1 引言
電磁干擾(emi, electric magnetic interference)是電子技術(shù)與工程面對(duì)的一個(gè)十分棘手的難題。為了克服或降低電磁干擾，人們采取各種措施抑制干擾源，設(shè)法保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)不受或少干擾。這些措施的最終目的都是使設(shè)備或系統(tǒng)具有一定的電磁兼容(emc，electric magnetic compatibility)能力，能按設(shè)計(jì)參數(shù)工作。目前許多國(guó)家都對(duì)電子設(shè)備和儀器規(guī)定了嚴(yán)格的電磁兼容性能標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也出臺(tái)了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)^[1][2]，因此，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必須考慮電磁兼容設(shè)計(jì)。結(jié)合本人的工作實(shí)踐，本文對(duì)變頻器、逆變器等電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的抗電磁干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入探討，在此與同行分享。

2 電磁干擾分析
2.1電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電磁干擾
變頻器、逆變器等電氣產(chǎn)品中的電容器、電感器、變壓器、有源器件等儲(chǔ)能元器件及電阻、導(dǎo)線(xiàn)，這些器件的采用必然或帶來(lái)電磁干擾。當(dāng)電路中有電壓的時(shí)候，所有元器件周?chē)紩?huì)產(chǎn)生電場(chǎng)；當(dāng)電路中有電流流過(guò)的時(shí)候，在所有載流體的周?chē)即嬖诖艌?chǎng)^[3]。
(1) 電容器是電場(chǎng)最集中的元器件，流過(guò)電容器的電流是位移電流，這個(gè)位移電流是由于電容器的兩個(gè)極板帶電，并在兩個(gè)極板之間產(chǎn)生電場(chǎng)，通過(guò)電場(chǎng)感應(yīng)，兩個(gè)極板產(chǎn)生充放電，形成位移電流。當(dāng)電容器的兩個(gè)極板張開(kāi)時(shí)，可以把兩個(gè)極板看成是一組電場(chǎng)輻射天線(xiàn)，與電場(chǎng)方向一致的導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生電流，稱(chēng)之為位移電流。
(2) 電感器和變壓器是磁場(chǎng)最集中的元器件，流過(guò)變壓器次級(jí)線(xiàn)圈的電流稱(chēng)之為感應(yīng)電流。感應(yīng)電流是因?yàn)樽儔浩鞒跫?jí)線(xiàn)圈中有電流流過(guò)時(shí)，發(fā)生磁感應(yīng)而產(chǎn)生。電感器和變壓器周邊的電路，可看成是一個(gè)變壓器的感應(yīng)線(xiàn)圈，當(dāng)電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線(xiàn)穿過(guò)某個(gè)電路時(shí)，此電路作為變壓器的“次級(jí)線(xiàn)圈”就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個(gè)相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個(gè)回路看成是變壓器的“初級(jí)線(xiàn)圈”，而另一回路可以看成是變壓器的“次級(jí)線(xiàn)圈”，因此兩個(gè)相鄰回路同樣會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，即互相產(chǎn)生干擾。所以，在電子線(xiàn)路(設(shè)備)中只要有電場(chǎng)或磁場(chǎng)存在，就會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。
2.2 濾波技術(shù)與抗電磁干擾
電路或設(shè)備防止電磁干擾的解決方式一般有三種：即采用接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)和濾波技術(shù)^[4]。其中濾波技術(shù)是抑制電氣、電子設(shè)備中的傳導(dǎo)電磁干擾，提高電氣、電子設(shè)備抗傳導(dǎo)干擾能力的重要方法之一，是保證設(shè)備整體或局部屏蔽效能的重要措施。下面簡(jiǎn)單介紹一下濾波技術(shù)抗電磁干擾的原理。
(1) 濾波抗電磁干擾的原理
要完全消除沿導(dǎo)線(xiàn)傳出或傳進(jìn)設(shè)備的干擾通常是不可能的。濾波器的作用是允許工作信號(hào)通過(guò)，而對(duì)非工作信號(hào)有很大的衰減作用，使產(chǎn)生干擾的機(jī)會(huì)減為最小和使干擾信號(hào)衰減到最小，使傳出設(shè)備的騷擾信號(hào)不超過(guò)限定值，使傳入設(shè)備的騷擾源不至于引起系統(tǒng)性能下降或設(shè)備失靈。濾波是壓縮信號(hào)回路騷擾信號(hào)頻譜的一種方法，當(dāng)騷擾信號(hào)頻譜成分不同于有用信號(hào)的頻帶時(shí)，用濾波器將無(wú)用信號(hào)濾除，這就是濾波抗擾的基本原理。
(2) 共模干擾與差模干擾的抑制
共模干擾，是指干擾電流在電纜中的所有導(dǎo)線(xiàn)上幅度、相位相同，其電流是在電纜與大地之間形成的回路中流動(dòng)。這種干擾一般由外界電磁場(chǎng)在電纜中感應(yīng)出來(lái)，或由于電纜兩端的設(shè)備所接的地電位不同所致。信號(hào)電纜上的干擾主要以共模干擾為主。共模干擾本身不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響，但如果電路不平衡，共模干擾會(huì)轉(zhuǎn)化為差模干擾，對(duì)電路產(chǎn)生影響。而且，如果設(shè)備在電纜上產(chǎn)生共模干擾電流，會(huì)造成電纜強(qiáng)烈的電磁輻射，對(duì)其他設(shè)備造成干擾。
差模干擾，是指干擾電流在信號(hào)線(xiàn)與信號(hào)地線(xiàn)之間流動(dòng)的干擾。在信號(hào)電纜中，差模電流主要是電路的工作電流。差模干擾主要是由于電纜中不同信號(hào)線(xiàn)之間的電容耦合和電感耦合所致。而在電源線(xiàn)中，差模干擾往往是十分嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)殡娋W(wǎng)上其他電器電源通斷時(shí)產(chǎn)生的干擾都是差模干擾。另外開(kāi)關(guān)電源的非線(xiàn)性也會(huì)導(dǎo)致很強(qiáng)的差模干擾[5]。
從受干擾的角度看，差模干擾比共模干擾危害大，從干擾發(fā)射的角度看，共模干擾比差模干擾危害大。

3 硬件電路的抗干擾設(shè)計(jì)
在變頻器、逆變器的抗擾設(shè)計(jì)中，可采用以下幾種硬件抗干擾方案：
3.1光電隔離
在變頻器、逆變器的輸入輸出通道上，采用光耦合器件來(lái)進(jìn)行信息傳輸，光耦合器件可將控制板與各種傳感器、開(kāi)關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開(kāi)來(lái)，實(shí)踐證明光電隔離法可以阻擋很大一部分干擾信號(hào)。
3.2硬件濾波技術(shù)
采用rc低通濾波器可以大大削弱高頻干擾信號(hào)，如各類(lèi)“毛刺”形干擾源等^[6]。
3.3屏蔽技術(shù)
高頻電源、交流電源、強(qiáng)電設(shè)備、電弧產(chǎn)生的電火花，甚至雷電，都能產(chǎn)生電磁波，從而成為電磁干擾的噪聲源。用變頻器的金屬外殼接地可以有效消除各種電磁感應(yīng)引起的干擾。
3.4 有針對(duì)性的防范措施
在抗擾設(shè)計(jì)中，可以針對(duì)具體情況，采取針對(duì)性抗擾措施。例如，變頻器、逆變器模塊中的主功率變壓器的初次級(jí)線(xiàn)圈間存在雜散電容，開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的共模干擾通過(guò)變壓器在原副邊相互傳播。針對(duì)模塊中分布電容引起的電場(chǎng)噪聲干擾，可試用以下方法抗干擾：
(1) 減少功率電路開(kāi)關(guān)管集電極和散熱片之間的耦合電容，選用低介電常數(shù)的材料作絕緣墊，加厚墊片的厚度，并采用靜電屏蔽的方法。
(2) 改進(jìn)功率變壓器的繞制方式，減少變壓器的分布電容。
3.5 電路布局設(shè)計(jì)
在功率電路中，因?yàn)檩斎胼敵鲭娏鬏^大，所以pcb板的布局對(duì)變頻器主功率管電壓尖峰、變換器的效率、可靠性影響較大。在工程設(shè)計(jì)中，功率電路的pcb布局可參考以下原則，以減少電磁干擾：
(1) 流過(guò)大電流的功率線(xiàn)盡量短而寬或者增加厚度；
(2) 功率管及變壓器原邊引線(xiàn)盡量短；
(3) 驅(qū)動(dòng)電路和功率管盡量靠近，驅(qū)動(dòng)引線(xiàn)盡量短；
(4) 驅(qū)動(dòng)電路供電電源和控制芯片的供電電源盡量分開(kāi)；
(5) 合理的熱設(shè)計(jì)，避免熱應(yīng)力集中。

4 軟件抗干擾設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)除了可根據(jù)具體情況采用以上硬件辦法外，還可以采用軟件抗干擾設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮軟件抗干擾能力。軟件抗干擾設(shè)計(jì)思想是：消除模擬輸入信號(hào)的噪聲、程序運(yùn)行混亂時(shí)使程序重入正軌。實(shí)踐證明，只要措施得當(dāng)，可以將干擾的影響抑制到最小。以下幾種軟件抗干擾方法比較有效：
4.1數(shù)字濾波技術(shù)
數(shù)字濾波技術(shù)可以有效地消除模擬輸入信號(hào)的噪聲。數(shù)字濾波包括：算術(shù)平均值濾波、中位值濾波、限幅濾波、加權(quán)平均值濾波等。其中，平均值濾波法適用于周期性干擾，中位值濾波法和限幅濾波法適用于偶然的脈沖干擾，加權(quán)平均值濾波法適用于有高頻干擾的低頻信號(hào)。如果同時(shí)選用幾種濾波方法，一般應(yīng)先用中位值濾波法或限幅濾波法，然后再用平均值濾波法。如果使用不恰當(dāng)，非但達(dá)不到濾波效果，反而會(huì)降低控制品質(zhì)。所以，在工程實(shí)際中應(yīng)根據(jù)具體情況采用不同的數(shù)字濾波方法。
4.2 指令冗余
cpu取指令過(guò)程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)受干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤，程序便脫離正常軌道“亂飛”，當(dāng)亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時(shí)刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當(dāng)作操作碼，程序?qū)⒊鲥e(cuò)。若在對(duì)系統(tǒng)流向起重要作用的指令前設(shè)置(插入)兩條或三條空操作指令nop ,則當(dāng)系統(tǒng)受干擾出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，由于空操作指令nop的存在，避免了后面的指令被當(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，可將“亂飛”程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行. 空操作指令nop,即指令冗余設(shè)置是軟件抗擾有效措施之一。
4.3 軟件陷阱和程序監(jiān)視系統(tǒng)
(1) 軟件陷阱
軟件設(shè)置陷阱也是一種軟件抗擾方案,具體做法是:在存儲(chǔ)程序的rom或ram中，每隔一些指令(十幾條即可)，就把連續(xù)幾個(gè)單元設(shè)置成空操作,即所謂陷阱，其原理是連續(xù)執(zhí)行幾個(gè)空操作后，程序就會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常，繼續(xù)執(zhí)行后面的程序。
(2) 程序監(jiān)視
干擾信號(hào)可使程序進(jìn)入死循環(huán)而導(dǎo)致系統(tǒng)失控。在軟件設(shè)計(jì)時(shí),通過(guò)設(shè)置運(yùn)行監(jiān)視程序，正確設(shè)定控制寄存器的值,不斷檢測(cè)程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間,可及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序是否失控.若循環(huán)時(shí)間超過(guò)最大時(shí)間限制,即程序“失控”進(jìn)入“死循環(huán)”，可采用“看門(mén)狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”，起到抗擾功能。例如,在主控芯片tms320f2812中內(nèi)置一個(gè)程序監(jiān)視器，只要正確設(shè)定控制寄存器的值即可對(duì)它的啟動(dòng)、停止和定時(shí)時(shí)間等工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

5 結(jié)束語(yǔ)
眾所周知，由于變頻器內(nèi)部復(fù)雜的電磁環(huán)境，加上電源系統(tǒng)對(duì)于入網(wǎng)設(shè)備的嚴(yán)格要求，使得變頻器系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)顯得非常重要。本人在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，正確采用以上措施，取得了較好的抗電磁干擾效果，確保了變頻器系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

作者簡(jiǎn)介
李勇 男 碩士/工程師 研究方向：電力電子技術(shù)及應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
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