《電子技術(shù)應(yīng)用》
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開(kāi)關(guān)電源EMC必須掌握的幾個(gè)概念
摘要: 電磁干擾傳輸有兩種方式:一種是傳導(dǎo)傳輸方式,,另一種則是輻射傳輸方式,。傳導(dǎo)傳輸是在干擾源和敏感設(shè)備之間有完整的電路連接,干擾信號(hào)沿著連接電路傳遞到接收器而發(fā)生電磁干擾現(xiàn)象,。
Abstract:
Key words :

  1.電磁干擾" title="電磁干擾">電磁干擾的產(chǎn)生與傳輸

  電磁干擾傳輸有兩種方式:一種是傳導(dǎo)傳輸方式,,另一種則是輻射傳輸方式,。傳導(dǎo)傳輸是在干擾源和敏感設(shè)備之間有完整的電路連接,干擾信號(hào)沿著連接電路傳遞到接收器而發(fā)生電磁干擾現(xiàn)象,。

  輻射傳輸是干擾信號(hào)通過(guò)介質(zhì)以電磁波的形式向外傳播的干擾形式,。常見(jiàn)的輻射耦合有三種:1)一個(gè)天線發(fā)射的電磁波被另一個(gè)天線意外地接收,稱為天線對(duì)天線的耦合,;2)空間電磁場(chǎng)經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)而耦合,,稱為場(chǎng)對(duì)線的耦合,。3)兩根平等導(dǎo)線之間的高頻信號(hào)相互感應(yīng)而形成的耦合,稱為線對(duì)線的感應(yīng)耦合,。

  2.電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理

  從被干擾的敏感設(shè)備角度來(lái)說(shuō),,干擾耦合又可分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩類。

  ● 傳導(dǎo)耦合模型

  傳導(dǎo)耦合按其原理可分為電阻性耦合,、電容性耦合和電感性耦合三種基本耦合方式,。

  ● 輻射耦合模型

  輻射耦合是干擾耦合的另一種方式,除了從干擾源發(fā)出的有意輻射外,,還有大量的無(wú)意輻射,。同時(shí),PCB板上的走線無(wú)論是電源線,、信號(hào)線,、時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線或者控制線等,,都能起到天線的效果,,即可輻射出干擾波,又可起到接收作用,。

 

  3.電磁干擾控制技術(shù)

 

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  ● 濾波:在設(shè)計(jì)和選用濾波器時(shí)應(yīng)注意頻率特性、耐壓性能,、額定電流,、阻抗特性、屏蔽和可靠性,。濾波器的安裝正確與否對(duì)其插入損耗特性影響很大,,只有安裝位置恰當(dāng),安裝方法正確,,才能對(duì)干擾起到預(yù)期的濾波作用,。在安裝濾波器時(shí)應(yīng)考慮安裝位置,輸入輸出側(cè)的配線必須屏蔽隔離,,以及高頻接地和搭接方法,。

  ● 屏蔽:電磁屏蔽按原理可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽三種,。電場(chǎng)屏蔽包含靜電屏蔽和交變電場(chǎng)屏蔽,;磁場(chǎng)屏蔽包含低頻磁場(chǎng)屏蔽和高頻磁場(chǎng)屏蔽。不同類型的電磁屏蔽對(duì)屏蔽體的要求不同,。在實(shí)際的屏蔽中,,電磁屏蔽效能更大程度上依賴于屏蔽體的結(jié)構(gòu),即導(dǎo)電的連續(xù)性,。實(shí)際的屏蔽體由于制造,、裝配,、維修,、散熱,、觀察及接口連接要求,其上面一般都開(kāi)有形狀各異,、尺寸不同的孔縫,,這些孔縫對(duì)于屏蔽體的屏蔽效能起著重要的影響作用,因此必須采取措施來(lái)抑制孔縫的電磁泄漏,。

  ● 接地:接地有安全接地和信號(hào)接地兩種,。同時(shí),接地也會(huì)引入接地阻抗及地回路干擾,。接地技術(shù)包括接地點(diǎn)的選擇,、電路組合、接地的設(shè)計(jì)和抑制接地干擾措施的合理應(yīng)用等,。

  ● 搭接:搭接是指導(dǎo)體間低阻抗連接,,只有良好的搭接才能使電路完成其設(shè)計(jì)功能,使干擾的各種抑制措施得以發(fā)揮作用,。搭接方法可分為永久性搭接和半永久性搭接兩種,,而搭接類型分為直接搭接和間接搭接。

  ● 布線:布線是印刷電路板電磁兼容性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,,應(yīng)選擇合理的導(dǎo)線寬度,,采取正確的布線策略,如加粗地線,,將地線閉合成環(huán)路,,減少導(dǎo)線不連續(xù)性,采用多層板等,。

 ?、诳臻g分離

  空間分離是抑制空間輻射騷擾和感應(yīng)耦合騷擾的有效方法,通過(guò)加大騷擾源和接受器敏感設(shè)備之間的空間距離,,使騷擾電磁場(chǎng)到達(dá)敏感設(shè)備時(shí)的強(qiáng)度已衰減到低于接受設(shè)備敏感度門限,,從而達(dá)到抑制電磁干擾的目的。由電磁場(chǎng)理論可知,,場(chǎng)強(qiáng)在近區(qū)感應(yīng)場(chǎng)中以1/r3的方式衰減,,遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)分布按1/r方式減小。因此,,為了滿足系統(tǒng)的電磁兼容性要求,,盡量將組成系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備間的空間距離增大。在設(shè)備、系統(tǒng)布線中,限制平行線纜的最小間距,,以減少串?dāng)_,。在PCB設(shè)計(jì)中,,規(guī)定引線條間的最小間隔,。另外,,空間分離也包括在空間有限的情況下,,對(duì)騷擾源輻射方向的方位調(diào)整,、騷擾源電場(chǎng)矢量與磁場(chǎng)矢量的空間取向的控制,。

  ③時(shí)間分離

  當(dāng)騷擾源非常強(qiáng),,不易采用其他方法可靠抑制時(shí),,通常采用時(shí)間分隔的方法,使有用信號(hào)在騷擾信號(hào)停止發(fā)射的時(shí)間內(nèi)傳輸,,或者當(dāng)強(qiáng)騷擾信號(hào)發(fā)射時(shí),,使易受騷擾的敏感設(shè)備短時(shí)關(guān)閉,以避免遭受損害,。時(shí)間分隔控制有兩種形式,,一種是主動(dòng)時(shí)間分隔,適用于有用信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間與干擾信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間有確定先后關(guān)系的情況,;另一種是被動(dòng)時(shí)間分隔,,按照干擾信號(hào)與有用信號(hào)出現(xiàn)的特征使其中某一信號(hào)迅速關(guān)閉,從而達(dá)到時(shí)間上不重合,、不覆蓋的控制要求,。

  ④頻譜管理

  頻譜的規(guī)劃劃分是把各頻段劃分給各種無(wú)線電業(yè)務(wù),,為特定用戶制定頻段,。制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是防止干擾以及在某些情況下確保通信系統(tǒng)達(dá)到所需通信性能的基礎(chǔ)。這包括無(wú)線電設(shè)備的核準(zhǔn)程序,,無(wú)線電發(fā)射機(jī),、接收機(jī)和其他設(shè)備型號(hào)核準(zhǔn)所要求的最低性能標(biāo)準(zhǔn)文件。

 ?、蓦姎飧綦x

  電氣隔離是避免電路中傳導(dǎo)干擾的可靠方法,,同時(shí)還能使有用信號(hào)正常耦合傳輸。常見(jiàn)的電氣隔離耦合形式有機(jī)械耦合,、電磁耦合,、光電耦合等。DC/DC變換器是一種應(yīng)用廣泛的電器隔離器件,,它將一種直流電壓變換成另一種直流電壓,,為了防止多個(gè)設(shè)備共用一個(gè)電源引起共電源內(nèi)阻干擾,應(yīng)用DC/DC變換器單獨(dú)對(duì)各路供電,,以保證電路不受電源中的信號(hào)干擾,。

 

  一,、開(kāi)關(guān)電源" title="開(kāi)關(guān)電源">開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生干擾的原因

 

  開(kāi)關(guān)電源首先將工頻交流整流為直流,再逆變?yōu)楦哳l,,最后經(jīng)過(guò)整流濾波電路輸出,,得到穩(wěn)定的直流電壓,因此自身含有大量的諧波干擾,。同時(shí),,由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰,,都形成了潛在的電磁干擾,。開(kāi)關(guān)電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大的元器件上,,突出表現(xiàn)在開(kāi)關(guān)管,、二極管、高頻變壓器等上,。

 ?、匍_(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾

  開(kāi)關(guān)電路是開(kāi)關(guān)電源的主要干擾源之一。開(kāi)關(guān)電路是開(kāi)關(guān)電源的核心,,主要由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成,。它產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富,。這種脈沖干擾產(chǎn)生的主要原因是:開(kāi)關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈,,是感性負(fù)載。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間,,初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流,,并在初級(jí)線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)瞬間,,由于初級(jí)線圈的漏磁通,,致使一部分能量沒(méi)有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈,儲(chǔ)藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容,、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,,疊加在關(guān)斷電壓上,形成關(guān)斷電壓尖峰,。電源電壓中斷會(huì)產(chǎn)生與初級(jí)線圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變,,這種瞬變是一種傳導(dǎo)型電磁干擾,既影響變壓器初級(jí),,還會(huì)使傳導(dǎo)干擾返回配電系統(tǒng),,造成電網(wǎng)諧波電磁干擾,從而影響其他設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,。

 ?、?a class="cblue" href="http://forexkbc.com/search/?q=整流電路" title="整流電路">整流電路產(chǎn)生的電磁干擾

  整流電路中,,在輸出整流二極管截止時(shí)有一個(gè)反向電流,它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān),。其中,,能將反向電流迅速恢復(fù)到零的二極管稱為硬恢復(fù)特性二極管,這種二極管在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾,,其頻率可達(dá)幾十MHz,。高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過(guò),在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí),,由于PN結(jié)中有較多的載流子積累,,因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里,電流會(huì)反向流動(dòng),,致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt),。

  ③高頻變壓器

  高頻變壓器的初級(jí)線圈,、開(kāi)關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射,,形成輻射干擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好,,電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)干擾,。需要注意的是,在二極管整流電路產(chǎn)生的電磁干擾中,,整流二極管反向恢復(fù)電流的di/dt遠(yuǎn)比續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流的di/dt大得多,。作為電磁干擾源來(lái)研究,整流二極管反向恢復(fù)電流形成的干擾強(qiáng)度大,、頻帶寬,。但是,整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠(yuǎn)小于功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓跳變,。因此,,也可不計(jì)整流二極管產(chǎn)生的│dv/dt│影響,把整流電路當(dāng)成電磁干擾耦合通道的一部分來(lái)研究,。

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  開(kāi)關(guān)電源工作在高頻狀態(tài),因而其分布電容不可忽略,。一方面,,散熱片與開(kāi)關(guān)管集電極間的絕緣片接觸面積較大,且絕緣片較薄,,因此兩者間的分布電容在高頻時(shí)不能忽略,。高頻電流會(huì)通過(guò)分布電容流到散熱片上,再流到機(jī)殼地,產(chǎn)生共模干擾,;另一方面,,脈沖變壓器的初次級(jí)之間存在著分布電容,可將原邊電壓直接耦合到副邊上,,在副邊作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生共模干擾,。

  ⑤雜散參數(shù)影響耦合通道的特性

  在傳導(dǎo)干擾頻段(<30MHz),多數(shù)開(kāi)關(guān)電源干擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述的,。但是,,開(kāi)關(guān)電源中的任何一個(gè)實(shí)際元器件,如電阻,、電容,、電感乃至開(kāi)關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù),,且研究的頻帶愈寬,,等值電路的階次愈高。因此,,包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開(kāi)關(guān)電源的等效電路將復(fù)雜得多。在高頻時(shí),,雜散參數(shù)對(duì)耦合通道的特性影響很大,,分布電容的存在成為電磁干擾的通道。另外,,在開(kāi)關(guān)管功率較大時(shí),,集電極一般都需加上散熱片,散熱片與開(kāi)關(guān)管之間的分布電容在高頻時(shí)不能忽略,,它能形成面向空間的輻射干擾和電源線傳導(dǎo)的共模干擾,。

  二、開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的控制技術(shù)

  要解決開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾問(wèn)題,,可從3個(gè)方面入手:1)減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào),;2)切斷干擾信號(hào)的傳播途徑;3)增強(qiáng)受干擾體的抗干擾能力,。因此,,開(kāi)關(guān)電源電磁電磁干擾要控制技術(shù)主要有:電路措施、EMI濾波,、元器件選擇,、屏蔽和印制電路板抗干擾設(shè)計(jì)等。

 ?、贉p少開(kāi)關(guān)電源本身的干擾

  ● 軟開(kāi)關(guān)技術(shù):在原有的硬開(kāi)關(guān)電路中增加電感和電容元件,,利用電感和電容的諧振,降低開(kāi)關(guān)過(guò)程中的du/dt和di/dt,,使開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通時(shí)電壓的下降先于電流的上升,,或關(guān)斷時(shí)電流的下降先于電壓的上升,,來(lái)消除電壓和電流的重疊。

  ● 開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制技術(shù):通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)頻率fc,,把集中在fc及其諧波2fc,、3fc…上的能量分散到它們周圍的頻帶上,以降低各個(gè)頻點(diǎn)上的EMI幅值,。該方法不能降低干擾總量,,但能量被分散到頻點(diǎn)的基帶上,從而使各個(gè)頻點(diǎn)都不超過(guò)EMI規(guī)定的限值,。為了達(dá)到降低噪聲頻譜峰值的目的,,通常有兩種處理方法:隨機(jī)頻率法和調(diào)制頻率法。

  ● 共模干擾的有源抑制技術(shù):設(shè)法從主回路中取出一個(gè)與導(dǎo)致電磁干擾的主要開(kāi)關(guān)電壓波形完全反相的補(bǔ)償EMI噪聲電壓,,并用它去平衡原開(kāi)關(guān)電壓,。

  ● 減小電磁干擾的緩沖電路:其由線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)組成,作用是消除在供電電力線內(nèi)潛在的干擾,,包括電力線干擾,、電快速瞬變,電涌,,電壓高低變化和電力線諧波等,。這些干擾對(duì)一般穩(wěn)壓電源來(lái)說(shuō),影響不是很大,,但對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源的影響顯著,。

  ● 濾波:EMI濾波器的主要目的之一,就是要在150kHz~30MHz的頻段范圍獲得較高的插入損耗,,但對(duì)頻率為50Hz工頻信號(hào)不產(chǎn)生衰減,,使額定電壓、電流順利通過(guò),,同時(shí)還必須滿足一定的尺寸要求,。任何電源線上的傳導(dǎo)干擾信號(hào),均可用差模和共模信號(hào)來(lái)表示,。在一般情況下,,差模干擾幅度小,頻率低,,所造成的干擾較?。还材8蓴_幅度大,,頻率高,,還可以通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生輻射,所造成的干擾較大。因此,,欲削弱傳導(dǎo)干擾,,把EMI信號(hào)控制在有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限電平以下,最有效的方法就是在開(kāi)關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝電磁干擾濾波器,。

  ● PCB設(shè)計(jì):PCB抗干擾設(shè)計(jì)主要包括PCB布局,、布線及接地,其目的是減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串?dāng)_,。開(kāi)關(guān)電源布局的最佳方法與其電氣設(shè)計(jì)類似,。在確定PCB的尺寸形狀后,再確定特殊元器件(如各種發(fā)生器,、晶振等)的位置,。最后,根據(jù)電路的功能單元,,對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局,。

  ● 元器件的選擇:選擇不易產(chǎn)生噪聲、不易傳導(dǎo)和輻射噪聲的元器件,。通常特別值得注意的是,,二極管和變壓器等繞組類元器件的選用。反向恢復(fù)電流小,、恢復(fù)時(shí)間短的快速恢復(fù)二極管是開(kāi)關(guān)電源高頻整流部分的理想器件,。

  ②切斷干擾信號(hào)的傳播途徑—共模,、差模電源線濾波器設(shè)計(jì)

  電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除。一個(gè)合理有效的開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對(duì)電源線上差模和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用,。

  ③增強(qiáng)敏感電路的抗干擾能力

  這主要包括屏蔽和接地兩種方式,。

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