開(kāi)關(guān)電源電磁干擾源分析

一、引言原文位置
  電磁兼容性(EMC)是指電子設備或系統在規定的電磁環(huán)境電平下不因電磁干擾而降低性能指標,同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于規定的極限電平,不影響其它電子設備或系統的正常運行,并達到設備與設備、系統與系統之間互不干擾、共同可靠地工作的目的。

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  世界各國都相應制定了自己的EMC標準。比如國際電工委員會(huì )的1EC61000及(C1SPR系列標準、歐洲共同體的FN系列標準、美國聯(lián)邦通信委的FCC系列標準和我國現行的GT3/T13926系列EMC標準等。隨著(zhù)國際電磁兼容法規的日益嚴格,產(chǎn)品的電磁兼容性能越來(lái)越受到重視。

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  開(kāi)關(guān)電源作為一種電源設備,其應用越來(lái)越廣泛。隨著(zhù)電力電子器件的不斷更新?lián)Q代,開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率及開(kāi)關(guān)速度不斷提高,但開(kāi)關(guān)的快速通斷,引起電壓和電流的快速變化。這些瞬變的電壓和電流,通過(guò)電源線(xiàn)路、寄生參數和雜散的電磁場(chǎng)耦合,會(huì )產(chǎn)生大量的電磁干擾。

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  二、開(kāi)關(guān)電源的干擾源分析

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  開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI),按耦合通道來(lái)分,可分為傳導干擾和輻射干擾;按噪聲干擾源種類(lèi)來(lái)分可分為尖峰干擾和諧波干擾。開(kāi)關(guān)電源在工作過(guò)程中所產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓就形成了干擾源,工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開(kāi)關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換以及輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類(lèi)干擾源。

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  三、電磁干擾的抑制措施

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  電磁干擾由三個(gè)基本要素組合而產(chǎn)生:電磁干擾源;對該干擾能量敏感的設備;將電磁干擾源傳輸到敏感設備的媒介即傳輸通道或藕合途徑。對開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾所采取的抑制措施,主要從兩個(gè)方而考慮:一是減小干擾源的干擾強度;一是切斷干擾傳播途徑。

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  常用的抗干擾措施包括電路的隔離、屏蔽、接地、加裝EMI濾波器以及PCB板的合理布局與布線(xiàn)。

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  1.電路的隔離

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  在開(kāi)關(guān)電源中,電路的隔離主要有:模擬電路的隔離、數字電路的隔離、數字電路與模擬電路之間的隔離。主要目的是通過(guò)隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷,從而達到抑制噪聲干擾的效果。對于開(kāi)關(guān)電源的模擬信號控制系統的隔離,交流信號一般采用變壓器隔離,直流信號一般采用線(xiàn)性隔離器(如線(xiàn)性光電耦器)隔離。數字電路的隔離主要有:脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離等。其中數字量輸入隔離方式主要采用脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離;而數字量輸出隔離方式主要采用光電耦合器隔離、高頻變壓器隔離。

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  2. 屏蔽

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  屏蔽一般分為兩類(lèi),一類(lèi)是靜電屏蔽,主要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響;另一類(lèi)是電磁屏蔽,主要用于防止交變電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響。屏蔽是抑制開(kāi)關(guān)電源輻射干擾的有效方法?梢杂脤щ娏己玫牟牧蠈﹄妶(chǎng)屏蔽,而用導磁率高的材料對磁場(chǎng)屏蔽。

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  3.接地

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  為防止各種電路在工作中產(chǎn)生互相干擾,使之能相互兼容地工作,根據電路的性質(zhì),將工作接地分為不同的種類(lèi)。比如直流地、交流地、數字地、模擬地、信號地、功率地、電源地等。在電路的設計中,應將交流電源地與直流電源地分開(kāi),模擬電路與數字電路的電源地分開(kāi),功率地與弱電地分開(kāi)。

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  4.加裝EMI濾波器

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  電源濾波器安裝在電源線(xiàn)與電子設備之間,用于抑制電源線(xiàn)引出的傳導干擾,又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導干擾,對提高設備的可靠性有重要的作用。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾以傳導干擾為主,而傳導干擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。構成開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò )如圖1所示。該濾波器由共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy組成。共模扼流圈L由兩個(gè)繞在同一個(gè)高磁導率磁芯上的繞組構成,其結構使差模電流產(chǎn)生的磁通相互抵消。這種結構以較小體積獲得較大的電感值,并且不用擔心由于工作電流導致飽和。每個(gè)繞組與電容Cy分別組成L-E和N-E兩對獨立端口的低通濾波器,形成共模濾波網(wǎng)絡(luò ),用來(lái)抑制電源線(xiàn)上存在的共模干擾。至于共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy的取值大小,應盡量做到濾波器的諧振頻率低于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率,這樣可以實(shí)現對整個(gè)頻段的濾波。

 圖1 開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器

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  5.PCB板的合理布局與布線(xiàn)

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  開(kāi)關(guān)電源的輻射干擾與電流通路中的電流大小,通路的環(huán)路面積,以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比,即輻射干擾E∝I·A·f 2。運用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠小于頻率的波長(cháng)。上述關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵,這是說(shuō)開(kāi)關(guān)電源的元器件要彼此緊密排列。在初級電路中,要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近,且布線(xiàn)緊湊;在次級電路中,要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。在印制板上,將正負載流導線(xiàn)分別布在印制板的兩面,并設法使兩個(gè)載流導體彼此間保持平行,因為平行緊靠的正負載流導體所產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)是趨向于相互抵消的。

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  四、結束語(yǔ)

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  要提高開(kāi)關(guān)頻率,提高開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的質(zhì)量,電磁兼容性是不容忽視的問(wèn)題。產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的因素還很多,抑制電磁干擾還有大量的工作。只有在設計時(shí)充分考慮電磁兼容問(wèn)題,才能使開(kāi)關(guān)電源得到更普遍的應用。
 

電壓就形成了干擾源,工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開(kāi)關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換以及輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類(lèi)干擾源。

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  三、電磁干擾的抑制措施

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  電磁干擾由三個(gè)基本要素組合而產(chǎn)生:電磁干擾源;對該干擾能量敏感的設備;將電磁干擾源傳輸到敏感設備的媒介即傳輸通道或藕合途徑。對開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾所采取的抑制措施,主要從兩個(gè)方而考慮:一是減小干擾源的干擾強度;一是切斷干擾傳播途徑。

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  常用的抗干擾措施包括電路的隔離、屏蔽、接地、加裝EMI濾波器以及PCB板的合理布局與布線(xiàn)。

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  1.電路的隔離

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  在開(kāi)關(guān)電源中,電路的隔離主要有:模擬電路的隔離、數字電路的隔離、數字電路與模擬電路之間的隔離。主要目的是通過(guò)隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷,從而達到抑制噪聲干擾的效果。對于開(kāi)關(guān)電源的模擬信號控制系統的隔離,交流信號一般采用變壓器隔離,直流信號一般采用線(xiàn)性隔離器(如線(xiàn)性光電耦器)隔離。數字電路的隔離主要有:脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離等。其中數字量輸入隔離方式主要采用脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離;而數字量輸出隔離方式主要采用光電耦合器隔離、高頻變壓器隔離。

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  2. 屏蔽

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  屏蔽一般分為兩類(lèi),一類(lèi)是靜電屏蔽,主要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響;另一類(lèi)是電磁屏蔽,主要用于防止交變電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響。屏蔽是抑制開(kāi)關(guān)電源輻射干擾的有效方法?梢杂脤щ娏己玫牟牧蠈﹄妶(chǎng)屏蔽,而用導磁率高的材料對磁場(chǎng)屏蔽。

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  3.接地

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  為防止各種電路在工作中產(chǎn)生互相干擾,使之能相互兼容地工作,根據電路的性質(zhì),將工作接地分為不同的種類(lèi)。比如直流地、交流地、數字地、模擬地、信號地、功率地、電源地等。在電路的設計中,應將交流電源地與直流電源地分開(kāi),模擬電路與數字電路的電源地分開(kāi),功率地與弱電地分開(kāi)。

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  4.加裝EMI濾波器

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  電源濾波器安裝在電源線(xiàn)與電子設備之間,用于抑制電源線(xiàn)引出的傳導干擾,又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導干擾,對提高設備的可靠性有重要的作用。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾以傳導干擾為主,而傳導干擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。構成開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò )如圖1所示。該濾波器由共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy組成。共模扼流圈L由兩個(gè)繞在同一個(gè)高磁導率磁芯上的繞組構成,其結構使差模電流產(chǎn)生的磁通相互抵消。這種結構以較小體積獲得較大的電感值,并且不用擔心由于工作電流導致飽和。每個(gè)繞組與電容Cy分別組成L-E和N-E兩對獨立端口的低通濾波器,形成共模濾波網(wǎng)絡(luò ),用來(lái)抑制電源線(xiàn)上存在的共模干擾。至于共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy的取值大小,應盡量做到濾波器的諧振頻率低于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率,這樣可以實(shí)現對整個(gè)頻段的濾波。


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