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開關(guān)電源電磁干擾源分析
一、引言原文位置
電磁兼容性(EMC)是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下不因電磁干擾而降低性能指標(biāo)，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于規(guī)定的極限電平，不影響其它電子設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠地工作的目的。
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世界各國都相應(yīng)制定了自己的EMC標(biāo)準(zhǔn)。比如國際電工委員會(huì)的1EC61000及(C1SPR系列標(biāo)準(zhǔn)、歐洲共同體的FN系列標(biāo)準(zhǔn)、美國聯(lián)邦通信委的FCC系列標(biāo)準(zhǔn)和我國現(xiàn)行的GT3/T13926系列EMC標(biāo)準(zhǔn)等。隨著國際電磁兼容法規(guī)的日益嚴(yán)格，產(chǎn)品的電磁兼容性能越來越受到重視。
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開關(guān)電源作為一種電源設(shè)備，其應(yīng)用越來越廣泛。隨著電力電子器件的不斷更新?lián)Q代，開關(guān)電源的開關(guān)頻率及開關(guān)速度不斷提高，但開關(guān)的快速通斷，引起電壓和電流的快速變化。這些瞬變的電壓和電流，通過電源線路、寄生參數(shù)和雜散的電磁場耦合，會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾。
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二、開關(guān)電源的干擾源分析
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開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)，按耦合通道來分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾;按噪聲干擾源種類來分可分為尖峰干擾和諧波干擾。開關(guān)電源在工作過程中所產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓就形成了干擾源，工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換以及輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流都是這類干擾源。
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三、電磁干擾的抑制措施
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電磁干擾由三個(gè)基本要素組合而產(chǎn)生：電磁干擾源;對(duì)該干擾能量敏感的設(shè)備;將電磁干擾源傳輸?shù)矫舾性O(shè)備的媒介即傳輸通道或藕合途徑。對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾所采取的抑制措施，主要從兩個(gè)方而考慮：一是減小干擾源的干擾強(qiáng)度;一是切斷干擾傳播途徑。
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常用的抗干擾措施包括電路的隔離、屏蔽、接地、加裝EMI濾波器以及PCB板的合理布局與布線。
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1.電路的隔離
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在開關(guān)電源中，電路的隔離主要有：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。對(duì)于開關(guān)電源的模擬信號(hào)控制系統(tǒng)的隔離，交流信號(hào)一般采用變壓器隔離，直流信號(hào)一般采用線性隔離器(如線性光電耦器)隔離。數(shù)字電路的隔離主要有:脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離等。其中數(shù)字量輸入隔離方式主要采用脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離;而數(shù)字量輸出隔離方式主要采用光電耦合器隔離、高頻變壓器隔離。
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2. 屏蔽
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屏蔽一般分為兩類，一類是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響;另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。屏蔽是抑制開關(guān)電源輻射干擾的有效方法。可以用導(dǎo)電良好的材料對(duì)電場屏蔽，而用導(dǎo)磁率高的材料對(duì)磁場屏蔽。
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3.接地
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為防止各種電路在工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地工作，根據(jù)電路的性質(zhì)，將工作接地分為不同的種類。比如直流地、交流地、數(shù)字地、模擬地、信號(hào)地、功率地、電源地等。在電路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)將交流電源地與直流電源地分開，模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開，功率地與弱電地分開。
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4.加裝EMI濾波器
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電源濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，用于抑制電源線引出的傳導(dǎo)干擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)干擾，對(duì)提高設(shè)備的可靠性有重要的作用。開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾以傳導(dǎo)干擾為主，而傳導(dǎo)干擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。構(gòu)成開關(guān)電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。該濾波器由共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy組成。共模扼流圈L由兩個(gè)繞在同一個(gè)高磁導(dǎo)率磁芯上的繞組構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)使差模電流產(chǎn)生的磁通相互抵消。這種結(jié)構(gòu)以較小體積獲得較大的電感值，并且不用擔(dān)心由于工作電流導(dǎo)致飽和。每個(gè)繞組與電容Cy分別組成L-E和N-E兩對(duì)獨(dú)立端口的低通濾波器，形成共模濾波網(wǎng)絡(luò)，用來抑制電源線上存在的共模干擾。至于共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy的取值大小，應(yīng)盡量做到濾波器的諧振頻率低于開關(guān)電源的工作頻率，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)頻段的濾波。
圖1 開關(guān)電源EMI濾波器
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5.PCB板的合理布局與布線
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開關(guān)電源的輻射干擾與電流通路中的電流大小，通路的環(huán)路面積，以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比，即輻射干擾E∝I·A·f 2。運(yùn)用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠(yuǎn)小于頻率的波長。上述關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵，這是說開關(guān)電源的元器件要彼此緊密排列。在初級(jí)電路中，要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近，且布線緊湊;在次級(jí)電路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。在印制板上，將正負(fù)載流導(dǎo)線分別布在印制板的兩面，并設(shè)法使兩個(gè)載流導(dǎo)體彼此間保持平行，因?yàn)槠叫芯o靠的正負(fù)載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場是趨向于相互抵消的。
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四、結(jié)束語
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要提高開關(guān)頻率，提高開關(guān)電源產(chǎn)品的質(zhì)量，電磁兼容性是不容忽視的問題。產(chǎn)生開關(guān)電源電磁干擾的因素還很多，抑制電磁干擾還有大量的工作。只有在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮電磁兼容問題，才能使開關(guān)電源得到更普遍的應(yīng)用。
電壓就形成了干擾源，工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換以及輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流都是這類干擾源。
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三、電磁干擾的抑制措施
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電磁干擾由三個(gè)基本要素組合而產(chǎn)生：電磁干擾源;對(duì)該干擾能量敏感的設(shè)備;將電磁干擾源傳輸?shù)矫舾性O(shè)備的媒介即傳輸通道或藕合途徑。對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾所采取的抑制措施，主要從兩個(gè)方而考慮：一是減小干擾源的干擾強(qiáng)度;一是切斷干擾傳播途徑。
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常用的抗干擾措施包括電路的隔離、屏蔽、接地、加裝EMI濾波器以及PCB板的合理布局與布線。
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1.電路的隔離
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在開關(guān)電源中，電路的隔離主要有：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。對(duì)于開關(guān)電源的模擬信號(hào)控制系統(tǒng)的隔離，交流信號(hào)一般采用變壓器隔離，直流信號(hào)一般采用線性隔離器(如線性光電耦器)隔離。數(shù)字電路的隔離主要有:脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離等。其中數(shù)字量輸入隔離方式主要采用脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離;而數(shù)字量輸出隔離方式主要采用光電耦合器隔離、高頻變壓器隔離。
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2. 屏蔽
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屏蔽一般分為兩類，一類是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響;另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。屏蔽是抑制開關(guān)電源輻射干擾的有效方法。可以用導(dǎo)電良好的材料對(duì)電場屏蔽，而用導(dǎo)磁率高的材料對(duì)磁場屏蔽。
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3.接地
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為防止各種電路在工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地工作，根據(jù)電路的性質(zhì)，將工作接地分為不同的種類。比如直流地、交流地、數(shù)字地、模擬地、信號(hào)地、功率地、電源地等。在電路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)將交流電源地與直流電源地分開，模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開，功率地與弱電地分開。
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4.加裝EMI濾波器
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電源濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，用于抑制電源線引出的傳導(dǎo)干擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)干擾，對(duì)提高設(shè)備的可靠性有重要的作用。開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾以傳導(dǎo)干擾為主，而傳導(dǎo)干擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。構(gòu)成開關(guān)電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。該濾波器由共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy組成。共模扼流圈L由兩個(gè)繞在同一個(gè)高磁導(dǎo)率磁芯上的繞組構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)使差模電流產(chǎn)生的磁通相互抵消。這種結(jié)構(gòu)以較小體積獲得較大的電感值，并且不用擔(dān)心由于工作電流導(dǎo)致飽和。每個(gè)繞組與電容Cy分別組成L-E和N-E兩對(duì)獨(dú)立端口的低通濾波器，形成共模濾波網(wǎng)絡(luò)，用來抑制電源線上存在的共模干擾。至于共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy的取值大小，應(yīng)盡量做到濾波器的諧振頻率低于開關(guān)電源的工作頻率，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)頻段的濾波。
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