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TOP1:电磁兼容技术综述及开关电源中的EMC技术应用

我爱方案网| 电磁兼容,开关电源,EMC技术| 2011-06-26
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中心议题:
    *  电磁干扰传输
    *  EMC技术应用


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电磁干扰的产生与控制

1  电磁干扰的产生与传输
电磁干扰传输有两种方式:一种是传导传输方式,另一种则是辐射传输方式。传导传输是在干扰源和敏感设备之间有完整的电路连接,干扰信号沿着连接电路传递到接收器而发生电磁干扰现象。
辐射传输是干扰信号通过介质以电磁波的形式向外传播的干扰形式。常见的辐射耦合有三种:1)一个天线发射的电磁波被另一个天线意外地接收,称为天线对天线的耦合;2)空间电磁场经导线感应而耦合,称为场对线的耦合。3)两根平等导线之间的高频信号相互感应而形成的耦合,称为线对线的感应耦合。

2  电磁干扰的产生机理
从被干扰的敏感设备角度来说,干扰耦合又可分为传导耦合和辐射耦合两类。

● 传导耦合模型
传导耦合按其原理可分为电阻性耦合、电容性耦合和电感性耦合三种基本耦合方式。
 
● 辐射耦合模型
辐射耦合是干扰耦合的另一种方式,除了从干扰源发出的有意辐射外,还有大量的无意辐射。同时,PCB板上的走线无论是电源线、信号线、时钟线、数据线或者控制线等,都能起到天线的效果,即可辐射出干扰波,又可起到接收作用。

3   电磁干扰控制技术
①传输通道抑制
● 滤波:在设计和选用滤波器时应注意频率特性、耐压性能、额定电流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。滤波器的安装正确与否对其插入损耗特性影响很大,只有安装位置恰当,安装方法正确,才能对干扰起到预期的滤波作用。在安装滤波器时应考虑安装位置,输入输出侧的配线必须屏蔽隔离,以及高频接地和搭接方法。

● 屏蔽:电磁屏蔽按原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。电场屏蔽包含静电屏蔽和交变电场屏蔽;磁场屏蔽包含低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽。不同类型的电磁屏蔽对屏蔽体的要求不同。在实际的屏蔽中,电磁屏蔽效能更大程度上依赖于屏蔽体的结构,即导电的连续性。实际的屏蔽体由于制造、装配、维修、散热、观察及接口连接要求,其上面一般都开有形状各异、尺寸不同的孔缝,这些孔缝对于屏蔽体的屏蔽效能起着重要的影响作用,因此必须采取措施来抑制孔缝的电磁泄漏。

● 接地:接地有安全接地和信号接地两种。同时,接地也会引入接地阻抗及地回路干扰。接地技术包括接地点的选择、电路组合、接地的设计和抑制接地干扰措施的合理应用等。

● 搭接:搭接是指导体间低阻抗连接,只有良好的搭接才能使电路完成其设计功能,使干扰的各种抑制措施得以发挥作用。搭接方法可分为永久性搭接和半永久性搭接两种,而搭接类型分为直接搭接和间接搭接。

● 布线:布线是印刷电路板电磁兼容性设计的关键,应选择合理的导线宽度,采取正确的布线策略,如加粗地线,将地线闭合成环路,减少导线不连续性,采用多层板等。

②空间分离
空间分离是抑制空间辐射骚扰和感应耦合骚扰的有效方法,通过加大骚扰源和接受器敏感设备之间的空间距离,使骚扰电磁场到达敏感设备时的强度已衰减到低于接受设备敏感度门限,从而达到抑制电磁干扰的目的。由电磁场理论可知,场强在近区感应场中以1/r3的方式衰减,远区辐射场的场强分布按1/r方式减小。因此,为了满足系统的电磁兼容性要求,尽量将组成系统的各个设备间的空间距离增大。在设备、系统布线中,限制平行线缆的最小间距,以减少串扰。在PCB设计中,规定引线条间的最小间隔。另外,空间分离也包括在空间有限的情况下,对骚扰源辐射方向的方位调整、骚扰源电场矢量与磁场矢量的空间取向的控制。

 

 



③时间分离
当骚扰源非常强,不易采用其他方法可靠抑制时,通常采用时间分隔的方法,使有用信号在骚扰信号停止发射的时间内传输,或者当强骚扰信号发射时,使易受骚扰的敏感设备短时关闭,以避免遭受损害。时间分隔控制有两种形式,一种是主动时间分隔,适用于有用信号出现时间与干扰信号出现时间有确定先后关系的情况;另一种是被动时间分隔,按照干扰信号与有用信号出现的特征使其中某一信号迅速关闭,从而达到时间上不重合、不覆盖的控制要求。

④频谱管理
频谱的规划划分是把各频段划分给各种无线电业务,为特定用户制定频段。制定国家标准规范是防止干扰以及在某些情况下确保通信系统达到所需通信性能的基础。这包括无线电设备的核准程序,无线电发射机、接收机和其他设备型号核准所要求的最低性能标准文件。

⑤电气隔离
电气隔离是避免电路中传导干扰的可靠方法,同时还能使有用信号正常耦合传输。常见的电气隔离耦合形式有机械耦合、电磁耦合、光电耦合等。DC/DC变换器是一种应用广泛的电器隔离器件,它将一种直流电压变换成另一种直流电压,为了防止多个设备共用一个电源引起共电源内阻干扰,应用DC/DC变换器单独对各路供电,以保证电路不受电源中的信号干扰。

开关电源中的EMC技术应用

1  开关电源产生干扰的原因
开关电源首先将工频交流整流为直流,再逆变为高频,最后经过整流滤波电路输出,得到稳定的直流电压,因此自身含有大量的谐波干扰。同时,由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰,都形成了潜在的电磁干扰。开关电源中的干扰源主要集中在电压、电流变化大的元器件上,突出表现在开关管、二极管、高频变压器等上。

①开关电路产生的电磁干扰
开关电路是开关电源的主要干扰源之一。开关电路是开关电源的核心,主要由开关管和高频变压器组成。它产生的du/dt具有较大幅度的脉冲,频带较宽且谐波丰富。这种脉冲干扰产生的主要原因是:开关管负载为高频变压器初级线圈,是感性负载。在开关管导通瞬间,初级线圈产生很大的涌流,并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压;在开关管断开瞬间,由于初级线圈的漏磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰。电源电压中断会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变,这种瞬变是一种传导型电磁干扰,既影响变压器初级,还会使传导干扰返回配电系统,造成电网谐波电磁干扰,从而影响其他设备的安全和经济运行。

②整流电路产生的电磁干扰
整流电路中,在输出整流二极管截止时有一个反向电流,它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中,能将反向电流迅速恢复到零的二极管称为硬恢复特性二极管,这种二极管在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强的高频干扰,其频率可达几十MHz。高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,由于PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时间里,电流会反向流动,致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。

③高频变压器
高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射,形成辐射干扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好,电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导干扰。需要注意的是,在二极管整流电路产生的电磁干扰中,整流二极管反向恢复电流的di/dt远比续流二极管反向恢复电流的di/dt大得多。作为电磁干扰源来研究,整流二极管反向恢复电流形成的干扰强度大、频带宽。但是,整流二极管产生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此,也可不计整流二极管产生的│dv/dt│影响,把整流电路当成电磁干扰耦合通道的一部分来研究。

 

 



④分布电容引起的干扰
开关电源工作在高频状态,因而其分布电容不可忽略。一方面,散热片与开关管集电极间的绝缘片接触面积较大,且绝缘片较薄,因此两者间的分布电容在高频时不能忽略。高频电流会通过分布电容流到散热片上,再流到机壳地,产生共模干扰;另一方面,脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容,可将原边电压直接耦合到副边上,在副边作直流输出的两条电源线上产生共模干扰。


⑤杂散参数影响耦合通道的特性
在传导干扰频段(<30MHz),多数开关电源干扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的。但是,开关电源中的任何一个实际元器件,如电阻、电容、电感乃至开关管、二极管都包含有杂散参数,且研究的频带愈宽,等值电路的阶次愈高。因此,包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。在高频时,杂散参数对耦合通道的特性影响很大,分布电容的存在成为电磁干扰的通道。另外,在开关管功率较大时,集电极一般都需加上散热片,散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略,它能形成面向空间的辐射干扰和电源线传导的共模干扰。

2   开关电源电磁干扰的控制技术
要解决开关电源的电磁干扰问题,可从3个方面入手:1)减小干扰源产生的干扰信号;2)切断干扰信号的传播途径;3)增强受干扰体的抗干扰能力。因此,开关电源电磁电磁干扰要控制技术主要有:电路措施、EMI滤波、元器件选择、屏蔽和印制电路板抗干扰设计等。

①减少开关电源本身的干扰
● 软开关技术:在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件,利用电感和电容的谐振,降低开关过程中的du/dt和di/dt,使开关器件开通时电压的下降先于电流的上升,或关断时电流的下降先于电压的上升,来消除电压和电流的重叠。

● 开关频率调制技术:通过调制开关频率fc,把集中在fc及其谐波2fc、3fc…上的能量分散到它们周围的频带上,以降低各个频点上的EMI幅值。该方法不能降低干扰总量,但能量被分散到频点的基带上,从而使各个频点都不超过EMI规定的限值。为了达到降低噪声频谱峰值的目的,通常有两种处理方法:随机频率法和调制频率法。

● 共模干扰的有源抑制技术:设法从主回路中取出一个与导致电磁干扰的主要开关电压波形完全反相的补偿EMI噪声电压,并用它去平衡原开关电压。

● 减小电磁干扰的缓冲电路:其由线性阻抗稳定网络组成,作用是消除在供电电力线内潜在的干扰,包括电力线干扰、电快速瞬变,电涌,电压高低变化和电力线谐波等。这些干扰对一般稳压电源来说,影响不是很大,但对高频开关电源的影响显著。

● 滤波:EMI滤波器的主要目的之一,就是要在150kHz~30MHz的频段范围获得较高的插入损耗,但对频率为50Hz工频信号不产生衰减,使额定电压、电流顺利通过,同时还必须满足一定的尺寸要求。任何电源线上的传导干扰信号,均可用差模和共模信号来表示。在一般情况下,差模干扰幅度小,频率低,所造成的干扰较小;共模干扰幅度大,频率高,还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大。因此,欲削弱传导干扰,把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下,最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装电磁干扰滤波器。

● PCB设计:PCB抗干扰设计主要包括PCB布局、布线及接地,其目的是减小PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰。开关电源布局的最佳方法与其电气设计类似。在确定PCB的尺寸形状后,再确定特殊元器件(如各种发生器、晶振等)的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。

● 元器件的选择:选择不易产生噪声、不易传导和辐射噪声的元器件。通常特别值得注意的是,二极管和变压器等绕组类元器件的选用。反向恢复电流小、恢复时间短的快速恢复二极管是开关电源高频整流部分的理想器件。

②切断干扰信号的传播途径—共模、差模电源线滤波器设计
电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模和共模干扰都有较强的抑制作用。

③增强敏感电路的抗干扰能力
这主要包括屏蔽和接地两种方式。
 

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