開關電源的電磁兼容性技術及解決方法
1 導言
電磁兼容是一門新式的跨學科的綜合性運用學科。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、計算機技能、通訊和網(wǎng)絡技能以及新資料等。電磁兼容技能運用的規(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、計算機和醫(yī)療等都有必要處理電磁兼容問題。其研討的熱門內容主要有：電磁攪擾源的特性及其傳輸特性、電磁攪擾的危害效應、電磁攪擾的按捺技能、電磁頻譜的運用和辦理、電磁兼容性標準與標準、電磁兼容性的丈量與實驗技能、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，別的它自身要有必定的抗攪擾才能。這便是設備研發(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0 GHz ~400GHz，研討目標除傳統(tǒng)設備外，還觸及芯片級，直到各種艦船、航天飛機、洲際導彈乃至整個地球的電磁環(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備、配備或體系功能下降或許對有生命或許無生命物質發(fā)生危害效果的電磁景象。電磁打擾可引起設備、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/內阻的耦合、沿電源線傳導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)過信號線或操控電纜、場浸透，經(jīng)過天線直接進入；經(jīng)過電纜耦合，從別的設備來的傳導攪擾；電子體系內部場耦合；別的設備的輻射攪擾；電子設備外部耦合到內部場；寬帶發(fā)射機天線體系；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變電磁景象，它也許與有用信號疊加或組合。
（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~的意義有時也可引申，將電磁感應景象也包括在內。RFI/EMI能夠經(jīng)過任何一種設備機殼的開口、通風孔、出入口、電纜、丈量孔、門框、艙蓋、抽屜和面板以及機殼的非抱負銜接面等進行輻射。RFI/EMI也可由進入靈敏設備的導線和電纜進行輻射，任何一個杰出的電磁能量輻射器也能夠作為杰出的接收器。
（5）脈沖
脈沖是指在短時間內驟變，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。共模攪擾有時也稱縱模攪擾、不對稱攪擾或接地攪擾。這是載流導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、橫模攪擾或對稱攪擾。這是載流導體之間的攪擾。共模攪擾提示了攪擾是由輻射或串擾耦合到電路中的，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彼此轉化，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向鄰近空間輻射，而差模則不會，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。電流探頭先獨自盤繞每根導線，得出單根導線的感應值，然后再盤繞兩根導線（其間一根是地線），勘探其感應狀況。如感應值是添加的，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備、設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時的最大打擾電平。也就是說，超過此電平時該設備、設備或許體系就會呈現(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，對某一設備、設備或許體系而言，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 開關電源的電磁兼容性
開關電源因作業(yè)在高電壓大電流的開關作業(yè)狀況下，引起電磁兼容性問題的原因是恰當雜亂的。從整機的電磁性講，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進入受打擾體。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發(fā)生的耦合。電磁場耦合主要是由于脈動的電壓或電流發(fā)生的高頻電磁波經(jīng)過空間向外輻射，對相應的受打擾體發(fā)生的耦合。實際上，每一種耦合辦法是不能嚴格區(qū)別的，僅僅側重點不一樣罷了。
在開關電源中，主功率開關管在很高的電壓下，以高頻開關辦法作業(yè)，開關電壓及開關電流均挨近方波，從頻譜剖析知，方波信號富含豐厚的高次諧波。該高次諧波的頻譜可達方波頻率的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器材的作業(yè)狀況非抱負，在高頻開或關時，常常發(fā)生高頻高壓的尖峰諧波震動。該諧波震動發(fā)生的高次諧波，經(jīng)過開關管與散熱器間的分布電容傳入內部電路或經(jīng)過散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續(xù)流的開關二極管，也是發(fā)生高頻打擾的一個主要原因。因整流及續(xù)流二極管作業(yè)在高頻開關狀況，二極管的引線寄生電感、結電容的存在以及反向恢復電流的影響，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。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。開關電源為了進步功率因數(shù)，均選用了有源功率因數(shù)校對電路。一同，為了進步電路的功率及可靠性，削減功率器材的電應力，很多選用了軟開關技能。其間零電壓、零電流或零電壓/零電流開關技能運用最為廣泛。該技能極大的下降了開關器材所發(fā)生的電磁打擾�？墒�，軟開關無損吸收電路大都運用L、C進行能量轉移，運用二極管的單向導電功能完成能量的單向轉換，因而，該諧振電路中的二極管變成電磁打擾的一大打擾源。
開關電源通常運用儲能電感及電容器構成L、C濾波電路，完成對差模及共模打擾信號的濾波。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穿過電感線圈，沿溝通電源線或直流輸出線向外傳達。濾波電容器跟著打擾信號頻率的上升，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，要處理開關電源的電磁兼容性問題，可從三個方面下手：第一，減小打擾源發(fā)生的打擾信號；第二，堵截打擾信號的傳達路徑；第三，增強受打擾體的抗打擾才能。在處理開關電源內部的兼容性時，能夠綜合運用上述三個辦法，以本錢效益等到施行的難易性為前提。因而，開關電源發(fā)生的對外打擾，如電源線諧波電流、電源線傳導打擾、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，能夠增強輸入/輸出濾波電路的規(guī)劃，改進APFC電路的功能，減小開關管及整流、續(xù)流二極管的電壓、電流改變率，選用各種軟開關電路拓撲及操控辦法等；另一方面，加強機殼的屏蔽效果，改進機殼的縫隙走漏，并進行杰出的接地處理。而對外部的抗打擾才能（如浪涌、雷擊）應優(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。關于靜電放電，通常在通訊端口及操控端口的小信號電路中，選用TVS管及相應的接地維護、加巨細信號電路與機殼等的電距離來處理或選用具有抗靜電打擾的器材。迅速瞬變信號富含很寬的頻譜，很簡單以共模的辦法傳入操控電路內，選用與防靜電一樣的辦法并減小共模電感的分布電容、加強輸入電路的共模信號濾波（加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等）來進步體系的抗擾功能。
減小開關電源的內部打擾，完成其自身的電磁兼容性，進步開關電源的穩(wěn)定性及可靠性，應從以下幾個方面下手：①留意數(shù)字電路與模塊電路PCB布線的準確分區(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接地以減小共阻打擾，減小地環(huán)地影響，布線時留意相鄰線間的距離及信號性質，防止發(fā)生串擾，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，運用諧振頻率高的濾波電容器等。
5 濾波器構造
濾波是一種按捺傳導攪擾的辦法。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，也能夠按捺由開關電源發(fā)生并向電網(wǎng)反應的攪擾。電源濾波器作為按捺電源線傳導攪擾的主要單元，在設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)，能夠改進電路的濾波特性。進行恰當?shù)囊?guī)劃或挑選合適的濾波器，并準確的裝置濾波器是抗攪擾技能的主要構成部分。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)實際狀況加以調整。
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，還要用較粗的導線將濾波器外殼與設備的接地址相連。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離，防止攪擾信號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。如果把多個電容并聯(lián)，則效果會非常好。
幾種濾波器的構成如圖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，這種濾波器銜接時應使接地阻抗盡量小。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，銜接時應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L1、L2選用共模電感構造時，對對稱和非對稱噪聲都有較好的濾波效果。圖2（e）適用于共模噪聲進行濾波，應留意的是其接地阻抗同樣應盡量小。
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構成按捺共模噪聲回路。L1、L2的鐵心應挑選不易磁飽滿的資料及M-F特性優(yōu)秀的鐵心資料。C1運用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應有滿足的耐壓值，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
開關電源EMI濾波器中的4只電容器用了兩種不一樣的下標“x”和“y”，不只闡明晰它們在濾波網(wǎng)絡中的效果，還表明晰它們在濾波網(wǎng)絡中的安全等級。無論是選用仍是規(guī)劃EMI濾波器，都要仔細的思考Cx和Cy的安全等級。在實際運用中，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，還會疊加L和N之間存在的EMI信號峰值電壓。因而，要依據(jù)EMI濾波器的運用場合和也許存在的EMI信號峰值，準確選用合適安全等級的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，即把負載接在電源端仍是負載端均可。在實際運用中，為到達有用按捺EMI信號的目的，有必要依據(jù)濾波器兩頭即將銜接的EMI信號源阻抗和負載阻抗來挑選該濾波器的網(wǎng)絡構造和參數(shù)。當EMI濾波器兩頭阻抗都處于失配狀況時，即圖4中Zs≠Zin、ZL≠Zout時，EMI信號會在其輸入和輸出端發(fā)生反射，添加對EMI信號的衰減。其信號的衰減A與反射Γ的關系為：A=–10Lg(1-|Γ|2)。
在運用開關電源濾波器時，要留意濾波器在額外電流下的電源頻率。在裝置濾波器時，要特別留意濾波器的輸入導線與輸出導線的距離距離，不能把它們捆在一同走線，不然EMI信號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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