1 引言
電磁干擾(emi, electric magnetic interference)是電子技術(shù)與工程面對的一個十分棘手的難題。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)計參數(shù)工作。目前許多國家都對電子設(shè)備和儀器規(guī)定了嚴(yán)格的電磁兼容性能標(biāo)準(zhǔn)，我國也出臺了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)^[1][2]，因此，在電子產(chǎn)品設(shè)計中必須考慮電磁兼容設(shè)計。結(jié)合本人的工作實(shí)踐，本文對變頻器、逆變器等電子產(chǎn)品設(shè)計中的抗電磁干擾設(shè)計進(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、磁場與電磁干擾
變頻器、逆變器等電氣產(chǎn)品中的電容器、電感器、變壓器、有源器件等儲能元器件及電阻、導(dǎo)線，這些器件的采用必然或帶來電磁干擾。當(dāng)電路中有電壓的時候，所有元器件周圍都會產(chǎn)生電場；當(dāng)電路中有電流流過的時候，在所有載流體的周圍都存在磁場^[3]。
(1) 電容器是電場最集中的元器件，流過電容器的電流是位移電流，這個位移電流是由于電容器的兩個極板帶電，并在兩個極板之間產(chǎn)生電場，通過電場感應(yīng)，兩個極板產(chǎn)生充放電，形成位移電流。當(dāng)電容器的兩個極板張開時，可以把兩個極板看成是一組電場輻射天線，與電場方向一致的導(dǎo)體中都會產(chǎn)生電流，稱之為位移電流。
(2) 電感器和變壓器是磁場最集中的元器件，流過變壓器次級線圈的電流稱之為感應(yīng)電流。感應(yīng)電流是因?yàn)樽儔浩鞒跫壘€圈中有電流流過時，發(fā)生磁感應(yīng)而產(chǎn)生。電感器和變壓器周邊的電路，可看成是一個變壓器的感應(yīng)線圈，當(dāng)電感器和變壓器漏感產(chǎn)生的磁力線穿過某個電路時，此電路作為變壓器的“次級線圈”就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。兩個相鄰回路的電路，也同樣可以把其中的一個回路看成是變壓器的“初級線圈”，而另一回路可以看成是變壓器的“次級線圈”，因此兩個相鄰回路同樣會產(chǎn)生電磁感應(yīng)，即互相產(chǎn)生干擾。所以，在電子線路(設(shè)備)中只要有電場或磁場存在，就會產(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通過，而對非工作信號有很大的衰減作用，使產(chǎn)生干擾的機(jī)會減為最小和使干擾信號衰減到最小，使傳出設(shè)備的騷擾信號不超過限定值，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。濾波是壓縮信號回路騷擾信號頻譜的一種方法，當(dāng)騷擾信號頻譜成分不同于有用信號的頻帶時，用濾波器將無用信號濾除，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。這種干擾一般由外界電磁場在電纜中感應(yīng)出來，或由于電纜兩端的設(shè)備所接的地電位不同所致。信號電纜上的干擾主要以共模干擾為主。共模干擾本身不會對電路產(chǎn)生影響，但如果電路不平衡，共模干擾會轉(zhuǎn)化為差模干擾，對電路產(chǎn)生影響。而且，如果設(shè)備在電纜上產(chǎn)生共模干擾電流，會造成電纜強(qiáng)烈的電磁輻射，對其他設(shè)備造成干擾。
差模干擾，是指干擾電流在信號線與信號地線之間流動的干擾。在信號電纜中，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線之間的電容耦合和電感耦合所致。而在電源線中，差模干擾往往是十分嚴(yán)重的問題，因?yàn)殡娋W(wǎng)上其他電器電源通斷時產(chǎn)生的干擾都是差模干擾。另外開關(guān)電源的非線性也會導(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
在變頻器、逆變器的抗擾設(shè)計中，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，采用光耦合器件來進(jìn)行信息傳輸，光耦合器件可將控制板與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)從電氣上隔離開來，實(shí)踐證明光電隔離法可以阻擋很大一部分干擾信號。
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，如各類“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 有針對性的防范措施
在抗擾設(shè)計中，可以針對具體情況，采取針對性抗擾措施。例如，變頻器、逆變器模塊中的主功率變壓器的初次級線圈間存在雜散電容，開關(guān)電路產(chǎn)生的共模干擾通過變壓器在原副邊相互傳播。針對模塊中分布電容引起的電場噪聲干擾，可試用以下方法抗干擾：
(1) 減少功率電路開關(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
在功率電路中，因?yàn)檩斎胼敵鲭娏鬏^大，所以pcb板的布局對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) 流過大電流的功率線盡量短而寬或者增加厚度；
(2) 功率管及變壓器原邊引線盡量短；
(3) 驅(qū)動電路和功率管盡量靠近，驅(qū)動引線盡量短；
(4) 驅(qū)動電路供電電源和控制芯片的供電電源盡量分開；
(5) 合理的熱設(shè)計，避免熱應(yīng)力集中。

4 軟件抗干擾設(shè)計
系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計除了可根據(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，充分發(fā)揮軟件抗干擾能力。軟件抗干擾設(shè)計思想是：消除模擬輸入信號的噪聲、程序運(yùn)行混亂時使程序重入正軌。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。如果同時選用幾種濾波方法，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。若在對系統(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)錯誤時，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)行幾個空操作后，程序就會自動恢復(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)計時,通過設(shè)置運(yùn)行監(jiān)視程序，正確設(shè)定控制寄存器的值,不斷檢測程序循環(huán)運(yùn)行時間,可及時發(fā)現(xiàn)程序是否失控.若循環(huán)時間超過最大時間限制,即程序“失控”進(jìn)入“死循環(huán)”，可采用“看門狗”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)置一個程序監(jiān)視器，只要正確設(shè)定控制寄存器的值即可對它的啟動、停止和定時時間等工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

5 結(jié)束語
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)計顯得非常重要。本人在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計中，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)
[1] 王慶斌等. 電磁干擾與電磁兼容技術(shù). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999
[2] 李愛文,張承蔥. 現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用. 北京: 科學(xué)出版社, 1994
[3] 劉勝利. 現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社，2001
[4] 陳窮. 電磁兼容性工程設(shè)計手冊. 北京：國防工業(yè)出版社，1993
[5] 李堅. 電磁兼容設(shè)計手冊. 北京：航空工業(yè)出版社，1998
[6] 肖東全. lc濾波器和螺旋濾波器的設(shè)計. 北京：人民郵電出版社，1978