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家用电器电磁兼容性设计(EMC Design of Home Appliance)
                    中国科学院电子学研究所 白同云（教授）
    当前，电子信息技术日新月异，数字化浪潮波涛汹涌，而网络时代的到来又会给家电产业带来一个全新的、广阔的市场。21世纪家电产品的概念还会扩大和延伸，所以我们对未来我国家电制造业的发展充满信心。然而，这一切都建立在一个重要基础之上，即家用电器的电磁兼容性设计。
1、    家用电器电磁骚扰对电磁环境的影响
   近年来，随着科学技术的发展，家用电器正迅速向节能化、自动化、智能化、方便化、舒适化的趋势发展。这样，随着家用电器品种越来越多，生产规模不断扩大；同时，进口产品也充斥市场。另一方面，随着微电子控制技术的发展，电子家电产品大量涌现。由此而产生的电磁骚扰在对其它家用电器或电子设备的正常使用和可靠性产生影响和危害的同时，也对人们的身体健康造成了直接影响。目前，保护电磁环境，防止电磁环境污染，已引起世界各国及有关国际组织的普遍关注。特别是欧共体理事会指令《各成员国就有关电磁兼容性的法律达成的共识》(89／336／EEC)于1996年1月1日进入实质性实施阶段后，电子、电气产品电磁兼容性指标合格与否更成为欧共体市场准入或市场流通的必要条件。随着我国电磁兼容认证制度的建立和完善，我国电子产品，包括家用电器的电磁兼容性将会不断提高，进而逐渐减小电磁环境污染，保护广大用户的切身利益。

  按照家用电子对电磁环境产生影响的原因，可将家用电器分为以下几种类型：

(1) 由带有换向器的电动机在运转过程中，电刷与换向器接触形成火花而产生电磁骚扰的家用电器，如吸尘器、电吹风、电动缝纫机、食品搅拌器、电动剃须刀等；电磁骚扰是指任何可能引起其它家用电器或电子设备性能降低或对人体健康产生损害作用的电磁现象；
(2) 由于频繁的开关动作而产生电磁骚扰的家用电器，如电饭堡、电熨斗、电烤箱、电冰箱、洗衣机等；
(3) 启动时可能引起低压配电网各项指标下降，导致其它家用电器或电子设备不能正常运行的家用电器，如空调器启动时所需的大电流会使电网电压暂时下降，电动机或电感性镇压流器等电感性负载启动时会导致电源功率因数下降，变频调速式空调器中的电力电子器件还会产生电源谐波等；
(4) 带有可控硅器件的家用电器，如电子调光灯、电风扇多功能控制器等，会产生高次谐波骚扰；
(5) 各种气体放电灯，如荧光灯等气体放电时形成的等离子体，会产生电磁骚扰；
(6) 带有微处理器的家用电器，如模糊类家电、带遥控的家电、全自动洗衣机、影碟机、组合音响、家庭影院、热水器、微波炉等，它们所采用的二电平数字信号会引起电磁骚扰，而且，随着时钟频率的不断提高，其骚扰频谱可高达数百兆赫；
(7) 微波炉、电磁灶、家庭影院功率放大器等所产生的电磁能量泄漏，不仅会引起电磁骚扰，而且还将对人体健康造成危害。

家用电器产生的电磁骚扰如果超过国家标准规定的限值，就会造成电磁环境污染。例如，骚扰收音机、电视机的收听、收看；使计算机及其控制的电器发生误操作或丢失数据；使医疗器械如心脏起博器工作失常等；对人体健康的影响包括出现血流加快、局部体温升高、酶活性降低、蛋白质变性、心率改变、局部组织受损等，此外，还会对中枢神经系统、血液与免疫系统、心血管系统、生殖系统等造成不良影响。

2、家用电器的电磁兼容性
  家用电器的电磁兼容性是指家用电器在其电磁环境中能正常工作，不会造成性能降级，而且，不会对该电磁环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。这就是说，在复杂的电磁环境中，每台家用电器除了本身要能抗住外来电磁骚扰，能正常运行以外，还不能骚扰其它家用电器或电子设备的正常运行，不能对人体健康造成危害。这就是家用电器电磁兼容性需要解决的问题。总之，家用电器一方面应满足国家标准所规定的抗扰度限值要求，具有面临电磁骚扰不降低运行性能的能力；另一方面又具有不产生超过国家标准所规定的电磁骚扰限值的能力。电磁兼容性是家用电器的重要性能指标之一，也是保证家用电器的质量、实现家用电器应有功能的重要手段。

3、家用电器电磁兼容性设计
  家用电器电磁兼容性设计的目的就是要使家用电器具有电磁兼容性。这要从分析电磁骚扰源、骚扰耦合途径和敏感电路入手，设计接地、屏蔽、滤波等防护措施，在骚扰源处抑制电磁骚扰，切断对电磁骚扰的耦合，增强敏感电路的抗扰性等。经验证明，在家用电器功能设计的初始阶段，同时进行电磁兼容性设计，可以把电磁骚扰和抗扰度等电磁兼容性问题解决在产品定型之前；如果等到产品定型以后，甚至等到生产阶段或到了用户手里以后，发现问题才去解决，非但将在技术上带来很大难度，而且会造成人力、财力极大的浪费。所以，尽早解决电磁兼容性问题是十分必要的。那种不顾电磁兼容性，只按常规进行产品设计，然后对样品进行电磁兼容性测试，出了问题再进行补救的做法，是一种非常冒险的做法，是完全不可取的。

3．1 家用电器电磁兼容性设计的关键是有源器件的选择和印刷电路板设计。例如，数字电路是一种最常见的宽带骚扰源，其上升／下降时间越短，骚扰频谱越宽，高频分量可延伸到兆赫以上。因此，在保证电路功能的同时，应选用较低的脉冲重复频率和较慢的上升／下降时间。又如家庭影院的功放管是重要的电磁骚扰源，除了选用功率适当的器件外，还应从谐波发射和乱真发射等技术指标方面进行筛选。另一方面，高速逻辑电路、高速时钟电路、微处理器以及视频电路等，既是潜在的电磁骚扰源，却又很容易被骚扰，如果脉冲骚扰的强度超过该电路的噪声容限，就会产生误动作。CMOS和HTL器件具有较高的噪声容限，应优选使用。
当数字电路工作时，将发生高、低电压之间的转换，将引起瞬态地电流和瞬态负载电流从电源流入电路或由电路流入地线，使电源线或地线中的电流产生不平衡。由于电源线和地线存在不可忽略的电阻和电感，瞬态地电流和瞬态负载电流流过电源线和地线时，会引发电源电压的波动，严重时将干扰其它电路或器件的工作，是传导骚扰和辐射骚扰的初始源。为此，应尽量减小印刷电路板电源线和地线的电阻和电感。例如，当脉冲电流的变化为30mA，上升／下降时间为3ns，则骚扰带宽可达100MHz。对于长10cm，宽1mm，厚0．03mm的印刷电路板导线，其阻抗为72．5Ω，所引起的电源电压波动达2．1v；如果使用多层板中的一层为电源层，另一层为接地层，阻抗仅为3．72mΩ，电源电压波动可减小到100μv，对其它电路或器件的工作几乎不发生影响。当然，如果在印刷电路板上再安装去耦电容来提供一个电流源，以被补偿数字电路工作时所产生的瞬态电流，将会取得更好的效果。
   为了控制差模辐射，还应将信号线和回线紧靠在—起，减小信号路径形成的环路面积。因为信号环路的作用就相当于辐射或接收磁场的环天线。由于接地面存在阻抗而存在地电位，即共模电压，它能在外接电缆上激励共模辐射。为了控制共模辐射，就应减小共模电压，合理选择接地点；也可采用板上滤波器或滤波器连接器滤除共模电流；当然，如果使屏蔽电缆的屏蔽层与屏蔽机箱构成完整的屏蔽体，也能达到抑制共模辐射的效果。此外，降低信号频率和电平也是减小辐射的重要措施。为了进一步减小印刷电路板导线的辐射，设计时还应满足20H准则和2W准则。这里H是印刷电路板两层板之间的距离，即元件面应比接地面缩小20H宽度，避免因边缘效应引起的辐射；W是印刚电路板导线的宽度，即高频或高速电路导线间距不小于两倍导线宽度，以减小串扰。导线应短、宽、均匀、直，如遇拐弯，应采用45°角，导线宽度不要突变，不要突然拐角。
应当注意，单面板虽然制造简单、装配方便，但只适用于一般电路要求，不适用于高组装密度或复杂电路的场合；双面板适用于只要求中等组装密度的场合；对于高组装密度或复杂电路，应优选多层板。这时，可将数字电路和模拟电路分别安排在不同层内，电源层和接地层相邻，骚扰源单独安排并远离敏感电路；高速、高频电路应靠近边缘连接器。完成印刷电路板设计后，应使板上各电路都能正常工作，不存在相互骚扰，能将骚扰发射降至最低并且有良好的抗扰性。

3．2 地线设计是最重要的设计，往往也是难度最大的一项设计。家用电器的安全地，要提供对人身和家用电器的可靠安全保证，需做独立的设计。信号地线则是信号流回源的低阻抗路径，类型有悬浮地、单点接地、多点接地以及混合接地，悬浮地容易产生静电积累与静电放电，很少采用。由于地线不是理想的零阻抗，单元电路应当采用单点接地；多级电路接地点应选在低电平电路的输入端，可减小地电位对电路的骚扰；小信号高增益放大器的屏蔽罩也应单点接地，接地点应选在输出端地线上，可以防止自激；复杂家用电器中往往包含多种电子线路和电机、电器等，这时应将地线分为信号地线、骚扰源地线、屏蔽罩地线、机壳地线等，分组敷设，最后集中为一条地线，可以克服各部分地线之间引起的骚扰。多点接地一般用于高于10MHz的频率范围，以便就近接地。但由于两个不同的接地点之间存在地电压，电路多点接地、并且电路间有信号联系时，将构成地环路骚扰。地电压将叠加在信号上一起加到负载端，造成差模干扰。如果两电路间的信号传输用两根导线，则地电压将加到两根导线上，由于这两根导线对地的阴抗不等，地电压在两导线上产生的共模电注大小不等，也将在负载两端造成差模干扰。为了克服地环路骚扰，应将信号地线和机壳地线分组敷设，先互相绝缘，最后再合一、使地环路阻抗增大，将地电压大部分降在该阻抗上，加到导线上的那部分被大大减小。此外，还可以在两电路之间插入隔离变压器、共模扼流圈或光电耦合器等，切断地环路，也可以取得良好的效果。

3．3 屏蔽技术可以用来抑制家用电器中的辐射骚扰。辐射骚扰是以电磁场与电磁波的形式在空间传播的，通常可用金属材料或磁性材料把骚扰源包围起来，使屏蔽体内外的“场”相互隔离。可以看到，屏蔽技术还可以用来保护家用电器中的敏感电路，免受外来的辐射骚扰。对于屏蔽作用的评价可以用屏蔽效能来表示，屏蔽效能即未加屏蔽前待测点的场强与加上屏蔽后，待测点的场强之比值。屏蔽效能为屏蔽体反射损耗、吸收损耗和多次反射修正量之和。
对于高电压、小电流的骚扰源，应采用近场电场屏蔽，即采用高导电率金属屏蔽体并接地；
对于低电压、大电流的骚扰源，应采用近场磁场屏蔽，但不同频率时应采用不同的措施。直流或低频时，可用铁、硅钢片、坡莫合金、合金等高导磁率材料制成屏蔽体，可以不接地。磁导率越高，屏蔽效能越高，增加厚度也会增加屏蔽效能，但很不经济，可以改用多层屏蔽。频率较高时，由于磁导率下降和磁损增加而不再适用，应采用高导电率金属材料，如铜、铝等。这时，如果屏蔽体接地良好，还可以同时屏蔽高频电场。
敏感电路距离骚扰源较远时，采用远场电磁屏蔽，即用高导电金属材料制成屏蔽体。家用电器屏蔽机箱或屏蔽盒的材料一般可采用铜板、钢板、铝板、镀锌铁板等，厚度约为0．2—0．8毫米。由于高频电流具有集肤效应，在工程塑料机箱上喷涂一层导电漆，就能起到良好的屏蔽作用。但实际机箱总有各种大小的孔、缝和开口，都可能造成骚扰的耦合。为此，可采用导电衬垫、金属丝网、截止波导管、截止波导通风板、导电玻璃视窗等，改善屏蔽效能。

3．4 滤波技术可以用来抑制家用电器中传导骚扰的传输，而使需要的频率分量顺利通过。所使用的滤波器的重要特性用频率特性，即插入损耗随频率的变化来表征。插入损耗定义为信号源不接滤波器、直接加在负载上的电压，与信号源通过滤波器后加在负载上的电压的比值。能无衰减地通过滤波器的频率范围称为通带，而受到很大衰减的频率范围称为阻带。抑制传导骚扰的滤波器有反射式滤波器和吸收式滤波器等。
反射式滤波器是由电感、电容等元件组成的低通滤波器，在阻带内能提供高的串联阻抗和低的并联阻抗，并与骚扰源的阻抗严重不匹配，能将高频骚扰反射回骚扰源而被滤除，有用的低频分量则很小的衰减通过。常用于电源线滤波器和信号线滤波器。
吸收式滤波器是由有耗器件构成的，在阻带内，有耗器件将传导骚扰的能量吸收后转化为热损耗，而起滤波作用。铁氧体材料就是一种广泛应用的有耗器件，可用来构成低通滤波器。当导线中的低频电流穿过铁氧体时几乎没有损耗，但高频电流却会受到很大损耗。这因为铁氧体材料可以等效为电阻值和电感量都随频率变化电阻和电感的串联。在低频段，电感起主要作用，在高频段，电阻起主要作用，并随频率升高而增加，电感却随频率升高反而减小，因此对高频分量起到较大衰减作用，而对直流或低频分量几乎没有衰减。根据不同的使用场合，铁氧体可以做成多种形式，例如可以直接焊在印刷电路板上的电阻元件形式，可以串在低速信号线上的磁珠，可以套在元、器件引脚或导线上的磁环，可以套在电缆上的柱形磁环和矩形磁环等。

3．5 必须综合使用接地、屏蔽、滤波等防护措施。单独使用任何一种防护措施，都不会达到理想的抑制效果，需要掌握综合使用的技巧。
前面提到，近场电场屏蔽的必要条件是采用高导电率金属屏蔽体并接地；接地良好的屏蔽体还可以实现远场电磁屏蔽。屏蔽电缆屏蔽层的屏蔽效能主要不是因反射和吸收而得到的，却是由屏蔽层接地后才得到的。这因为屏蔽层接地后，才能将外来骚扰短路至地，避免了因与芯线之间存在耦合，而将骚扰耦合至芯线；同理，芯线的骚扰耦合至屏蔽层后，也被短路至地，避免了芯线的骚扰通过屏蔽层向外辐射。可见屏蔽与接地是不可分的。
电磁骚扰入侵屏蔽体的主要途径是输入输出接口和电源线输入口。因为屏蔽体内部的电磁骚扰可以耦合到进、出屏蔽体的导线和电缆上，传导到屏蔽体外，造成辐射骚扰。同样，外来的电磁骚扰也会通过电磁耦合，由这些导线和电缆传导进入屏蔽体。为了阻止骚扰电流的流进或流出，一种简单可行的办法，就是在输入输出接口和电源线输入口分别安装滤波器连接器和馈通滤波器。此外，前面提到的在开口处安装的截止波导管、截止波导通风板、导电玻璃视窗等，实质上都是高通滤波器。可见屏蔽与滤波也是不可分的。
除了特别说明允许不接地的滤波器在使用时可以不接地以外，各类滤波器都必须接地。因为滤波器中的共模旁路电容只有在接地时才能起滤波作用。特别是滤波器，接地不良时，相当于电容和电感并联，完全失去了滤波的作用。此外，安装滤波器时，还应借助于屏蔽，把输入端和输出端隔离开来，以免发生耦合。所以滤波和接地、屏蔽都有密切关系。
为了减小地环路骚扰，需要将信号地线与机壳地线先绝缘再集中，因此，信号地线穿过机壳时必须安装馈通滤波器。而高层建筑上的家用电器需要安装接至大地的地线时，为了避免因地线过长而耦合电磁骚扰，还必须在地线外加装屏蔽套筒，可见，接地和滤波、屏蔽也是不可分的，必须综合利用。

4、家用电器电磁骚扰抑制举例

针对前面提到的，安装了带有换向器的电动机的家用电器，可以采用图1所示的滤波器，图(a)中的三个电容器均采用陶瓷电容器，要求电容器的引脚短，并紧贴着电动机安装，C2、C3的公共端与电动机壳体可靠连接，接地阻抗要小；图(b)中C2、C3采用穿心电容；需要进一步滤波时，可以在电源线上加扼流圈，如图(c)所示。
图 1 带有换向器的电动机的滤波设计

（a）

(b)

(c)
对于因频繁开关动作而产生骚扰的家用电器，可在开关或继电器触点上并联滤波器，如图2所示。
图 2 开关或继电器触点的滤波设计

(a) 小功率低压触点

（b）大电流触点

（c）高压触点

对于采用了启动时可能引起冲击电流而断开时会产生浪涌电压和瞬变噪声的感性负载家用电器，则可以在家用电器电源线输入端并联放电通路，这样，在断开电源时，给感性负载上存储的能量提供一条释放的通路，例如并联压敏电阻通路或RC网络等。这对启动时负载中的电流突变所引起的瞬变电压也能起到抑制作用。
对于带有可控硅的家用电器，为了抑制高频谐波骚扰，可以在可控硅支路套上铁氧体磁珠，或在可控硅的两极间并联RC吸收支路，也可在可控硅与负载之间插入低通滤波器。如果将可控硅电路用屏蔽合屏蔽起来。也能得到较好的效果。
对于各种气体放电灯或带有放电管的家用电器，为了避免放电时产生的骚扰进入电网，可在其电源线上安装滤波器，如图3所示。
图 3 气体放电滤波器

对于带有微处理器的家用电器，则应安装高质量电源线滤波器和输入输出端口滤波器，并良好接地。必要时还需进行屏蔽。
对于可能发生电磁能量泄漏的家用电器，则主要应采用屏蔽措施，并对孔、缝、开口进行密封式屏蔽。

5．结束语

家用电器的电磁兼容性设计，表面上看好像很复杂，不知从何处下手。但如果能抓住以上几个问题，任何复杂的家用电器都是可以迎刃而解的。希望企业界重视电磁兼容性设计，要有超前意识，要舍得投入。只要尽早进行电磁兼容性设计，成本不会增加太多。面对电磁环境日益恶化、电磁兼容设计与认证对国内、国际贸易的影响，我们应该有紧迫感和强烈的责任感。