開關(guān)電源EMC必須掌握的幾個概念

2020-03-27 17:41:28

1.電磁干擾的產(chǎn)生與傳輸
電磁干擾傳輸有兩種方式：一種是傳導(dǎo)傳輸方式，另一種則是輻射傳輸方式。傳導(dǎo)傳輸是在干擾源和敏感設(shè)備之間有完整的電路連接，干擾信號沿著連接電路傳遞到接收器而發(fā)生電磁干擾現(xiàn)象。
輻射傳輸是干擾信號通過介質(zhì)以電磁波的形式向外傳播的干擾形式。常見的輻射耦合有三種：1）一個天線發(fā)射的電磁波被另一個天線意外地接收，稱為天線對天線的耦合；2）空間電磁場經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)而耦合，稱為場對線的耦合。3）兩根平等導(dǎo)線之間的高頻信號相互感應(yīng)而形成的耦合，稱為線對線的感應(yīng)耦合。
2.電磁干擾的產(chǎn)生機理
從被干擾的敏感設(shè)備角度來說，干擾耦合又可分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩類。
● 傳導(dǎo)耦合模型
傳導(dǎo)耦合按其原理可分為電阻性耦合、電容性耦合和電感性耦合三種基本耦合方式。
● 輻射耦合模型
輻射耦合是干擾耦合的另一種方式，除了從干擾源發(fā)出的有意輻射外，還有大量的無意輻射。同時，PCB板上的走線無論是電源線、信號線、時鐘線、數(shù)據(jù)線或者控制線等，都能起到天線的效果，即可輻射出干擾波，又可起到接收作用。
3.電磁干擾控制技術(shù)
①傳輸通道抑制
● 濾波：在設(shè)計和選用濾波器時應(yīng)注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。濾波器的安裝正確與否對其插入損耗特性影響很大，只有安裝位置恰當，安裝方法正確，才能對干擾起到預(yù)期的濾波作用。在安裝濾波器時應(yīng)考慮安裝位置，輸入輸出側(cè)的配線必須屏蔽隔離，以及高頻接地和搭接方法。
● 屏蔽：電磁屏蔽按原理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種。電場屏蔽包含靜電屏蔽和交變電場屏蔽；磁場屏蔽包含低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽。不同類型的電磁屏蔽對屏蔽體的要求不同。在實際的屏蔽中，電磁屏蔽效能更大程度上依賴于屏蔽體的結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性。實際的屏蔽體由于制造、裝配、維修、散熱、觀察及接口連接要求，其上面一般都開有形狀各異、尺寸不同的孔縫，這些孔縫對于屏蔽體的屏蔽效能起著重要的影響作用，因此必須采取措施來抑制孔縫的電磁泄漏。
● 接地：接地有安全接地和信號接地兩種。同時，接地也會引入接地阻抗及地回路干擾。接地技術(shù)包括接地點的選擇、電路組合、接地的設(shè)計和抑制接地干擾措施的合理應(yīng)用等。
● 搭接：搭接是指導(dǎo)體間低阻抗連接，只有良好的搭接才能使電路完成其設(shè)計功能，使干擾的各種抑制措施得以發(fā)揮作用。搭接方法可分為永久性搭接和半永久性搭接兩種，而搭接類型分為直接搭接和間接搭接。
● 布線：布線是印刷電路板電磁兼容性設(shè)計的關(guān)鍵，應(yīng)選擇合理的導(dǎo)線寬度，采取正確的布線策略，如加粗地線，將地線閉合成環(huán)路，減少導(dǎo)線不連續(xù)性，采用多層板等。
②空間分離
空間分離是抑制空間輻射騷擾和感應(yīng)耦合騷擾的有效方法，通過加大騷擾源和接受器敏感設(shè)備之間的空間距離，使騷擾電磁場到達敏感設(shè)備時的強度已衰減到低于接受設(shè)備敏感度門限，從而達到抑制電磁干擾的目的。由電磁場理論可知，場強在近區(qū)感應(yīng)場中以1/r3的方式衰減，遠區(qū)輻射場的場強分布按1/r方式減小。因此，為了滿足系統(tǒng)的電磁兼容性要求，盡量將組成系統(tǒng)的各個設(shè)備間的空間距離增大。在設(shè)備、系統(tǒng)布線中，限制平行線纜的最小間距，以減少串擾。在PCB設(shè)計中，規(guī)定引線條間的最小間隔。另外，空間分離也包括在空間有限的情況下，對騷擾源輻射方向的方位調(diào)整、騷擾源電場矢量與磁場矢量的空間取向的控制。
③時間分離
當騷擾源非常強，不易采用其他方法可靠抑制時，通常采用時間分隔的方法，使有用信號在騷擾信號停止發(fā)射的時間內(nèi)傳輸，或者當強騷擾信號發(fā)射時，使易受騷擾的敏感設(shè)備短時關(guān)閉，以避免遭受損害。時間分隔控制有兩種形式，一種是主動時間分隔，適用于有用信號出現(xiàn)時間與干擾信號出現(xiàn)時間有確定先后關(guān)系的情況；另一種是被動時間分隔，按照干擾信號與有用信號出現(xiàn)的特征使其中某一信號迅速關(guān)閉，從而達到時間上不重合、不覆蓋的控制要求。
④頻譜管理
頻譜的規(guī)劃劃分是把各頻段劃分給各種無線電業(yè)務(wù)，為特定用戶制定頻段。制定國家標準規(guī)范是防止干擾以及在某些情況下確保通信系統(tǒng)達到所需通信性能的基礎(chǔ)。這包括無線電設(shè)備的核準程序，無線電發(fā)射機、接收機和其他設(shè)備型號核準所要求的最低性能標準文件。
⑤電氣隔離
電氣隔離是避免電路中傳導(dǎo)干擾的可靠方法，同時還能使有用信號正常耦合傳輸。常見的電氣隔離耦合形式有機械耦合、電磁耦合、光電耦合等。DC/DC變換器是一種應(yīng)用廣泛的電器隔離器件，它將一種直流電壓變換成另一種直流電壓，為了防止多個設(shè)備共用一個電源引起共電源內(nèi)阻干擾，應(yīng)用DC/DC變換器單獨對各路供電，以保證電路不受電源中的信號干擾。
一、開關(guān)電源產(chǎn)生干擾的原因

開關(guān)電源首先將工頻交流整流為直流，再逆變為高頻，最后經(jīng)過整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓，因此自身含有大量的諧波干擾。同時，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰，都形成了潛在的電磁干擾。開關(guān)電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大的元器件上，突出表現(xiàn)在開關(guān)管、二極管、高頻變壓器等上。
①開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾
開關(guān)電路是開關(guān)電源的主要干擾源之一。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產(chǎn)生的主要原因是：開關(guān)管負載為高頻變壓器初級線圈，是感性負載。在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。電源電壓中斷會產(chǎn)生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這種瞬變是一種傳導(dǎo)型電磁干擾，既影響變壓器初級，還會使傳導(dǎo)干擾返回配電系統(tǒng)，造成電網(wǎng)諧波電磁干擾，從而影響其他設(shè)備的安全和經(jīng)濟運行。
②整流電路產(chǎn)生的電磁干擾
整流電路中，在輸出整流二極管截止時有一個反向電流，它恢復(fù)到零點的時間與結(jié)電容等因素有關(guān)。其中，能將反向電流迅速恢復(fù)到零的二極管稱為硬恢復(fù)特性二極管，這種二極管在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十MHz。高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時，由于PN結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化（di/dt）。
③高頻變壓器
高頻變壓器的初級線圈、開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)干擾。需要注意的是，在二極管整流電路產(chǎn)生的電磁干擾中，整流二極管反向恢復(fù)電流的di/dt遠比續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流的di/dt大得多。作為電磁干擾源來研究，整流二極管反向恢復(fù)電流形成的干擾強度大、頻帶寬。但是，整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠小于功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓跳變。因此，也可不計整流二極管產(chǎn)生的│dv/dt│影響，把整流電路當成電磁干擾耦合通道的一部分來研究。
④分布電容引起的干擾
開關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)，因而其分布電容不可忽略。一方面，散熱片與開關(guān)管集電極間的絕緣片接觸面積較大，且絕緣片較薄，因此兩者間的分布電容在高頻時不能忽略。高頻電流會通過分布電容流到散熱片上，再流到機殼地，產(chǎn)生共模干擾；另一方面，脈沖變壓器的初次級之間存在著分布電容，可將原邊電壓直接耦合到副邊上，在副邊作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生共模干擾。
⑤雜散參數(shù)影響耦合通道的特性
在傳導(dǎo)干擾頻段（《30MHz），多數(shù)開關(guān)電源干擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來描述的。但是，開關(guān)電源中的任何一個實際元器件，如電阻、電容、電感乃至開關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù)，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高。因此，包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開關(guān)電源的等效電路將復(fù)雜得多。在高頻時，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁干擾的通道。另外，在開關(guān)管功率較大時，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關(guān)管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射干擾和電源線傳導(dǎo)的共模干擾。
二、開關(guān)電源電磁干擾的控制技術(shù)
要解決開關(guān)電源的電磁干擾問題，可從3個方面入手：1）減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號；2）切斷干擾信號的傳播途徑；3）增強受干擾體的抗干擾能力。因此，開關(guān)電源電磁電磁干擾要控制技術(shù)主要有：電路措施、EMI濾波、元器件選擇、屏蔽和印制電路板抗干擾設(shè)計等。
①減少開關(guān)電源本身的干擾
● 軟開關(guān)技術(shù)：在原有的硬開關(guān)電路中增加電感和電容元件，利用電感和電容的諧振，降低開關(guān)過程中的du/dt和di/dt，使開關(guān)器件開通時電壓的下降先于電流的上升，或關(guān)斷時電流的下降先于電壓的上升，來消除電壓和電流的重疊。
● 開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)：通過調(diào)制開關(guān)頻率fc，把集中在fc及其諧波2fc、3fc…上的能量分散到它們周圍的頻帶上，以降低各個頻點上的EMI幅值。該方法不能降低干擾總量，但能量被分散到頻點的基帶上，從而使各個頻點都不超過EMI規(guī)定的限值。為了達到降低噪聲頻譜峰值的目的，通常有兩種處理方法：隨機頻率法和調(diào)制頻率法。
● 共模干擾的有源抑制技術(shù)：設(shè)法從主回路中取出一個與導(dǎo)致電磁干擾的主要開關(guān)電壓波形完全反相的補償EMI噪聲電壓，并用它去平衡原開關(guān)電壓。
● 減小電磁干擾的緩沖電路：其由線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)組成，作用是消除在供電電力線內(nèi)潛在的干擾，包括電力線干擾、電快速瞬變，電涌，電壓高低變化和電力線諧波等。這些干擾對一般穩(wěn)壓電源來說，影響不是很大，但對高頻開關(guān)電源的影響顯著。
● 濾波：EMI濾波器的主要目的之一，就是要在150kHz～30MHz的頻段范圍獲得較高的插入損耗，但對頻率為50Hz工頻信號不產(chǎn)生衰減，使額定電壓、電流順利通過，同時還必須滿足一定的尺寸要求。任何電源線上的傳導(dǎo)干擾信號，均可用差模和共模信號來表示。在一般情況下，差模干擾幅度小，頻率低，所造成的干擾較小；共模干擾幅度大，頻率高，還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。因此，欲削弱傳導(dǎo)干擾，把EMI信號控制在有關(guān)EMC標準規(guī)定的極限電平以下，最有效的方法就是在開關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝電磁干擾濾波器。
● PCB設(shè)計：PCB抗干擾設(shè)計主要包括PCB布局、布線及接地，其目的是減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串擾。開關(guān)電源布局的最佳方法與其電氣設(shè)計類似。在確定PCB的尺寸形狀后，再確定特殊元器件（如各種發(fā)生器、晶振等）的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。
● 元器件的選擇：選擇不易產(chǎn)生噪聲、不易傳導(dǎo)和輻射噪聲的元器件。通常特別值得注意的是，二極管和變壓器等繞組類元器件的選用。反向恢復(fù)電流小、恢復(fù)時間短的快速恢復(fù)二極管是開關(guān)電源高頻整流部分的理想器件。
②切斷干擾信號的傳播途徑—共模、差模電源線濾波器設(shè)計
電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除。一個合理有效的開關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對電源線上差模和共模干擾都有較強的抑制作用。
③增強敏感電路的抗干擾能力
這主要包括屏蔽和接地兩種方式。

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