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有生命或許無生命物質(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)過電源，經(jīng)過信號(hào)線或操控電纜、場浸透，經(jīng)過天線直接進(jìn)入；經(jīng)過電纜耦合，從別的設(shè)備來的傳導(dǎo)攪擾；電子體系內(nèi)部場耦合；別的設(shè)備的輻射攪擾；電子設(shè)備外部耦合到內(nèi)部場；寬帶發(fā)射機(jī)天線體系；外部環(huán)境場等。
（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。“電磁輻射”一詞的意義有時(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大地或電線對大地之間。共模攪擾有時(shí)也稱縱模攪擾、不對稱攪擾或接地?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，超過此電平時(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。
3 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、電場耦合、磁場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。電場耦合主要是由于電位差的存在，發(fā)生感應(yīng)電場對受打擾體發(fā)生的場耦合。磁場耦合主要是指在大電流的脈沖電源線附近，發(fā)生的低頻磁場對打擾目標(biāo)發(fā)生的耦合。電磁場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)過空間向外輻射，對相應(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)生的高頻打擾最簡單經(jīng)過直流輸出線傳出。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。可是，軟開關(guān)無損吸收電路大都運(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)生的對外打擾，如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)打擾、電磁場輻射打擾等只能用減小打擾源的辦法來處理。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，能夠按捺來自電網(wǎng)的噪聲對電源自身的損害，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對不對稱噪聲有杰出的濾波效果，C3對對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對噪聲呈現(xiàn)高阻抗，而C1則對噪聲呈現(xiàn)低阻抗。當(dāng)L1、L2選用共模電感構(gòu)造時(shí)，對對稱和非對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”，不只闡明晰它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的效果，還表明晰它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的安全等級(jí)。無論是選用仍是規(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峰值電壓的耐壓請求外，還請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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