開關(guān)電源的電磁兼容性技術(shù)及解決方法

1  導(dǎo)言
    電磁兼容是一門新式的跨學(xué)科的綜合性運(yùn)用學(xué)科。作為邊緣技能,它以電氣和無(wú)線電技能的基本理論為根底,并觸及很多新的技能范疇,如微波技能、微電子技能、計(jì)算機(jī)技能、通訊和網(wǎng)絡(luò)技能以及新資料等。電磁兼容技能運(yùn)用的規(guī)模很廣,簡(jiǎn)直一切現(xiàn)代化工業(yè)范疇,如電力、通訊、交通、航天、軍工、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療等都有必要處理電磁兼容問(wèn)題。其研討的熱門內(nèi)容主要有:電磁攪擾源的特性及其傳輸特性、電磁攪擾的危害效應(yīng)、電磁攪擾的按捺技能、電磁頻譜的運(yùn)用和辦理、電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)、電磁兼容性的丈量與實(shí)驗(yàn)技能、電磁走漏與靜電放電等。
    電磁兼容的英文名稱為Electromagnetic Compatibility,簡(jiǎn)稱EMC。所謂電磁兼容是指設(shè)備(分體系、體系)在一同的電磁環(huán)境中能一同執(zhí)行各自功用的共存狀況。這里包括兩層意思,即它作業(yè)中發(fā)生的電磁輻射要約束在必定水平內(nèi),別的它自身要有必定的抗攪擾才能。這便是設(shè)備研發(fā)中一切必要處理的兼容問(wèn)題。電磁兼容技能觸及的頻率規(guī)模寬達(dá)0 GHz ~400GHz,研討目標(biāo)除傳統(tǒng)設(shè)備外,還觸及芯片級(jí),直到各種艦船、航天飛機(jī)、洲際導(dǎo)彈乃至整個(gè)地球的電磁環(huán)境。
電磁兼容三要素是攪擾源(打擾源)、耦合通路和靈敏體。堵截以上任何一項(xiàng)都可處理電磁兼容問(wèn)題,電磁兼容的處理常用的辦法主要有屏蔽、接地和濾波。
2  電磁兼容技能名詞
(1)電磁兼容性
    電磁兼容性是指設(shè)備或許體系在其電磁環(huán)境中能正常作業(yè),且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能接受的電磁打擾的才能。
(2)電磁打擾
    電磁打擾是指任何也許引起設(shè)備、配備或體系功能下降或許對(duì)有生命或許無(wú)生命物質(zhì)發(fā)生危害效果的電磁景象。電磁打擾可引起設(shè)備、傳輸通道或體系功能的下降。它的主要要素有天然和人為的打擾源、經(jīng)過(guò)公共地線阻抗/內(nèi)阻的耦合、沿電源線傳導(dǎo)的電磁打擾和輻射攪擾等。電子體系受攪擾的路徑為:經(jīng)過(guò)電源,經(jīng)過(guò)信號(hào)線或操控電纜、場(chǎng)浸透,經(jīng)過(guò)天線直接進(jìn)入;經(jīng)過(guò)電纜耦合,從別的設(shè)備來(lái)的傳導(dǎo)攪擾;電子體系內(nèi)部場(chǎng)耦合;別的設(shè)備的輻射攪擾;電子設(shè)備外部耦合到內(nèi)部場(chǎng);寬帶發(fā)射機(jī)天線體系;外部環(huán)境場(chǎng)等。
(3)電磁環(huán)境
    電磁環(huán)境是一種明顯不傳送信息的時(shí)變電磁景象,它也許與有用信號(hào)疊加或組合。
(4)電磁輻射
    電磁輻射是指電磁波由源發(fā)射到空間的景象!半姶泡椛洹币辉~的意義有時(shí)也可引申,將電磁感應(yīng)景象也包括在內(nèi)。RFI/EMI能夠經(jīng)過(guò)任何一種設(shè)備機(jī)殼的開口、通風(fēng)孔、出入口、電纜、丈量孔、門框、艙蓋、抽屜和面板以及機(jī)殼的非抱負(fù)銜接面等進(jìn)行輻射。RFI/EMI也可由進(jìn)入靈敏設(shè)備的導(dǎo)線和電纜進(jìn)行輻射,任何一個(gè)杰出的電磁能量輻射器也能夠作為杰出的接收器。
(5)脈沖
    脈沖是指在短時(shí)間內(nèi)驟變,隨后又敏捷回來(lái)至其初始值的物理量。
(6)共模攪擾和差模攪擾
    電源線上的攪擾有共模攪擾和差模攪擾兩種辦法。共模攪擾存在于電源任何一相對(duì)大地或電線對(duì)大地之間。共模攪擾有時(shí)也稱縱模攪擾、不對(duì)稱攪擾或接地?cái)嚁_。這是載流導(dǎo)體與大地之間的攪擾。差模攪擾存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模攪擾也稱常模攪擾、橫模攪擾或?qū)ΨQ攪擾。這是載流導(dǎo)體之間的攪擾。共模攪擾提示了攪擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的,而差模攪擾則提示了攪擾是源于同一條電源電路。通常這兩種攪擾是一同存在的,由于線路阻抗的不平衡,兩種攪擾在傳輸中還會(huì)彼此轉(zhuǎn)化,所以狀況十分雜亂。攪擾經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后,差模重量的衰減要比共模大,這是由于線間阻抗與線-地阻抗不一樣的原因。出于同一原因,共模攪擾在線路傳輸中還會(huì)向鄰近空間輻射,而差模則不會(huì),因而共模攪擾比差模更簡(jiǎn)單造成電磁攪擾。不一樣的攪擾辦法要采取不一樣的攪擾按捺辦法才有用。判斷攪擾辦法的簡(jiǎn)便辦法是選用電流探頭。電流探頭先獨(dú)自盤繞每根導(dǎo)線,得出單根導(dǎo)線的感應(yīng)值,然后再盤繞兩根導(dǎo)線(其間一根是地線),勘探其感應(yīng)狀況。如感應(yīng)值是添加的,則線路中攪擾電流是共模的;反之則是差模的。
(7)抗擾度電平緩靈敏性電平
    抗擾度電平是指將某給定的電磁打擾施加于某一設(shè)備、設(shè)備或許體系并使其依然能夠正常作業(yè)且保持所需功能等級(jí)時(shí)的最大打擾電平。也就是說(shuō),超過(guò)此電平時(shí)該設(shè)備、設(shè)備或許體系就會(huì)呈現(xiàn)功能下降。而靈敏性電平是指剛剛開始呈現(xiàn)功能下降的電平。所以,對(duì)某一設(shè)備、設(shè)備或許體系而言,抗擾度電平與靈敏性電平是同一數(shù)值。
(8)抗擾度裕量
    抗擾度裕量是指配備、設(shè)備或許體系的抗擾度電平限值與電磁兼容電平之間的插值。
開關(guān)電源的電磁兼容性
    開關(guān)電源因作業(yè)在高電壓大電流的開關(guān)作業(yè)狀況下,引起電磁兼容性問(wèn)題的原因是恰當(dāng)雜亂的。從整機(jī)的電磁性講,主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合及電磁波耦合幾種。共阻耦合主要是打擾源與受打擾體在電氣上存在的一同阻抗,經(jīng)過(guò)該阻抗使打擾信號(hào)進(jìn)入受打擾體。線間耦合主要是發(fā)生打擾電壓及打擾電流的導(dǎo)線或PCB線因并行布線而發(fā)生的彼此耦合。電場(chǎng)耦合主要是由于電位差的存在,發(fā)生感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)受打擾體發(fā)生的場(chǎng)耦合。磁場(chǎng)耦合主要是指在大電流的脈沖電源線附近,發(fā)生的低頻磁場(chǎng)對(duì)打擾目標(biāo)發(fā)生的耦合。電磁場(chǎng)耦合主要是由于脈動(dòng)的電壓或電流發(fā)生的高頻電磁波經(jīng)過(guò)空間向外輻射,對(duì)相應(yīng)的受打擾體發(fā)生的耦合。實(shí)際上,每一種耦合辦法是不能嚴(yán)格區(qū)別的,僅僅側(cè)重點(diǎn)不一樣罷了。
    在開關(guān)電源中,主功率開關(guān)管在很高的電壓下,以高頻開關(guān)辦法作業(yè),開關(guān)電壓及開關(guān)電流均挨近方波,從頻譜剖析知,方波信號(hào)富含豐厚的高次諧波。該高次諧波的頻譜可達(dá)方波頻率的1000次以上。一同,由于電源變壓器的漏電感及分布電容以及主功率開關(guān)器材的作業(yè)狀況非抱負(fù),在高頻開或關(guān)時(shí),常常發(fā)生高頻高壓的尖峰諧波震動(dòng)。該諧波震動(dòng)發(fā)生的高次諧波,經(jīng)過(guò)開關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或經(jīng)過(guò)散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續(xù)流的開關(guān)二極管,也是發(fā)生高頻打擾的一個(gè)主要原因。因整流及續(xù)流二極管作業(yè)在高頻開關(guān)狀況,二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響,使之作業(yè)在很高的電壓及電流改變率下,且發(fā)生高頻震動(dòng)。整流及續(xù)流二極管通常離電源輸出線較近,其發(fā)生的高頻打擾最簡(jiǎn)單經(jīng)過(guò)直流輸出線傳出。開關(guān)電源為了進(jìn)步功率因數(shù),均選用了有源功率因數(shù)校對(duì)電路。一同,為了進(jìn)步電路的功率及可靠性,削減功率器材的電應(yīng)力,很多選用了軟開關(guān)技能。其間零電壓、零電流或零電壓/零電流開關(guān)技能運(yùn)用最為廣泛。該技能極大的下降了開關(guān)器材所發(fā)生的電磁打擾?墒,軟開關(guān)無(wú)損吸收電路大都運(yùn)用L、C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移,運(yùn)用二極管的單向?qū)щ姽δ芡瓿赡芰康膯蜗蜣D(zhuǎn)換,因而,該諧振電路中的二極管變成電磁打擾的一大打擾源。
    開關(guān)電源通常運(yùn)用儲(chǔ)能電感及電容器構(gòu)成L、C濾波電路,完成對(duì)差模及共模打擾信號(hào)的濾波。由于電感線圈的分布電容,致使了電感線圈的自諧振頻率下降,從而使很多的高頻打擾信號(hào)穿過(guò)電感線圈,沿溝通電源線或直流輸出線向外傳達(dá)。濾波電容器跟著打擾信號(hào)頻率的上升,引線電感的效果致使電容量及濾波效果不斷的下降,乃至致使電容器參數(shù)改變,也是發(fā)生電磁打擾的一個(gè)原因。
4  電磁兼容性的處理辦法
  從電磁兼容的三要素講,要處理開關(guān)電源的電磁兼容性問(wèn)題,可從三個(gè)方面下手:第一,減小打擾源發(fā)生的打擾信號(hào);第二,堵截打擾信號(hào)的傳達(dá)路徑;第三,增強(qiáng)受打擾體的抗打擾才能。在處理開關(guān)電源內(nèi)部的兼容性時(shí),能夠綜合運(yùn)用上述三個(gè)辦法,以本錢效益等到施行的難易性為前提。因而,開關(guān)電源發(fā)生的對(duì)外打擾,如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)打擾、電磁場(chǎng)輻射打擾等只能用減小打擾源的辦法來(lái)處理。一方面,能夠增強(qiáng)輸入/輸出濾波電路的規(guī)劃,改進(jìn)APFC電路的功能,減小開關(guān)管及整流、續(xù)流二極管的電壓、電流改變率,選用各種軟開關(guān)電路拓?fù)浼安倏剞k法等;另一方面,加強(qiáng)機(jī)殼的屏蔽效果,改進(jìn)機(jī)殼的縫隙走漏,并進(jìn)行杰出的接地處理。而對(duì)外部的抗打擾才能(如浪涌、雷擊)應(yīng)優(yōu)化溝通電輸入及直流輸出端口的防雷才能。通常,對(duì)1.2/50µs開路電壓及8/20µs短路電流的組合雷擊波形,因能量較小,通常選用氧化鋅壓敏電阻與氣體方電管等的組合辦法來(lái)處理。關(guān)于靜電放電,通常在通訊端口及操控端口的小信號(hào)電路中,選用TVS管及相應(yīng)的接地維護(hù)、加巨細(xì)信號(hào)電路與機(jī)殼等的電距離來(lái)處理或選用具有抗靜電打擾的器材。迅速瞬變信號(hào)富含很寬的頻譜,很簡(jiǎn)單以共模的辦法傳入操控電路內(nèi),選用與防靜電一樣的辦法并減小共模電感的分布電容、加強(qiáng)輸入電路的共模信號(hào)濾波(加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等)來(lái)進(jìn)步體系的抗擾功能。
    減小開關(guān)電源的內(nèi)部打擾,完成其自身的電磁兼容性,進(jìn)步開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性,應(yīng)從以下幾個(gè)方面下手:①留意數(shù)字電路與模塊電路PCB布線的準(zhǔn)確分區(qū);②數(shù)字電路與模仿電路電源的去耦;③數(shù)字電路與模仿電路單點(diǎn)接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點(diǎn)接地以減小共阻打擾,減小地環(huán)地影響,布線時(shí)留意相鄰線間的距離及信號(hào)性質(zhì),防止發(fā)生串?dāng)_,減小輸出整流回路及續(xù)流二極管回路與支流濾波電路所圍住的面積,減小變壓器的漏電、濾波電感的分布電容,運(yùn)用諧振頻率高的濾波電容器等。
5   濾波器構(gòu)造
    濾波是一種按捺傳導(dǎo)攪擾的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,能夠按捺來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源自身的損害,也能夠按捺由開關(guān)電源發(fā)生并向電網(wǎng)反應(yīng)的攪擾。電源濾波器作為按捺電源線傳導(dǎo)攪擾的主要單元,在設(shè)備或體系的電磁兼容規(guī)劃中具有極其主要的效果。它不只能夠按捺傳輸線上的傳導(dǎo)攪擾,一同對(duì)傳輸線上的輻射發(fā)射也具有明顯的按捺效果。在濾波電路中,選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環(huán),能夠改進(jìn)電路的濾波特性。進(jìn)行恰當(dāng)?shù)囊?guī)劃或挑選合適的濾波器,并準(zhǔn)確的裝置濾波器是抗攪擾技能的主要構(gòu)成部分。在溝通電輸入端加裝的電源濾波器電路如圖1所示。圖中Ld、Cd用于按捺差模噪聲,通常取Ld為100 mH -700mH,Cd取1µF -10µF。Lc、Cc用于按捺共模噪聲,可依據(jù)實(shí)際狀況加以調(diào)整。

    一切電源濾波器都有必要接地(廠家特別闡明允許不接地的在外),由于濾波器的共模旁路電容有必要在接地時(shí)才起效果。通常的接地辦法是除了將濾波器與金屬外殼相接以外,還要用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼與設(shè)備的接地址相連。接地阻抗越低,濾波效果越好。
    濾波器盡量裝置在接近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠(yuǎn)離,防止攪擾信號(hào)從輸入端直接耦合到輸出端。
    如在電源輸出端加輸出濾波器、加裝高頻電容、加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量,則能夠按捺差模噪聲。如果把多個(gè)電容并聯(lián),則效果會(huì)非常好。
    幾種濾波器的構(gòu)成如圖2所示。在圖2(a)中,阻抗Z=1/(ωC1),高頻區(qū)域用陶瓷電容、聚酯薄膜電容并聯(lián),其濾波效果非常好。圖2(b)中,噪聲能經(jīng)過(guò)電容旁路到地線上,這種濾波器銜接時(shí)應(yīng)使接地阻抗盡量小。圖2(c)中,C1、C2對(duì)不對(duì)稱噪聲有杰出的濾波效果,C3對(duì)對(duì)稱噪聲有杰出的濾波效果,銜接時(shí)應(yīng)使電容器的引線及接地線盡量短。圖2(d)為常用的噪聲濾波電路,L1、L2對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻抗,而C1則對(duì)噪聲呈現(xiàn)低阻抗。當(dāng)L1、L2選用共模電感構(gòu)造時(shí),對(duì)對(duì)稱和非對(duì)稱噪聲都有較好的濾波效果。圖2(e)適用于共模噪聲進(jìn)行濾波,應(yīng)留意的是其接地阻抗同樣應(yīng)盡量小。

    圖3是對(duì)共模噪聲和差模噪聲都有用的濾波器電路。其間,L1、L2、C1為按捺差模噪聲回路,L3、C2、C3構(gòu)成按捺共模噪聲回路。L1、L2的鐵心應(yīng)挑選不易磁飽滿的資料及M-F特性優(yōu)秀的鐵心資料。C1運(yùn)用陶瓷電容或聚酯薄膜電容,應(yīng)有滿足的耐壓值,其容量通常取0.22µF -0.47µF。L3為共模電感,對(duì)共模噪聲具有較高的阻抗、較好的按捺效果。

6  EMI濾波器選用與裝置
    開關(guān)電源EMI濾波器中的4只電容器用了兩種不一樣的下標(biāo)“x”和“y”,不只闡明晰它們?cè)跒V波網(wǎng)絡(luò)中的效果,還表明晰它們?cè)跒V波網(wǎng)絡(luò)中的安全等級(jí)。無(wú)論是選用仍是規(guī)劃EMI濾波器,都要仔細(xì)的思考Cx和Cy的安全等級(jí)。在實(shí)際運(yùn)用中,Cx電容接在單相電源線的L和N之間,它上面除加有電源額外電壓外,還會(huì)疊加L和N之間存在的EMI信號(hào)峰值電壓。因而,要依據(jù)EMI濾波器的運(yùn)用場(chǎng)合和也許存在的EMI信號(hào)峰值,準(zhǔn)確選用合適安全等級(jí)的Cx電容器。Cy電容器是接在電源供電線L、N與金屬外殼(E)之間的,關(guān)于220V、50Hz電源,它除契合250V峰值電壓的耐壓請(qǐng)求外,還請(qǐng)求這種電容器在電氣和機(jī)械功能方面具有滿足的安全裕量,以防止也許呈現(xiàn)的擊穿短路景象。
    EMI濾波器是具有互異性的,即把負(fù)載接在電源端仍是負(fù)載端均可。在實(shí)際運(yùn)用中,為到達(dá)有用按捺EMI信號(hào)的目的,有必要依據(jù)濾波器兩頭即將銜接的EMI信號(hào)源阻抗和負(fù)載阻抗來(lái)挑選該濾波器的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造和參數(shù)。當(dāng)EMI濾波器兩頭阻抗都處于失配狀況時(shí),即圖4中Zs≠Zin、ZL≠Zout時(shí),EMI信號(hào)會(huì)在其輸入和輸出端發(fā)生反射,添加對(duì)EMI信號(hào)的衰減。其信號(hào)的衰減A與反射Γ的關(guān)系為:A=–10Lg(1-|Γ|2)。
 

 
    在運(yùn)用開關(guān)電源濾波器時(shí),要留意濾波器在額外電流下的電源頻率。在裝置濾波器時(shí),要特別留意濾波器的輸入導(dǎo)線與輸出導(dǎo)線的距離距離,不能把它們捆在一同走線,不然EMI信號(hào)很簡(jiǎn)單從輸入線上耦合到輸出線上,這將大大下降濾波器的按捺效果。


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