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開關(guān)電源EMI設(shè)計(jì)與整改策略100條（一）
日期：2024-09-19 17:41
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摘要：EMC的分類及標(biāo)準(zhǔn)
EMC（Electromagnetic Compatibility）是電磁兼容，它包括EMI（電磁騷擾）和EMS（電磁抗騷擾）。EMC定義為：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何設(shè)備的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC整的稱呼為電磁兼容。EMP是指電磁脈沖。
EMC ＝ EMI ＋ EMS EMI：電磁干擾 EMS：電磁相容性 （**力）
EMI可分為傳導(dǎo)Conduction及輻射Radiation兩部分，
Conduction規(guī)范一般可分為： FCC Part 15J Class B；CISPR 22（EN55022， EN61000－3－2， EN6100...
EMC的分類及標(biāo)準(zhǔn)
EMC（Electromagnetic Compatibility）是電磁兼容，它包括EMI（電磁騷擾）和EMS（電磁抗騷擾）。EMC定義為：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何設(shè)備的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC整的稱呼為電磁兼容。EMP是指電磁脈沖。
EMC ＝ EMI ＋ EMS EMI：電磁干擾 EMS：電磁相容性 （**力）
EMI可分為傳導(dǎo)Conduction及輻射Radiation兩部分，
Conduction規(guī)范一般可分為： FCC Part 15J Class B；CISPR 22（EN55022， EN61000－3－2， EN61000－3－3） Class B；
國標(biāo)IT類（GB9254，GB17625）和AV類（GB13837，GB17625）。
FCC測(cè)試頻率在450K－30MHz，CISPR 22測(cè)試頻率在150K－－30MHz，Conduction可以用頻譜分析儀測(cè)試，Radiation則必須到專門的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。
EMI為電磁干擾，EMI是EMC其中的一部分，EMI（Electronic Magnetic Interference） 電磁干擾， EMI包括傳導(dǎo)、輻射、電流諧波、電壓閃爍等等。電磁干擾是由干擾源、藕合通道和接收器三部分構(gòu)成的，通常稱作干擾的三要素。 EMI線性正比于電流，電流回路面積以及頻率的平方即：EMI ＝ K＊I＊S＊F2。I是電流，S是回路面積，F(xiàn)是頻率，K是與電路板材料和其他因素有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。
輻射干擾（30MHz—1GHz）是通過空間并以電磁波的特性和規(guī)律傳播的。但不是任何裝置都能輻射電磁波的。
傳導(dǎo)干擾（150K－－30MHz）是沿著導(dǎo)體傳播的干擾。所以傳導(dǎo)干擾的傳播要求在干擾源和接收器之間有一完整的電路連接。
EMI是指產(chǎn)品的對(duì)外電磁干擾。一般情況下分為Class A ＆ Class B 兩個(gè)等級(jí)。 Class A為工業(yè)等級(jí)，Class B為民用等級(jí)。民用的要比工業(yè)的嚴(yán)格，因?yàn)楣I(yè)用的允許輻射稍微大一點(diǎn)。同樣產(chǎn)品在測(cè)試EMI中的輻射測(cè)試來講，在30－230MHz下，B類要求產(chǎn)品的輻射限值不能超過40dBm 而A類要求不能超過50dBm（以三米法電波暗室測(cè)量為例）相對(duì)要寬松的多，一般來說CLASSA是指在EMI測(cè)試條件下，無需操作人員介入，設(shè)備能按預(yù)期持續(xù)正常工作，不允許出現(xiàn)低于規(guī)定的性能等級(jí)的性能降低或功能損失。
EMI是設(shè)備正常工作時(shí)測(cè)它的輻射和傳導(dǎo)。在測(cè)試的時(shí)候，EMI的輻射和傳導(dǎo)在接收機(jī)上有兩個(gè)上限，分別代表Class A和Class B，如果觀察的波形超過B的線但是低于A的線，那么產(chǎn)品就是A類的。EMS是用測(cè)試設(shè)備對(duì)產(chǎn)品干擾，觀察產(chǎn)品在干擾下能否正常工作，如果正常工作或不出現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能下降，為A級(jí)。能自動(dòng)重啟且重啟后不出現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能下降，為B級(jí)。不能自動(dòng)重啟需人為重啟為C級(jí)，掛掉為D級(jí)。國標(biāo)有D級(jí)的規(guī)定，EN只有A，B，C。EMI在工作頻率的奇數(shù)倍是*不好過的。
EMS（Electmmagnetic Suseeptibilkr） 電磁敏感度一般俗稱為“電磁**力”，是設(shè)備抗外界騷擾干擾之能力，EMI是設(shè)備對(duì)外的騷擾。
EMS中的等級(jí)是指：Class A，測(cè)試完成后設(shè)備仍在正常工作；Class B，測(cè)試完成或測(cè)試中需要重啟后可以正常工作；Class C，需要人為調(diào)整后可以正常重啟并正常工作；Class D，設(shè)備已損壞，無論怎樣調(diào)整也無法啟動(dòng)。嚴(yán)格程度EMI是B ＞ A，EMS是A ＞ B ＞ C ＞ D。
EMI電路：
X電容的作用：
抑制差模雜訊，電容量越大，抑制低頻雜訊效果越好。
Y電容的作用：
抑制共模雜訊，電容量越大，抑制低頻雜訊效果越好。Y電容使次級(jí)到初級(jí)地線提供一個(gè)低阻抗回路，使流向地再通過LISN回來的電流直接短路掉，由于Y電容非完全理想，次級(jí)各部分間也存在阻抗，所以不可能全部回來。還是有一部分流到地。Y電容必須直接用盡量短的直線連接到初級(jí)和次級(jí)的冷地， 如果開通時(shí)MOS的dv／dt大于關(guān)斷時(shí)的dv／dt， 則Y電容連接到初級(jí)的地； 反之連接到V＋。
共模電感的作用：
抑制共模雜訊，電感量越大，抑制低頻雜訊效果越好。增加共模電流部分的阻抗，減小共模電流。
差模電感的作用：
抑制差模雜訊，電感量越大，抑制低頻雜訊效果越好。
開關(guān)電源設(shè)計(jì)前的一般應(yīng)對(duì)策略
采用交流輸入EMI濾波器
通常干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)有兩種方式：共模方式和差模方式。共模干擾是載流體與大地之間的干擾：干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線 對(duì)大地間，主要是由du／dt產(chǎn)生的，di／dt也產(chǎn)生一定的共模干擾。而差模干擾是載流體之間的干擾：干擾大小相等、方向相反，存在于電源相線與中線及 相線與相線之間。干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)既可以共模方式出現(xiàn)，也可以差模方式出現(xiàn)；但共模干擾電流只有變成差模干擾電流后，才能對(duì)有用信號(hào)構(gòu)成干擾。
交流電源輸人線上存在以上兩種干擾，通常為低頻段差模干擾和高頻段共模干擾。在一般情況下差模干擾幅度小、頻率低、造成的干擾??；共模干擾幅度大、頻率高， 還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，造成的干擾較大。若在交流電源輸人端采用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器，則可有效地抑制電磁干擾。電源線EMI濾波器基本原理如圖1所示， 其中差模電容C1、C2用來短路差模干擾電流，而中間連線接地電容C3、C4則用來短路共模干擾電流。共模扼流圈是由兩股等粗并且按同方向繞制在一個(gè)磁芯 上的線圈組成。如果兩個(gè)線圈之間的磁藕合非常緊密，那么漏感就會(huì)很小，在電源線頻率范圍內(nèi)差模電抗將會(huì)變得很?。划?dāng)負(fù)載電流流過共模扼流圈時(shí)，串聯(lián)在相線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線和串聯(lián)在中線上線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反，它們?cè)诖判局邢嗷サ窒?因此即使在大負(fù)載電流的情況下，磁芯也不會(huì)飽和。而對(duì)于共模干擾電流，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，會(huì)呈現(xiàn)較大電感，從而起到衰減共模干擾信號(hào)的作用。 這里共模扼流圈要采用導(dǎo)磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料。
圖1 電源線濾波器基本電路圖
利用吸收回路改善開關(guān)波形
開關(guān)管或 二極管在開通和關(guān)斷過程中，由于存在變壓器漏感和線路電感，二極管存儲(chǔ)電容和分布電容，容易在開關(guān)管集電極、發(fā)射極兩端和二極管上產(chǎn)生尖峰電壓。通常情況下采用RC／RCD吸收回路，RCD浪涌電壓吸收回路如圖2所示。
圖2 RCD浪涌電壓吸收回路
當(dāng)吸收回路上的電壓超過一定幅度時(shí)，各器件迅速導(dǎo)通，從而將浪涌能量泄放掉，同時(shí)將浪涌電壓限制在一定的幅度。在開關(guān)管集電極和輸出二極管的正極引線上串接 可飽和磁芯線圈或微晶磁珠，材質(zhì)一般為鈷（Co），當(dāng)通過正常電流時(shí)磁芯飽和，電感量很小。一旦電流要反向流過時(shí)，它將產(chǎn)生很大的反電勢(shì)，這樣就能有效地 抑制二極管VD的反向浪涌電流。
利用開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)
頻率控制技術(shù)是基于開關(guān)干擾的能量主要集中在特定的頻率上，并具有較大的頻譜峰值。如果能將這些能量分散在較寬的頻帶上，則可以達(dá)到降低于擾頻譜峰值的目的。通常有兩種處理方法：隨機(jī)頻率法和調(diào)制頻率法。
隨機(jī)頻率法是在電路開關(guān)間隔中加人一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)分量，使開關(guān)干擾能量分散在一定范圍的頻帶中。研究表明，開關(guān)干擾頻譜由原來離散的尖峰脈沖干擾變成連續(xù)分布干擾，其峰值大大下降。
調(diào)制頻率法是在鋸齒波中加人調(diào)制波（白噪聲），在產(chǎn)生干擾的離散頻段周圍形成邊頻帶，將干擾的離散頻帶調(diào)制展開成一個(gè)分布頻帶。這樣，干擾能量就分散到這些分布頻段上。在不影響變換器工作特性的情況下，這種控制方法可以很好地抑制開通、關(guān)斷時(shí)的干擾。
采用軟開關(guān)技術(shù)
開關(guān)電源的干擾之一是來自功率開關(guān)管通／斷時(shí)的du／dt，因此，減小功率開關(guān)管通／斷的du／dt是抑制開關(guān)電源干擾的一項(xiàng)重要措施。而軟開關(guān)技術(shù)可以減小開關(guān)管通／斷的du／dt。
如果在開關(guān)電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)很小的電感、電容等諧振元件就構(gòu)成輔助網(wǎng)絡(luò)。在開關(guān)過程前后引人諧振過程，使開關(guān)開通前電壓先降為零，這樣就可以消除開通過程中電壓、電流重疊的現(xiàn)象，降低、甚至消除開關(guān)損耗和干擾，這種電路稱為軟開關(guān)電路。
根據(jù)上述原理可以采用兩種方法，即在開關(guān)關(guān)斷前使其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗和干擾，這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷；或在開關(guān)開通前使其電壓為 零，則開關(guān)開通時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生損耗和干擾，這種開通方式稱為零電壓開通。在很多情況下，不再指出開通或關(guān)斷，僅稱零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)，基本電路如圖3和 圖4所示。
圖3 零電壓開關(guān)諧振電路
圖4 零電流開關(guān)諧振電路
通常采用軟開關(guān)電路控制技術(shù)，結(jié)合合理的元器件布局及印制電路板布線、接地技術(shù)，對(duì)開關(guān)電源的EMI干擾具有一定的改善作用。
EMC（Electromagnetic Compatibility）是電磁兼容，它包括EMI（電磁騷擾）和EMS（電磁抗騷擾）。EMC定義為：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何設(shè)備的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。EMC整的稱呼為電磁兼容。EMP是指電磁脈沖。
EMC ＝ EMI ＋ EMS EMI：電磁干擾 EMS：電磁相容性 （**力）
EMI可分為傳導(dǎo)Conduction及輻射Radiation兩部分，
Conduction規(guī)范一般可分為： FCC Part 15J Class B；CISPR 22（EN55022， EN61000－3－2， EN61000－3－3） Class B；
國標(biāo)IT類（GB9254，GB17625）和AV類（GB13837，GB17625）。
FCC測(cè)試頻率在450K－30MHz，CISPR 22測(cè)試頻率在150K－－30MHz，Conduction可以用頻譜分析儀測(cè)試，Radiation則必須到專門的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。
EMI為電磁干擾，EMI是EMC其中的一部分，EMI（Electronic Magnetic Interference） 電磁干擾， EMI包括傳導(dǎo)、輻射、電流諧波、電壓閃爍等等。電磁干擾是由干擾源、藕合通道和接收器三部分構(gòu)成的，通常稱作干擾的三要素。 EMI線性正比于電流，電流回路面積以及頻率的平方即：EMI ＝ K＊I＊S＊F2。I是電流，S是回路面積，F(xiàn)是頻率，K是與電路板材料和其他因素有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。
輻射干擾（30MHz—1GHz）是通過空間并以電磁波的特性和規(guī)律傳播的。但不是任何裝置都能輻射電磁波的。
傳導(dǎo)干擾（150K－－30MHz）是沿著導(dǎo)體傳播的干擾。所以傳導(dǎo)干擾的傳播要求在干擾源和接收器之間有一完整的電路連接。
EMI是指產(chǎn)品的對(duì)外電磁干擾。一般情況下分為Class A ＆ Class B 兩個(gè)等級(jí)。 Class A為工業(yè)等級(jí)，Class B為民用等級(jí)。民用的要比工業(yè)的嚴(yán)格，因?yàn)楣I(yè)用的允許輻射稍微大一點(diǎn)。同樣產(chǎn)品在測(cè)試EMI中的輻射測(cè)試來講，在30－230MHz下，B類要求產(chǎn)品的輻射限值不能超過40dBm 而A類要求不能超過50dBm（以三米法電波暗室測(cè)量為例）相對(duì)要寬松的多，一般來說CLASSA是指在EMI測(cè)試條件下，無需操作人員介入，設(shè)備能按預(yù)期持續(xù)正常工作，不允許出現(xiàn)低于規(guī)定的性能等級(jí)的性能降低或功能損失。
EMI是設(shè)備正常工作時(shí)測(cè)它的輻射和傳導(dǎo)。在測(cè)試的時(shí)候，EMI的輻射和傳導(dǎo)在接收機(jī)上有兩個(gè)上限，分別代表Class A和Class B，如果觀察的波形超過B的線但是低于A的線，那么產(chǎn)品就是A類的。EMS是用測(cè)試設(shè)備對(duì)產(chǎn)品干擾，觀察產(chǎn)品在干擾下能否正常工作，如果正常工作或不出現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能下降，為A級(jí)。能自動(dòng)重啟且重啟后不出現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能下降，為B級(jí)。不能自動(dòng)重啟需人為重啟為C級(jí)，掛掉為D級(jí)。國標(biāo)有D級(jí)的規(guī)定，EN只有A，B，C。EMI在工作頻率的奇數(shù)倍是*不好過的。
EMS（Electmmagnetic Suseeptibilkr） 電磁敏感度一般俗稱為“電磁**力”，是設(shè)備抗外界騷擾干擾之能力，EMI是設(shè)備對(duì)外的騷擾。
EMS中的等級(jí)是指：Class A，測(cè)試完成后設(shè)備仍在正常工作；Class B，測(cè)試完成或測(cè)試中需要重啟后可以正常工作；Class C，需要人為調(diào)整后可以正常重啟并正常工作；Class D，設(shè)備已損壞，無論怎樣調(diào)整也無法啟動(dòng)。嚴(yán)格程度EMI是B ＞ A，EMS是A ＞ B ＞ C ＞ D。
EMI電路：
X電容的作用：
抑制差模雜訊，電容量越大，抑制低頻雜訊效果越好。
Y電容的作用：
抑制共模雜訊，電容量越大，抑制低頻雜訊效果越好。Y電容使次級(jí)到初級(jí)地線提供一個(gè)低阻抗回路，使流向地再通過LISN回來的電流直接短路掉，由于Y電容非完全理想，次級(jí)各部分間也存在阻抗，所以不可能全部回來。還是有一部分流到地。Y電容必須直接用盡量短的直線連接到初級(jí)和次級(jí)的冷地， 如果開通時(shí)MOS的dv／dt大于關(guān)斷時(shí)的dv／dt， 則Y電容連接到初級(jí)的地； 反之連接到V＋。
共模電感的作用：
抑制共模雜訊，電感量越大，抑制低頻雜訊效果越好。增加共模電流部分的阻抗，減小共模電流。
差模電感的作用：
抑制差模雜訊，電感量越大，抑制低頻雜訊效果越好。
開關(guān)電源設(shè)計(jì)前的一般應(yīng)對(duì)策略
采用交流輸入EMI濾波器
通常干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)有兩種方式：共模方式和差模方式。共模干擾是載流體與大地之間的干擾：干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線 對(duì)大地間，主要是由du／dt產(chǎn)生的，di／dt也產(chǎn)生一定的共模干擾。而差模干擾是載流體之間的干擾：干擾大小相等、方向相反，存在于電源相線與中線及 相線與相線之間。干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)既可以共模方式出現(xiàn)，也可以差模方式出現(xiàn)；但共模干擾電流只有變成差模干擾電流后，才能對(duì)有用信號(hào)構(gòu)成干擾。
交流電源輸人線上存在以上兩種干擾，通常為低頻段差模干擾和高頻段共模干擾。在一般情況下差模干擾幅度小、頻率低、造成的干擾??；共模干擾幅度大、頻率高， 還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，造成的干擾較大。若在交流電源輸人端采用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器，則可有效地抑制電磁干擾。電源線EMI濾波器基本原理如圖1所示， 其中差模電容C1、C2用來短路差模干擾電流，而中間連線接地電容C3、C4則用來短路共模干擾電流。共模扼流圈是由兩股等粗并且按同方向繞制在一個(gè)磁芯 上的線圈組成。如果兩個(gè)線圈之間的磁藕合非常緊密，那么漏感就會(huì)很小，在電源線頻率范圍內(nèi)差模電抗將會(huì)變得很?。划?dāng)負(fù)載電流流過共模扼流圈時(shí)，串聯(lián)在相線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線和串聯(lián)在中線上線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反，它們?cè)诖判局邢嗷サ窒?因此即使在大負(fù)載電流的情況下，磁芯也不會(huì)飽和。而對(duì)于共模干擾電流，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，會(huì)呈現(xiàn)較大電感，從而起到衰減共模干擾信號(hào)的作用。 這里共模扼流圈要采用導(dǎo)磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料。
圖1 電源線濾波器基本電路圖
利用吸收回路改善開關(guān)波形
開關(guān)管或 二極管在開通和關(guān)斷過程中，由于存在變壓器漏感和線路電感，二極管存儲(chǔ)電容和分布電容，容易在開關(guān)管集電極、發(fā)射極兩端和二極管上產(chǎn)生尖峰電壓。通常情況下采用RC／RCD吸收回路，RCD浪涌電壓吸收回路如圖2所示。
圖2 RCD浪涌電壓吸收回路
當(dāng)吸收回路上的電壓超過一定幅度時(shí)，各器件迅速導(dǎo)通，從而將浪涌能量泄放掉，同時(shí)將浪涌電壓限制在一定的幅度。在開關(guān)管集電極和輸出二極管的正極引線上串接 可飽和磁芯線圈或微晶磁珠，材質(zhì)一般為鈷（Co），當(dāng)通過正常電流時(shí)磁芯飽和，電感量很小。一旦電流要反向流過時(shí)，它將產(chǎn)生很大的反電勢(shì)，這樣就能有效地 抑制二極管VD的反向浪涌電流。
利用開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)
頻率控制技術(shù)是基于開關(guān)干擾的能量主要集中在特定的頻率上，并具有較大的頻譜峰值。如果能將這些能量分散在較寬的頻帶上，則可以達(dá)到降低于擾頻譜峰值的目的。通常有兩種處理方法：隨機(jī)頻率法和調(diào)制頻率法。
隨機(jī)頻率法是在電路開關(guān)間隔中加人一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)分量，使開關(guān)干擾能量分散在一定范圍的頻帶中。研究表明，開關(guān)干擾頻譜由原來離散的尖峰脈沖干擾變成連續(xù)分布干擾，其峰值大大下降。
調(diào)制頻率法是在鋸齒波中加人調(diào)制波（白噪聲），在產(chǎn)生干擾的離散頻段周圍形成邊頻帶，將干擾的離散頻帶調(diào)制展開成一個(gè)分布頻帶。這樣，干擾能量就分散到這些分布頻段上。在不影響變換器工作特性的情況下，這種控制方法可以很好地抑制開通、關(guān)斷時(shí)的干擾。
采用軟開關(guān)技術(shù)
開關(guān)電源的干擾之一是來自功率開關(guān)管通／斷時(shí)的du／dt，因此，減小功率開關(guān)管通／斷的du／dt是抑制開關(guān)電源干擾的一項(xiàng)重要措施。而軟開關(guān)技術(shù)可以減小開關(guān)管通／斷的du／dt。
如果在開關(guān)電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)很小的電感、電容等諧振元件就構(gòu)成輔助網(wǎng)絡(luò)。在開關(guān)過程前后引人諧振過程，使開關(guān)開通前電壓先降為零，這樣就可以消除開通過程中電壓、電流重疊的現(xiàn)象，降低、甚至消除開關(guān)損耗和干擾，這種電路稱為軟開關(guān)電路。
根據(jù)上述原理可以采用兩種方法，即在開關(guān)關(guān)斷前使其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗和干擾，這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷；或在開關(guān)開通前使其電壓為 零，則開關(guān)開通時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生損耗和干擾，這種開通方式稱為零電壓開通。在很多情況下，不再指出開通或關(guān)斷，僅稱零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)，基本電路如圖3和 圖4所示。
圖3 零電壓開關(guān)諧振電路
圖4 零電流開關(guān)諧振電路
通常采用軟開關(guān)電路控制技術(shù)，結(jié)合合理的元器件布局及印制電路板布線、接地技術(shù)，對(duì)開關(guān)電源的EMI干擾具有一定的改善作用。
