??? 一個(gè)好的電子產(chǎn)品,除了產(chǎn)品自身的功能以外,,電路設(shè)計(jì)(ECD)和電磁兼容設(shè)計(jì)(EMCD)的技術(shù)水平,,對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)性能指標(biāo)起到非常關(guān)鍵的作用。本文通過(guò)舉例對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì),,介紹了一般電子產(chǎn)品中電磁干擾" title="電磁干擾">電磁干擾的解決方法,。
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2,、對(duì)振鈴電壓的抑制
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??? 由于變壓器的初級(jí)有漏感,當(dāng)電源開(kāi)關(guān)管" title="開(kāi)關(guān)管">開(kāi)關(guān)管V1由飽和導(dǎo)通到截止關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)" title="反電動(dòng)勢(shì)">反電動(dòng)勢(shì),,反電動(dòng)勢(shì)又會(huì)對(duì)變壓器初級(jí)線圈的分布電容進(jìn)行充放電,,從而產(chǎn)生阻尼振蕩,即產(chǎn)生振鈴,,如圖4所示,。變壓器初級(jí)漏感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)的電壓幅度一般都很高,其能量也很大,,如不采取保護(hù)措施,,反電動(dòng)勢(shì)一般都會(huì)把電源開(kāi)關(guān)管擊穿,同時(shí)反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的阻尼振蕩還會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射,,不但對(duì)機(jī)器本身造成嚴(yán)重干擾,,對(duì)機(jī)器周邊環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。
??? 圖2中的D1,、R2,、C6是抑制反電動(dòng)勢(shì)和振鈴電壓幅度的有效電路,當(dāng)變壓器初級(jí)漏感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)時(shí),,反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)二極管D1對(duì)電容器C6進(jìn)行充電,,相當(dāng)于電容器把反電動(dòng)勢(shì)的能量吸收掉,從而降低了反電動(dòng)勢(shì)和振鈴電壓的幅度,。電容器C6充滿電后,,又會(huì)通過(guò)R2放電,正確選擇RC放電的時(shí)間常數(shù),,使電容器在下次充電時(shí)的剩余電壓剛好等于方波電壓的幅度,,此時(shí)電源的工作效率最高。
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3,、對(duì)傳導(dǎo)干擾信號(hào)" title="干擾信號(hào)">干擾信號(hào)的抑制
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??? 圖1中,,當(dāng)電源開(kāi)關(guān)管V1導(dǎo)通或者關(guān)斷時(shí),在電容器C5,、變壓器T1的初級(jí)和電源開(kāi)關(guān)管V1組成的電路中會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)直流i1,,如果把此電流回路" title="電流回路">電流回路看成是一個(gè)“變壓器”的“初級(jí)線圈”,由于電流i1的變化速率很高,,它在“初級(jí)線圈”中產(chǎn)生的電磁感應(yīng),,也會(huì)對(duì)周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁感應(yīng),我們可以把周?chē)娐范伎闯墒峭弧白儔浩鳌钡亩鄠€(gè)“次級(jí)線圈”,,同時(shí)變壓器T1的漏感也同樣對(duì)各個(gè)“次級(jí)線圈”產(chǎn)生感應(yīng)作用,,因此電流i1通過(guò)電磁感應(yīng),在每個(gè)“次級(jí)線圈”中都會(huì)產(chǎn)生的感應(yīng)電流,我們分別把它們記為i2,、i3,、i4 ···。
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??? 其中i2和i3是差模干擾信號(hào),,它們可以通過(guò)兩根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)的其它線路之中和干擾其它電子設(shè)備,;i4是共模干擾信號(hào),它是電流i1回路通過(guò)電磁感應(yīng)其它電路與大地或機(jī)殼組成的回路產(chǎn)生的,,并且其它電路與大地或機(jī)殼是通過(guò)電容耦合構(gòu)成回路的,,共模干擾信號(hào)可以通過(guò)電源線與大地傳導(dǎo)到電網(wǎng)其它線路之中和干擾其它電子設(shè)備。
??? 與電源開(kāi)關(guān)管V1的集電極相連的電路,,也是產(chǎn)生共模干擾信號(hào)的主要原因,,因?yàn)樵谡麄€(gè)開(kāi)關(guān)電源電路中,數(shù)電源開(kāi)關(guān)管V1集電極的電位最高,,最高可達(dá)600V以上,,其它電路的電位都比它低,因此電源開(kāi)關(guān)管V1的集電極與其它電路(也包括電源輸入端的引線)之間存在很強(qiáng)的電場(chǎng),,在電場(chǎng)的作用下,,電路會(huì)產(chǎn)生位移電流,這個(gè)位移電流基本屬于共模干擾信號(hào),。
??? 圖2中的電容器C1,、C2和差模電感器L1對(duì)i1、i2和i3差模干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力,。由于C1,、C2在電源線拔出時(shí)還會(huì)帶電,容易觸電傷人,,所以在電源輸入的兩端要接一個(gè)放電電阻R1,。
??? 對(duì)共模干擾信號(hào)i4要進(jìn)行完全抑制,一般很困難,,特別是沒(méi)有金屬機(jī)殼屏蔽的情況下,,因?yàn)樵诟袘?yīng)產(chǎn)生共模干擾信號(hào)的回路中,,其中的一個(gè)“元器件”是線路板與大地之間的等效電容,,此“元器件”的數(shù)值一般是不穩(wěn)定的,進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)指標(biāo)要留有足夠的余量,。圖2中L2和C3,、C4是共模干擾信號(hào)抑制電路器件,在輸入功率較大的電路中,,L2一般要用兩個(gè),,甚至三個(gè),其中一個(gè)多為環(huán)形磁心電感,。
??? 根據(jù)上面分析,,產(chǎn)生電磁干擾的原因主要是i1流過(guò)的主要回路,,這個(gè)回路主要由電容器C5、變壓器T1初級(jí)和電源開(kāi)關(guān)管V1組成,,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,,這個(gè)回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:
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???? e=dψ/dt=SdB/dt (2)
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??? 式中e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),ψ為磁通量,,S電流回路的面積,,B為磁感應(yīng)密度,其值與電流強(qiáng)度成正比,,dψ/dt為磁通變化率,。由此可見(jiàn),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電流回路的面積成正比,。因此要減少電磁干擾,,首先是要設(shè)法減小電流回路的面積,特別是i1電流流過(guò)的回路面積,。另外,,為了減少變壓器漏感對(duì)周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁感應(yīng)的影響,一方面要求變壓器的漏感要做得小,,另一方面一定要在變壓器的外圍包一層薄銅皮,,以構(gòu)成一個(gè)低阻抗短路線圈,把漏感產(chǎn)生的感應(yīng)能量通過(guò)渦流損耗掉,。
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4,、對(duì)輻射干擾信號(hào)的抑制
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??? 電磁輻射干擾也是通過(guò)電磁感應(yīng)的方式,由帶電體或電流回路及磁感應(yīng)回路對(duì)外產(chǎn)生電磁輻射的,。任何一根導(dǎo)體都可以看成是一根電磁感應(yīng)天線,,任何一個(gè)電流回路都可以看成是一個(gè)環(huán)形天線,電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應(yīng)輻射的重要器件,。要想完全抑制電磁輻射是不可能的,,但通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì),或者采取部分屏蔽措施,,可以大大減輕電磁干擾的輻射,。
??? 例如,盡量縮短電路引線的長(zhǎng)度和減小電流回路的面積,,是減小電磁輻射的有效方法,;正確使用儲(chǔ)能濾波電容,把儲(chǔ)能濾波電容盡量近地安裝在有源器件電源引線的兩端,,每個(gè)有源器件獨(dú)立供電,,或單獨(dú)用一個(gè)儲(chǔ)能濾波電容供電(充滿電的電容可以看成是一個(gè)獨(dú)立電源),防止各電路中的有源器件(放大器)通過(guò)電源線和地線產(chǎn)生串?dāng)_;把電源引線的地和信號(hào)源的地嚴(yán)格分開(kāi),,或?qū)π盘?hào)引線采取雙線并行對(duì)中交叉的方法,,讓干擾信號(hào)互相抵消,也是一種減小電磁輻射的有效方法,;利用散熱片也可以對(duì)電磁干擾進(jìn)行局部屏蔽,,對(duì)信號(hào)引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法,讓信號(hào)線夾在兩條平行地線的中間,,這相當(dāng)于雙回路,,干擾信號(hào)也會(huì)互相抵消,屏蔽效果非常顯著,;機(jī)器或敏感器件采用金屬外殼是最好的屏蔽電磁干擾方法,,但非金屬外殼也可以噴涂導(dǎo)電材料(如石墨)進(jìn)行電磁干擾屏蔽。
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5,、對(duì)高壓的靜電的消除
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??? 圖1中,,如果輸出電壓高于1000V,必須考慮靜電消除,。雖然大多數(shù)的開(kāi)關(guān)電源都采取變壓器進(jìn)行“冷熱地”隔離,,由于“熱地”,也叫“初級(jí)地”,,通過(guò)電網(wǎng)可構(gòu)成回路,,當(dāng)人體接觸到“初級(jí)地”的時(shí)候會(huì)“觸電”,所以人們都把“初級(jí)地”叫做“熱地”,,表示不能觸摸的意思,。而“冷地”也叫“次級(jí)地”,盡管電壓很高,,但它與大地不構(gòu)成回路,,當(dāng)人體接觸到“次級(jí)地”的時(shí)候不會(huì)“觸電”,因此,,人們都把“次級(jí)地”叫做“冷地”,,表示可以觸摸的意思。
??? 但不管是“冷地”或者是“熱地”,,其對(duì)大地的電位差都不可能是零,,即還是會(huì)帶電。如彩色電視機(jī)中的開(kāi)關(guān)電源,,“熱地”對(duì)大地的電位差大約有400VP-P(峰峰值),,“冷地”對(duì)大地的電位差大約有1500VP-P(峰峰值),。
?? “熱地”帶電大家比較好理解,,而“冷地”帶電一般人是難以理解的。那么“冷地”帶電這個(gè)電壓是怎樣產(chǎn)生的呢?這個(gè)電壓是由變壓器次級(jí)產(chǎn)生的,,雖然變壓器次級(jí)的一端與“冷地”連接,,但真正的零電位是在變壓器次級(jí)線圈的中心,或整流輸出濾波電容器介質(zhì)的中間,。這一點(diǎn)我們稱(chēng)為電源的“浮地”,,即它為零電位,但又不與大地相連,。由此可知“冷地”帶電的電壓正好等于輸出電壓的一半,,如電視機(jī)顯像管的高壓陽(yáng)極需要大約3萬(wàn)伏的高壓,真正的零電位是在高壓濾波電容(顯像管石墨層之間的電容)的中間,,或高壓包的中間抽頭處,,由此可以求出電視機(jī)中的冷地與地之間的電壓(靜電)大約為15000V。同理,,“熱地”回路的“浮地”是在儲(chǔ)能濾波電容器C5的中間,,所以“熱地”正常帶電電壓應(yīng)為整流輸出電壓的一半,約為200 VP(峰值),,如把開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通或截止時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)也疊加在其之上,,大約有400VP-P(峰峰值)。
??? 圖2中的R3就是用來(lái)降低冷地與大地之間靜電電壓的,,C8的作用是降低“冷熱”地之間的動(dòng)態(tài)電阻,。一般數(shù)字電路IC的耐壓都很低,如果“冷地”帶電的電壓很高,,通過(guò)靜電感應(yīng),,或人體觸摸,很容易就會(huì)把IC擊穿,。
??? 順便指出,,“冷地”帶電是屬于靜電的范疇,它只相當(dāng)于對(duì)一個(gè)小電容充電,,這個(gè)小電容的一端是大地,,另一端是“冷地”,電容量相當(dāng)于“冷地”對(duì)大地之間的等效電容,。另外,,圖2中的C1、C2,、C3,、C4、C8,、R1,、R8,、T1屬于安全器件,使用時(shí)要注意安全要求,。
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結(jié)束語(yǔ)
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??? 電磁兼容設(shè)計(jì)在我國(guó)是一門(mén)很嶄新的科學(xué),,電磁兼容性EMC的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還很不完善,很多測(cè)試方法或定量分析還需要人們進(jìn)一步去摸索和探討,,很多新的電磁兼容性EMC設(shè)計(jì)理論還需人們?nèi)?chuàng)立,。本文所涉及的一些電磁兼容設(shè)計(jì)的知識(shí)極為膚淺,內(nèi)容只是冰山一角,,希望我國(guó)的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員,,在這一方面能夠趕超世界水平,多為國(guó)家作貢獻(xiàn),。