開關(guān)電源的電磁兼容性技術(shù)及解決方法

開關(guān)電源的電磁兼容性技術(shù)及解決方法.引言電磁兼容是一門新興的跨學(xué)科的綜合性應(yīng)用學(xué)科。作為邊緣技術(shù)，它以電氣和無線電技術(shù)的基本理論為基礎(chǔ)，并涉及很多新的技術(shù)領(lǐng)域，如微波技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及新材料等。電磁兼容技術(shù)應(yīng)用的范圍很廣，幾乎全部現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域，如電力、通信、交通、航天、軍工、計算機(jī)和醫(yī)療等都必需解決電磁兼容問題。其討論的熱點(diǎn)內(nèi)容主要有：電磁干擾源的特性及其傳輸特性、電磁干擾的危害效應(yīng)、電磁干擾的抑制技術(shù)、電磁頻譜的采用和管理、電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)與法律規(guī)范、電磁兼容性的測量與試驗(yàn)技術(shù)、電磁泄漏與靜電放電等。電磁兼容的英文名稱為ElectromagneticCompatibility,簡稱EMCO所謂電磁兼容是指設(shè)施（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。這里包含兩層意思，即它工作中產(chǎn)生的電磁輻射要限制在肯定水平內(nèi)，此外它本身要有肯定的抗干擾力量。這便是設(shè)施研制中所必需解決的兼容問題。電磁兼容技術(shù)涉及的頻率范圍寬達(dá)0GHz"400GHz,討論對象除傳統(tǒng)設(shè)施外，還涉及芯片級，直到各種艦船、航天飛機(jī)、洲際導(dǎo)彈甚至整個地球的電磁環(huán)境。電磁兼容三要素是干擾源（騷擾源X耦合通路和敏感體。切斷以上任何一項(xiàng)都可解決電磁兼容問題，電磁兼容的解決常用的方法主要有屏蔽、接順口濾波。.電磁兼容技術(shù)名詞（1）電磁兼容性《新型智能開關(guān)電源技術(shù)》是我電氣專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎(chǔ)課。這個課程的主要目的是培育同學(xué)的經(jīng)濟(jì)素養(yǎng)，將同學(xué)培育成為高素養(yǎng)全面進(jìn)展的人才。通過半個學(xué)期的學(xué)習(xí),我對電氣工程這個專業(yè)有了更深的熟悉，對國際電磁兼容的通用標(biāo)準(zhǔn)也有了很多的熟悉。這門課不僅僅是開啟我對電氣這個專業(yè)深一步的熟悉，而且也激發(fā)了對未知的領(lǐng)域的探究熱忱。雖然它作為一門選修課，但同樣它擁有著和必修課一樣的專業(yè)效果。假如將這門技術(shù)學(xué)到深處的話，還需要好多的努力。電磁兼容性是指設(shè)施或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的力量。(2)電磁騷擾電磁騷擾是指任何可能引起設(shè)施、裝備或系統(tǒng)性能降低或者對有生命或者無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾可引起設(shè)施、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。它的主要要素有自然和人為的騷擾源、通過公共地線阻抗/內(nèi)阻的耦合、沿電源線傳導(dǎo)的電磁騷擾和輻射干擾等。電子系統(tǒng)受干擾的路徑為：經(jīng)過電源，通過信號線或掌握電纜、場滲透，經(jīng)過天線直接進(jìn)入；通過電纜耦合，從其他設(shè)施來的傳導(dǎo)干擾；電子系統(tǒng)內(nèi)部場耦合；其他設(shè)施的輻射干擾；電子設(shè)施外部耦合到內(nèi)部場；寬帶放射機(jī)天線系統(tǒng)；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現(xiàn)象，它可能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放射到空間的現(xiàn)象。"電磁輻射”一詞的含義有時也可引申,將電磁感應(yīng)現(xiàn)象也包含在內(nèi)。RFI/EMI可以通過任何一種設(shè)施機(jī)殼的開口、通風(fēng)孔、出入口、電纜、測量孔、門框、艙蓋、抽屜和面板以及機(jī)殼的非抱負(fù)連接面等進(jìn)行輻射。RFI/EMI也可由進(jìn)入敏感設(shè)施的導(dǎo)線和電纜進(jìn)行輻射，任何一個良好的電磁能量輻射器也可以作為良好的接收器。⑸脈沖脈沖是指在短時間內(nèi)突變，隨后又快速返回至其初始值的物理量。(6)共模干擾和差模干擾電源線上的干擾有共模干擾和差模干擾兩種方式。共模干擾存在于電源任何一相對大地或電線對大地之間。共模干擾有時也稱縱模干擾、不對稱干擾或接地干擾。這是載流導(dǎo)體與大地之間的干擾。差模干擾存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。這是載流導(dǎo)體之間的干擾。共模干擾提示了干擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的，而差模干擾則提示了干擾是源于同一條電源電路。通常這兩種干擾是同時存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會相互轉(zhuǎn)化，所以狀況非常簡單。干擾經(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-地阻抗不同的原因。出于同一緣由，共模干擾在線路傳輸中還會向鄰近空間輻射，而差模則不會，因此共模干擾比差模更簡單造成電磁干擾。不同的干擾方式要實(shí)行不同的干擾抑制方法才有效。推斷干擾方法的簡便方法是采納電流探頭。電流探頭先單獨(dú)環(huán)繞每根導(dǎo)線,得出單根導(dǎo)線的感應(yīng)值，然后再環(huán)繞兩根導(dǎo)線(其中一根是地線)，探測其感應(yīng)狀況。如感應(yīng)值是增加的，則線路中干擾電流是共模的；反之則是差模的。(7)抗擾度電平和敏感性電平抗擾度電平是指將某給定的電磁騷擾施加于某一裝置、設(shè)施或者系統(tǒng)并使其仍舊能夠正常工作且保持所需性能等級時的最大騷擾電平。也就是說，超過此電平常該裝置、設(shè)施或者系統(tǒng)就會消失性能降低。而敏感性電平是指剛剛開頭消失性能降低的電平。所以，對某一裝置、設(shè)施或者系統(tǒng)而言，抗擾度電平與敏感性電平是同一數(shù)值。(8)抗擾度裕量抗擾度裕量是指裝備、設(shè)施或者系統(tǒng)的抗擾度電平限值與電磁兼容電平之間的插值。.開關(guān)電源的電磁兼容性開關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開關(guān)工作狀態(tài)下，引起電磁兼容性問題的緣由是相當(dāng)簡單的。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。共阻耦合主要是騷擾源與受騷擾體在電氣上存在的共同阻抗，通過該阻抗使騷擾信號進(jìn)入受騷擾體。線間耦合主要是產(chǎn)生騷擾電壓及騷擾電流的導(dǎo)線或PCB線因并行布線而產(chǎn)生的相互耦合。電場耦合主要是由于電位差的存在，產(chǎn)生感應(yīng)電場對受騷擾體產(chǎn)生的場耦合。磁場耦合主要是指在大電流的脈沖電源線四周，產(chǎn)生的低頻磁場對騷擾對象產(chǎn)生的耦合。電磁場耦合主要是由于脈動的電壓或電流產(chǎn)生的高頻電磁波通過空間向外輻射，對相應(yīng)的受騷擾體產(chǎn)生的耦合。實(shí)際上，每一種耦合方式是不能嚴(yán)格區(qū)分的，只是側(cè)重點(diǎn)不同而已。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)方式工作，開關(guān)電壓及開關(guān)電流均接近方波，從頻譜分析知，方波信號含有豐富的高次諧波。該高次諧波的頻譜可達(dá)方波頻率的1000次以上。同時，由于電源變壓器的漏電感及分布電容以及主功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)非抱負(fù)，在高頻開或關(guān)時，經(jīng)常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波震蕩。該諧波震蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過開關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或通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，也是產(chǎn)生高頻騷擾的一個重要緣由。因整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，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，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻震蕩。整流及續(xù)流二極管一般離電源輸出線較近，其產(chǎn)生的高頻騷擾最簡單通過直流輸出線傳出。開關(guān)電源為了提高功率因數(shù)，均采納了有源功率因數(shù)校正電路。同時，為了提高電路的效率及牢靠性,削減功率器件的電應(yīng)力，大量采納了軟開關(guān)技術(shù)。其中零電壓、零電流或零電壓/零電流開關(guān)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)極大的降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁騷擾。但是，軟開關(guān)無損汲取電路多數(shù)采用L、C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，采用二極管的單向?qū)щ娦阅軐?shí)現(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)換，因此，該諧振電路中的二極管成為電磁騷擾的一大騷擾源。開關(guān)電源一般采用儲能電感及電容器組成L、C濾波電路，實(shí)現(xiàn)對差模及共模騷擾信號的濾波。由于電感線圈的分布電容，導(dǎo)致了電感線圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻騷擾信號穿過電感線圈，沿溝通電源線或直流輸出線向外傳播。濾波電容器隨著騷擾信號頻率的提升，引線電感的作用導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷的下降，甚至導(dǎo)致電容器參數(shù)轉(zhuǎn)變，也是產(chǎn)生電磁騷擾的一個緣由。.電磁兼容性的解決方法從電磁兼容的三要素講，要解決開關(guān)電源的電磁兼容性問題，可從三個方面入手：第-,減小騷擾源產(chǎn)生的騷擾信號；其次，切斷騷擾信號的傳播途徑；第三，增加受騷擾體的抗騷擾力量。在解決開關(guān)電源內(nèi)部的兼容性時，可以綜合采用上述三個方法，以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提。因而，開關(guān)電源產(chǎn)生的對外騷擾，如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)騷擾、電磁場輻射騷擾等只能用減小騷擾源的方法來解決。一方面，可以增加輸入/輸出濾波電路的設(shè)計，改善APFC電路的性能，減小開關(guān)管及整流、續(xù)流二極管的電壓、電流變化率，采納各種軟開關(guān)電路拓?fù)浼罢莆辗绞降?；另一方面，加?qiáng)機(jī)殼的屏蔽效果，改善機(jī)殼的縫隙泄漏，并進(jìn)行良好的接地處理。而對外部的抗騷擾力量（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力量。通常，對1.2/50|JS開路電壓及8/20|js短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，通常采納氧化鋅壓敏電阻與氣體方電管等的組合方法來解決。對于靜電放電，通常在通信端口及掌握端口的小信號電路中，采納TVS管及相應(yīng)的接地爰護(hù)、加大小信號電路與機(jī)殼等的電距離來解決或選用具有抗靜電騷擾的器件。快速瞬變信號含有很寬的頻譜，很簡單以共模的方式傳入掌握電路內(nèi)，采納與防靜電相同的方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濾波（加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等）來提高系統(tǒng)的抗擾性能。減小開關(guān)電源的內(nèi)部騷擾，實(shí)現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及牢靠性，應(yīng)從以下幾個方面入手：①留意數(shù)字電路與模塊電路PCB布線的正確分區(qū)；②數(shù)字電路與模擬電路電源的去耦；③數(shù)字電路與模擬電路單點(diǎn)接地、大電流電路與小電流特殊是電流電壓取樣電路的單點(diǎn)接地以減小共阻騷擾，減小地環(huán)地影響，布線時留意相鄰線間的間距及信號性質(zhì)，避開產(chǎn)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包圍的面積，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。.濾波器結(jié)構(gòu)濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，在設(shè)施或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計中具有極其重要的作甩它不僅可以抑制傳輸線上的傳導(dǎo)干擾，同時對傳輸線上的輻射放射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中，選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環(huán)，能夠改善電路的濾波特性。進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計或選擇合適的濾波器，并正確的安裝濾波器是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。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用于抑制差模噪聲，一般取Ld為100mH-700mH,Cd取lpF-10|jFoLc、Cc用于抑制共模噪聲，可依據(jù)實(shí)際狀況加以調(diào)整。全部電源濾波器都必需接地(廠家特殊說明允許不接地的除外),由于濾波器的共模旁路電容必需在接地時才起作用。一般的接地方法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外，還要用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼與設(shè)施的接地點(diǎn)相連。接地阻抗越低，濾波效果越好。濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠(yuǎn)離，避開干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，則可以抑制差模噪聲。假如把多個電容并聯(lián)，則效果會更好。幾種濾波器的構(gòu)成如圖2所示。在圖2(a)中，阻抗Z=l/(wCl),高頻區(qū)域用陶瓷電容、聚酯薄膜電容并聯(lián)，其濾波效果更好。圖2(b)中，噪聲能通過電容旁路到地線上，這種濾波器連接時應(yīng)使接地阻抗盡量小。圖2(c)中，Cl、C2對不對稱噪聲有良好的濾波效果,C3對對稱噪聲有良好的濾波效果，連接時應(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，LLL2對噪聲呈現(xiàn)高阻抗，而C1則對噪聲呈現(xiàn)低阻抗。當(dāng)LI、L2采納共模電感結(jié)構(gòu)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(jìn)行濾波，應(yīng)留意的是其接地阻抗同樣應(yīng)盡量小。L1Cl二二U圖3是對共模噪聲和差模噪聲都有效的濾波器電路。其中，LI、L2、C1為抑制差模噪聲回路，L3、C2、C3構(gòu)成抑制共模噪聲回路。LI、L2的鐵心應(yīng)選擇不易磁飽和的材料及M-F特性優(yōu)良的鐵心材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應(yīng)有足夠的耐壓值，其容量一般取0.22"-0.47"。L1Cl二二UC2=rbJq”上一

__oa.EMI濾波器選用與安裝開關(guān)電源EMI濾波器中的4只電容器用了兩種不同的下標(biāo)〃x〃和〃y〃，不僅說明白它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的作用，還表明白它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的平安等級。無論是選用還是設(shè)計EMI濾波器，都要仔細(xì)的考慮Cx和Cy的平安等級。在實(shí)際應(yīng)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定電壓外，還會疊加L和N之間存在的EMI信號峰值電壓。因此，要依據(jù)EMI濾波器的應(yīng)用場合和可能存在的EMI信號峰值，正確選用適合平安等級的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，對于220V、50Hz電源，它除符合250V峰值電壓的耐壓要求外，還要求這種電容器在電氣和機(jī)械性能方面具有足夠的平安裕量，以避開可能消失的擊穿短路現(xiàn)象。EMI濾波器是具有互異性的，即把負(fù)載接在電源端還是負(fù)載端均可。在實(shí)際應(yīng)用中，為達(dá)到有效抑制EMI信號的目的，必需依據(jù)濾波器兩端將要連接的EMI信號源阻抗和負(fù)載阻抗來選擇該濾波器的網(wǎng)絡(luò)