diǎn)心位于右半平面環(huán)路，則是不穩(wěn)定的。

工程上，通常用相位和增益來量化和判斷環(huán)路的穩(wěn)定性[6]。同時(shí)定義：

（2）當(dāng)增益Gv=0時(shí)，環(huán)路的相移余量Δφ要大于45°。

同時(shí)滿足上面條件時(shí)，則認(rèn)為產(chǎn)品的控制環(huán)路是穩(wěn)定和可靠的。以上就是工程上判斷產(chǎn)品工作穩(wěn)定性的方法之一。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

圖5為某高位剎車燈三極管恒流電路[4]。由于布局限制，控制三極管Q1、Q2和Q3不能同時(shí)先靠得很近，導(dǎo)致其環(huán)路面積很大，容易受到電磁干擾而造成整個(gè)環(huán)路的不穩(wěn)定。

用示波器監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，輸出電流出現(xiàn)掉落情況，說明電路板受到電磁干擾，環(huán)路不穩(wěn)定，測(cè)試不能通過。為了減少環(huán)路面積，增加一個(gè)控制三極管Q4，使三極管Q2和Q3分開控制。如圖6所示，可通過使Q1和Q2分別與Q3與Q4靠近，從而減少環(huán)路1和環(huán)路2的控制面積，從源頭上減少耦合到電路板上的電磁干擾，增強(qiáng)環(huán)路的可靠性。

圖5 高位剎車燈電路及布線情況

圖6 調(diào)整后的電路

上面是環(huán)路大小允許改變的情況下提高電磁抗干擾能力的方法。在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，由于客觀因素的制約，控制環(huán)路大小多是不能隨意改動(dòng)的。如圖7所示，某遠(yuǎn)光燈的BUCK方案。做RI測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品在2.7～3G頻段出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，用光電探頭監(jiān)測(cè)可見該頻段有明顯的震蕩現(xiàn)象。由于干擾源是空間干擾，電磁干擾從任何環(huán)路進(jìn)入產(chǎn)品都是有可能的。依據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，如果系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么在施加干擾的情況下隨著時(shí)間的推移環(huán)路的響應(yīng)必將減少為零。因此，在反饋回路上的芯片U1的CS腳及Q1同時(shí)直接施加一定的頻率干擾時(shí)。通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，輸出電壓及反饋同時(shí)出現(xiàn)掉落現(xiàn)象，說明可能有高頻干擾通過環(huán)路進(jìn)入控制芯片造成芯片的工作不穩(wěn)定。由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，環(huán)路大小不能改變，只能通過其他方法去掉干擾。于是，嘗試在靠近芯片U1的CS腳處增加了一個(gè)大小為10 nF的高頻濾波電容，使電磁干擾在進(jìn)入芯片前被清除。

圖7 產(chǎn)品的電磁干擾走向分析

在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改動(dòng)后，產(chǎn)品震蕩不再出現(xiàn)，順利通過了測(cè)試，證實(shí)了電磁干擾在進(jìn)入環(huán)路后其傳播路徑的正確性。

4 結(jié) 論

提高電子產(chǎn)品EMS的方法還有很多，如在敏感電路模塊加金屬屏蔽罩的方法[2]，也是一種非常有效解決EMS的方法之一。但是，通過“減少控制環(huán)路面積”和“增強(qiáng)控制環(huán)路的穩(wěn)定性”的方法是性價(jià)比最高的、較為廉價(jià)的兩種方法，為工程師在今后進(jìn)行電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了明確的方向和方法指導(dǎo)，從而可將電磁干擾問題解決在設(shè)計(jì)早期，從源頭上減少EMS的問題發(fā)生率，提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本投入，提高其經(jīng)濟(jì)效益。