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開關電源的電磁兼容性技術及解決方法
發布時間:2011-1-4

     1 引言

  電磁兼容是一門新興的跨學科的綜合性應用學科。作為邊緣技術,它以電氣和無線電技術的基本理論為基礎,並涉及許多新的技術領域,如微波技術、微電子技術、計算機技術、通信和網絡技術以及新材料等。電磁兼容技術應用的範圍很廣,幾乎所有現代化工業領域,如電力、通信、交通、航天、軍工、計算機和醫療等都必須解決電磁兼容問題。其研究的熱點內容主要有:電磁幹擾源的特性及其傳輸特性、電磁幹擾的危害效應、電磁幹擾的抑製技術、電磁頻譜的利用和管理、電磁兼容性標準與規範、電磁兼容性的測量與試驗技術、電磁泄漏與靜電放電等。

  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(分係統、係統)在共同的電磁環境中能一起執行各自功能的共存狀態。這裏包含兩層意思,即它工作中產生的電磁輻射要限製在一定水平內,另外它本身要有一定的抗幹擾能力。這便是設備研製中所必須解決的兼容問題。電磁兼容技術涉及的頻率範圍寬達0 GHz ~400GHz,研究對象除傳統設備外,還涉及芯片級,直到各種艦船、航天飛機、洲際導彈甚至整個地球的電磁環境。

  電磁兼容三要素是幹擾源(騷擾源)、耦合通路和敏感體。切斷以上任何一項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、接地和濾波。

  2 電磁兼容技術名詞

  (1)電磁兼容性

  電磁兼容性是指設備或者係統在其電磁環境中能正常工作,且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

  (2)電磁騷擾

  電磁騷擾是指任何可能引起設備、裝備或係統性能降低或者對有生命或者無生命物質產生損害作用的電磁現象。電磁騷擾可引起設備、傳輸通道或係統性能的下降。它的主要要素有自然和人為的騷擾源、通過公共地線阻抗/內阻的耦合、沿電源線傳導的電磁騷擾和輻射幹擾等。電子係統受幹擾的路徑為:經過電源,通過信號線或控製電纜、場滲透,經過天線直接進入;通過電纜耦合,從其他設備來的傳導幹擾;電子係統內部場耦合;其他設備的輻射幹擾;電子設備外部耦合到內部場;寬帶發射機天線係統;外部環境場等。

  (3)電磁環境

  電磁環境是一種明顯不傳送信息的時變電磁現象,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發射到空間的現象。“電磁輻射”一詞的含義有時也可引申,將電磁感應現象也包含在內。RFI/EMI可以通過任何一種設備機殼的開口、通風孔、出入口、電纜、測量孔、門框、艙蓋、抽屜和麵板以及機殼的非理想連接麵等進行輻射。RFI/EMI也可由進入敏感設備的導線和電纜進行輻射,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。

  (5)脈衝

  脈衝是指在短時間內突變,隨後又迅速返回至其初始值的物理量。

  (6)共模幹擾和差模幹擾

  電源線上的幹擾有共模幹擾和差模幹擾兩種方式。共模幹擾存在於電源任何一相對大地或電線對大地之間。共模幹擾有時也稱縱模幹擾、不對稱幹擾或接地幹擾。這是載流導體與大地之間的幹擾。差模幹擾存在於電源相線與中線及相線與相線之間。差模幹擾也稱常模幹擾、橫模幹擾或對稱幹擾。這是載流導體之間的幹擾。共模幹擾提示了幹擾是由輻射或串擾耦合到電路中的,而差模幹擾則提示了幹擾是源於同一條電源電路。通常這兩種幹擾是同時存在的,由於線路阻抗的不平衡,兩種幹擾在傳輸中還會相互轉化,所以情況十分複雜。幹擾經長距離傳輸後,差模分量的衰減要比共模大,這是因為線間阻抗與線-地阻抗不同的緣故。出於同一原因,共模幹擾在線路傳輸中還會向鄰近空間輻射,而差模則不會,因此共模幹擾比差模更容易造成電磁幹擾。不同的幹擾方式要采取不同的幹擾抑製方法才有效。判斷幹擾方法的簡便方法是采用電流探頭。電流探頭先單獨環繞每根導線,得出單根導線的感應值,然後再環繞兩根導線(其中一根是地線),探測其感應情況。如感應值是增加的,則線路中幹擾電流是共模的;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於某一裝置、設備或者係統並使其仍然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,超過此電平時該裝置、設備或者係統就會出現性能降低。而敏感性電平是指剛剛開始出現性能降低的電平。所以,對某一裝置、設備或者係統而言,抗擾度電平與敏感性電平是同一數值。

  (8)抗擾度裕量

  抗擾度裕量是指裝備、設備或者係統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

  開關電源因工作在高電壓大電流的開關工作狀態下,引起電磁兼容性問題的原因是相當複雜的。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入受騷擾體。線間耦合主要是產生騷擾電壓及騷擾電流的導線或PCB線因並行布線而產生的相互耦合。電場耦合主要是由於電位差的存在,產生感應電場對受騷擾體產生的場耦合。磁場耦合主要是指在大電流的脈衝電源線附近,產生的低頻磁場對騷擾對象產生的耦合。電磁場耦合主要是由於脈動的電壓或電流產生的高頻電磁波通過空間向外輻射,對相應的受騷擾體產生的耦合。實際上,每一種耦合方式是不能嚴格區分的,隻是側重點不同而已。

  在開關電源中,主功率開關管在很高的電壓下,以高頻開關方式工作,開關電壓及開關電流均接近方波,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方波頻率的1000次以上。同時,由於電源變壓器的漏電感及分布電容以及主功率開關器件的工作狀態非理想,在高頻開或關時,常常產生高頻高壓的尖峰諧波震蕩。該諧波震蕩產生的高次諧波,通過開關管與散熱器間的分布電容傳入內部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。用於整流及續流的開關二極管,也是產生高頻騷擾的一個重要原因。因整流及續流二極管工作在高頻開關狀態,二極管的引線寄生電感、結電容的存在以及反向恢複電流的影響,使之工作在很高的電壓及電流變化率下,且產生高頻震蕩。整流及續流二極管一般離電源輸出線較近,其產生的高頻騷擾最容易通過直流輸出線傳出。開關電源為了提高功率因數,均采用了有源功率因數校正電路。同時,為了提高電路的效率及可靠性,減少功率器件的電應力,大量采用了軟開關技術。其中零電壓、零電流或零電壓/零電流開關技術應用最為廣泛。該技術極大的降低了開關器件所產生的電磁騷擾。但是,軟開關無損吸收電路多數利用L、C進行能量轉移,利用二極管的單向導電性能實現能量的單向轉換,因此,該諧振電路中的二極管成為電磁騷擾的一大騷擾源。

  開關電源一般利用儲能電感及電容器組成L、C濾波電路,實現對差模及共模騷擾信號的濾波。由於電感線圈的分布電容,導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,沿交流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上升,引線電感的作用導致電容量及濾波效果不斷的下降,甚至導致電容器參數改變,也是產生電磁騷擾的一個原因。

  4  電磁兼容性的解決方法

  從電磁兼容的三要素講,要解決開關電源的電磁兼容性問題,可從三個方麵入手:第一,減小騷擾源產生的騷擾信號;第二,切斷騷擾信號的傳播途徑;第三,增強受騷擾體的抗騷擾能力。在解決開關電源內部的兼容性時,可以綜合利用上述三個方法,以成本效益比及實施的難易性為前提。因而,開關電源產生的對外騷擾,如電源線諧波電流、電源線傳導騷擾、電磁場輻射騷擾等隻能用減小騷擾源的方法來解決。一方麵,可以增強輸入/輸出濾波電路的設計,改善APFC電路的性能,減小開關管及整流、續流二極管的電壓、電流變化率,采用各種軟開關電路拓撲及控製方式等;另一方麵,加強機殼的屏蔽效果,改善機殼的縫隙泄漏,並進行良好的接地處理。而對外部的抗騷擾能力(如浪湧、雷擊)應優化交流電輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常,對1.2/50?s開路電壓及8/20?s短路電流的組合雷擊波形,因能量較小,通常采用氧化鋅壓敏電阻與氣體方電管等的組合方法來解決。對於靜電放電,通常在通信端口及控製端口的小信號電路中,采用TVS管及相應的接地保護、加大小信號電路與機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,很容易以共模的方式傳入控製電路內,采用與防靜電相同的方法並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等)來提高係統的抗擾性能。

  減小開關電源的內部騷擾,實現其自身的電磁兼容性,提高開關電源的穩定性及可靠性,應從以下幾個方麵入手:①注意數字電路與模塊電路PCB布線的正確分區;②數字電路與模擬電路電源的去耦;③數字電路與模擬電路單點接地、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騷擾,減小地環地影響,布線時注意相鄰線間的間距及信號性質,避免產生串擾,減小輸出整流回路及續流二極管回路與支流濾波電路所包圍的麵積,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   濾波器結構

  濾波是一種抑製傳導幹擾的方法。例如,在電源輸入端接上濾波器,可以抑製來自電網的噪聲對電源本身的侵害,也可以抑製由開關電源產生並向電網反饋的幹擾。電源濾波器作為抑製電源線傳導幹擾的重要單元,在設備或係統的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。它不僅可以抑製傳輸線上的傳導幹擾,同時對傳輸線上的輻射發射也具有顯著的抑製效果。在濾波電路中,選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環,能夠改善電路的濾波特性。進行適當的設計或選擇合適的濾波器,並正確的安裝濾波器是抗幹擾技術的重要組成部分。在交流電輸入端加裝的電源濾波器電路如圖1所示。圖中Ld、Cd用於抑製差模噪聲,一般取Ld為100 mH -700mH,Cd取1?F -10?F。Lc、Cc用於抑製共模噪聲,可根據實際情況加以調整。

  所有電源濾波器都必須接地(廠家特別說明允許不接地的除外),因為濾波器的共模旁路電容必須在接地時才起作用。一般的接地方法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外,還要用較粗的導線將濾波器外殼與設備的接地點相連。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離,避免幹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,則可以抑製差模噪聲。如果把多個電容並聯,則效果會更好。

  幾種濾波器的構成如圖2所示。在圖2(a)中,阻抗Z=1/(ωC1),高頻區域用陶瓷電容、聚酯薄膜電容並聯,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使接地阻抗盡量小。圖2(c)中,C1、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對噪聲呈現高阻抗,而C1則對噪聲呈現低阻抗。當L1、L2采用共模電感結構時,對對稱和非對稱噪聲都有較好的濾波效果。圖2(e)適用於共模噪聲進行濾波,應注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效的濾波器電路。其中,L1、L2、C1為抑製差模噪聲回路,L3、C2、C3構成抑製共模噪聲回路。L1、L2的鐵心應選擇不易磁飽和的材料及M-F特性優良的鐵心材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容,應有足夠的耐壓值,其容量一般取0.22?F -0.47?F。L3為共模電感,對共模噪聲具有較高的阻抗、較好的抑製效果。

  6  EMI濾波器選用與安裝

  開關電源EMI濾波器中的4隻電容器用了兩種不同的下標“x”和“y”,不僅說明了它們在濾波網絡中的作用,還表明了它們在濾波網絡中的安全等級。無論是選用還是設計EMI濾波器,都要認真的考慮Cx和Cy的安全等級。在實際應用中,Cx電容接在單相電源線的L和N之間,它上麵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,要根據EMI濾波器的應用場合和可能存在的EMI信號峰值,正確選用適合安全等級的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,對於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械性能方麵具有足夠的安全裕量,以避免可能出現的擊穿短路現象。

  EMI濾波器是具有互異性的,即把負載接在電源端還是負載端均可。在實際應用中,為達到有效抑製EMI信號的目的,必須根據濾波器兩端將要連接的EMI信號源阻抗和負載阻抗來選擇該濾波器的網絡結構和參數。當EMI濾波器兩端阻抗都處於失配狀態時,即圖4中Zs≠Zin、ZL≠Zout時,EMI信號會在其輸入和輸出端產生反射,增加對EMI信號的衰減。其信號的衰減A與反射Γ的關係為:A=–10Lg(1-|Γ|2)。

  在使用開關電源濾波器時,要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時,要特別注意濾波器的輸入導線與輸出導線的間隔距離,不能把它們捆在一起走線,否則EMI信號很容易從輸入線上耦合到輸出線上,這將大大降低濾波器的抑製效果。

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