開關電源電磁兼容設計實例
1、對電流諧波的按捺
通常電容器C5的容量很大，其兩頭電壓紋波很小，大概只要輸入電壓的10%左右，而僅當輸入電壓Ui大于電容器C5兩頭電壓的時分，整流二極管才導通，因而在輸入電壓的一個周期內，整流二極管的導通時刻很短，即導通角很小。這么整流電路中將呈現(xiàn)脈沖尖峰電流，如圖3所示。
這種脈沖尖峰電流如用傅立葉級數(shù)打開，將被當作由十分多的高次諧波電流構成，這些諧波電流將會下降電源設備的運用功率，即功率因數(shù)很低，并會倒灌到電網，對電網發(fā)生污染，嚴峻時還會導致電網頻率的波動，即交流電源閃耀。脈沖電流諧波和交流電源閃耀測驗規(guī)范為：IEC61000-3-2及IEC61000-3-3。通常測驗脈沖電流諧波的上限是40次諧波頻率。
處理整流電路中呈現(xiàn)脈沖尖峰電流過大的辦法是在整流電路中串聯(lián)一個功率因數(shù)校對(PFC)電路，或差模濾波電感器。PFC電路通常為一個并聯(lián)式升壓開關電源，其輸出電壓通常為直流400V，沒有經功率因數(shù)校對之前的電源設備，其功率因數(shù)通常只要0.4~0.6，經校對后最高可到達0.98。PFC電路盡管能夠處理整流電路中呈現(xiàn)脈沖尖峰電流過大的疑問，但又會帶來新的高頻攪擾疑問，這相同也要進行嚴厲的EMC規(guī)劃。用差模濾波電感器能夠有用地按捺脈沖電流的峰值，然后下降電流諧波攪擾，但不能進步功率因數(shù)。
圖2中的L1為差模濾波電感器，差模濾波電感器通常用矽鋼片資料制作，以進步電感量，為了避免大電流流過差模濾波電感器時發(fā)生磁飽滿，通常差模濾波電感器的兩個組線圈都各自留有一個漏感磁回路。
L1差模濾波電感可依據(jù)試驗求得，也能夠依據(jù)下式進行核算：E=L*di/dt (1)
式中E為輸入電壓Ui與電容器C5兩頭電壓的差值，即L1兩頭的電壓降，L為電感量，di/dt為電流上升率。顯然，請求電流上升率越小，則請求電感量就越大。
2、對振鈴電壓的按捺
因為變壓器的初級有漏感，當電源開關管V1由飽滿導通到截止關斷時會發(fā)生反電動勢，反電動勢又會對變壓器初級線圈的分布電容進行充放電，然后發(fā)生阻尼振蕩，即發(fā)生振鈴，如圖4所示。變壓器初級漏感發(fā)生反電動勢的電壓起伏通常都很高，其能量也很大，如不采納保護辦法，反電動勢通常都會把電源開關管擊穿，一起反電動勢發(fā)生的阻尼振蕩還會發(fā)生很強的電磁輻射，不但對機器自身形成嚴峻攪擾，對機器周邊環(huán)境也會發(fā)生嚴峻的電磁攪擾。
圖2中的D1、R2、C6是按捺反電動勢和振鈴電壓起伏的有用電路，當變壓器初級漏感發(fā)生反電動勢時，反電動勢經過二極管D1對電容器C6進行充電，相當于電容器把反電動勢的能量吸收掉，然后下降了反電動勢和振鈴電壓的起伏。電容器C6充滿電后，又會經過R2放電，準確挑選RC放電的時刻常數(shù)，使電容器在下次充電時的剩下電壓剛好等于方波電壓的起伏，此刻電源的工作功率最高。
3、對傳導攪擾信號的按捺
圖1中，當電源開關管V1導通或許關斷時，在電容器C5、變壓器T1的初級和電源開關管V1構成的電路中會發(fā)生脈動直流i1，假如把此電流回路當作是一個變壓器的“初級線圈”，因為電流i1的變化速率很高，它在“初級線圈”中發(fā)生的電磁感應，也會對周圍電路發(fā)生電磁感應，咱們能夠把周圍電路都當作是同一變壓器的多個“次級線圈”，一起變壓器T1的漏感也相同對各個“次級線圈”發(fā)生感應效果，因而電流i1經過電磁感應，在每個“次級線圈”中都會發(fā)生的感應電流，咱們分別把它們記為i2、i3、i4 ···。
其間i2和i3是差模攪擾信號，它們能夠經過兩根電源線傳導到電網的其它線路之中和攪擾其它電子設備；i4是共模攪擾信號，它是電流i1回路經過電磁感應其它電路與大地或機殼構成的回路發(fā)生的，而且其它電路與大地或機殼是經過電容耦合構成回路的，共模攪擾信號能夠經過電源線與大地傳導到電網其它線路之中和攪擾其它電子設備。
與電源開關管V1的集電極相連的電路，也是發(fā)生共模攪擾信號的首要原因，因為在全部開關電源電路中，數(shù)電源開關管V1集電極的電位最高，最高可達600V以上，其它電路的電位都比它低，因而電源開關管V1的集電極與其它電路(也包含電源輸入端的引線)之間存在很強的電場，在電場的效果下，電路會發(fā)生位移電流，這個位移電流根本歸于共模攪擾信號。
圖2中的電容器C1、C2和差模電感器L1對i1、i2和i3差模攪擾信號有很強的按捺能力。因為C1、C2在電源線拔出時還會帶電，簡單觸電傷人，所以在電源輸入的兩頭要接一個放電電阻R1。
對共模攪擾信號i4要進行徹底按捺，通常很艱難，特別是沒有金屬機殼屏蔽的情況下，因為在感應發(fā)生共模攪擾信號的回路中，其間的一個“元器材”是線路板與大地之間的等效電容，此“元器材”的數(shù)值通常是不穩(wěn)定的，進行規(guī)劃時對指標要留有滿足的余量。圖2中L2和C3、C4是共模攪擾信號按捺電路器材，在輸入功率較大的電路中，L2通常要用兩個，乃至三個，其間一個多為環(huán)形磁心電感。
依據(jù)上面剖析，發(fā)生電磁攪擾的原因首要是i1流過的首要回路，這個回路首要由電容器C5、變壓器T1初級和電源開關管V1構成，依據(jù)電磁感應原理，這個回路發(fā)生的感應電動勢為：e=dψ/dt=S*dB/dt (2)
式中e為感應電動勢，ψ為磁通量，S電流回路的面積，B為磁感應密度，其值與電流強度成正比，dψ/dt為磁通變化率。由此可見，感應電動勢與電流回路的面積成正比。因而要削減電磁攪擾，首先是要設法減小電流回路的面積，特別是i1電流流過的回路面積。別的，為了削減變壓器漏感對周圍電路發(fā)生電磁感應的影響，一方面請求變壓器的漏感要做得小，另一方面必定要在變壓器的外圍包一層薄銅皮，以構成一個低阻抗短路線圈，把漏感發(fā)生的感應能量經過渦流損耗掉。
4、對輻射攪擾信號的按捺
電磁輻射攪擾也是經過電磁感應的辦法，由帶電體或電流回路及磁感應回路對外發(fā)生電磁輻射的。任何一根導體都能夠當作是一根電磁感應天線，任何一個電流回路都能夠當作是一個環(huán)形天線，電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應輻射的主要器材。要想徹底按捺電磁輻射是不可能的，但經過對電路進行合理規(guī)劃，或許采納有些屏蔽辦法，能夠大大減輕電磁攪擾的輻射。
例如，盡量縮短電路引線的長度和減小電流回路的面積，是減小電磁輻射的有用辦法；準確運用儲能濾波電容，把儲能濾波電容盡量近地裝置在有源器材電源引線的兩頭，每個有源器材獨立供電，或單獨用一個儲能濾波電容供電(充滿電的電容能夠當作是一個獨立電源)，避免各電路中的有源器材(放大器)經過電源線和地線發(fā)生串擾；把電源引線的地和信號源的地嚴厲分隔，或對信號引線采納雙線并行對中交叉的辦法，讓攪擾信號互相抵消，也是一種減小電磁輻射的有用辦法；使用散熱片也能夠對電磁攪擾進行部分屏蔽，對信號引線還能夠采納雙地線并行屏蔽的辦法，讓信號線夾在兩條平行地線的基地，這相當于雙回路，攪擾信號也會互相抵消，屏蔽效果十分顯著；機器或靈敏器材選用金屬外殼是最佳的屏蔽電磁攪擾辦法，但非金屬外殼也能夠噴涂導電資料(如石墨)進行電磁攪擾屏蔽。
5、對高壓的靜電的消除
圖1中，假如輸出電壓高于1,000V，有必要思考靜電消除。盡管大多數(shù)的開關電源都采納變壓器進行“冷熱地”阻隔，因為“熱地”，也叫“初級地”，經過電網可構成回路，當人體接觸到“初級地”的時分會“觸電”，所以大家都把“初級地”叫做“熱地”，表明不能接觸的意思。而“冷地”也叫“次級地”，盡管電壓很高，但它與大地不構成回路，當人體接觸到“次級地”的時分不會“觸電”，因而，大家都把“次級地”叫做“冷地”，表明能夠接觸的意思。
但不管是"冷地"或許是"熱地"，其對大地的電位差都不可能是零，即仍是會帶電。如彩色電視機中的開關電源，"熱地"對大地的電位差大概有400VP-P(峰峰值)，"冷地"對大地的電位差大概有1500VP-P(峰峰值)。
“熱地”帶電比較好了解，而"冷地"帶電通常人是難以了解的。那么"冷地"帶電這個電壓是如何發(fā)生的呢？這個電壓是由變壓器次級發(fā)生的，盡管變壓器次級的一端與“冷地”銜接，但真實的零電位是在變壓器次級線圈的基地，或整流輸出濾波電容器介質的基地。這一點稱為電源的“浮地”，即它為零電位，但又不與大地相連。由此可知“冷地”帶電的電壓恰好等于輸出電壓的一半，如電視機顯像管的高壓陽極需求大概3萬伏的高壓，真實的零電位是在高壓濾波電容(顯像管石墨層之間的電容)的基地，或高壓包的基地抽頭處，由此能夠求出電視機中的冷地與地之間的電壓(靜電)大概為1,5000V。同理，“熱地”回路的“浮地”是在儲能濾波電容器C5的基地，所以“熱地”正常的帶電電壓為整流輸出的一半，約為200 VP(峰值)，如把開關管導通或截止時發(fā)生的反電動勢也疊加在其之上，大概有400VP-P(峰峰值)。
圖2中的R3即是用來下降冷地與大地之間靜電電壓的，C8的效果是下降冷熱地之間的動態(tài)電阻。通常數(shù)字電路IC的耐壓都很低，假如“冷地”帶電的電壓很高，經過靜電感應，或人體接觸，很簡單就會把IC擊穿。
“冷地”帶電是歸于靜電的領域，它只相當于對一個小電容充電，這個小電容的一端是大地，電容量相當于“冷地”對大地之間的等效電容。別的，圖2中的C1、C2、C3、C4、C8、R1、R8、T1歸于安全器材，運用時要注意安全請求。
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