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开关电源的电磁兼容性技术及解决方法

1  导言
    电磁兼容是一门新式的跨学科的综合性运用学科。作为边缘技能，它以电气和无线电技能的基本理论为根底，并触及很多新的技能范畴，如微波技能、微电子技能、计算机技能、通讯和网络技能以及新资料等。电磁兼容技能运用的规模很广，简直一切现代化工业范畴，如电力、通讯、交通、航天、军工、计算机和医疗等都有必要处理电磁兼容问题。其研讨的热门内容主要有：电磁搅扰源的特性及其传输特性、电磁搅扰的危害效应、电磁搅扰的按捺技能、电磁频谱的运用和办理、电磁兼容性标准与标准、电磁兼容性的丈量与实验技能、电磁走漏与静电放电等。
    电磁兼容的英文名称为Electromagnetic Compatibility，简称EMC。所谓电磁兼容是指设备（分体系、体系）在一同的电磁环境中能一同执行各自功用的共存状况。这里包括两层意思，即它作业中发生的电磁辐射要约束在必定水平内，别的它自身要有必定的抗搅扰才能。这便是设备研发中一切必要处理的兼容问题。电磁兼容技能触及的频率规模宽达0 GHz ~400GHz，研讨目标除传统设备外，还触及芯片级，直到各种舰船、航天飞机、洲际导弹乃至整个地球的电磁环境。
电磁兼容三要素是搅扰源（打扰源）、耦合通路和灵敏体。堵截以上任何一项都可处理电磁兼容问题，电磁兼容的处理常用的办法主要有屏蔽、接地和滤波。
2  电磁兼容技能名词
（1）电磁兼容性
    电磁兼容性是指设备或许体系在其电磁环境中能正常作业，且不对该环境中任何事物构成不能接受的电磁打扰的才能。
（2）电磁打扰
    电磁打扰是指任何也许引起设备、配备或体系功能下降或许对有生命或许无生命物质发生危害效果的电磁景象。电磁打扰可引起设备、传输通道或体系功能的下降。它的主要要素有天然和人为的打扰源、经过公共地线阻抗/内阻的耦合、沿电源线传导的电磁打扰和辐射搅扰等。电子体系受搅扰的路径为：经过电源，经过信号线或操控电缆、场浸透，经过天线直接进入；经过电缆耦合，从别的设备来的传导搅扰；电子体系内部场耦合；别的设备的辐射搅扰；电子设备外部耦合到内部场；宽带发射机天线体系；外部环境场等。
（3）电磁环境
    电磁环境是一种明显不传送信息的时变电磁景象，它也许与有用信号叠加或组合。
（4）电磁辐射
    电磁辐射是指电磁波由源发射到空间的景象。“电磁辐射”一词的意义有时也可引申，将电磁感应景象也包括在内。RFI/EMI能够经过任何一种设备机壳的开口、通风孔、出入口、电缆、丈量孔、门框、舱盖、抽屉和面板以及机壳的非抱负衔接面等进行辐射。RFI/EMI也可由进入灵敏设备的导线和电缆进行辐射，任何一个杰出的电磁能量辐射器也能够作为杰出的接收器。
（5）脉冲
    脉冲是指在短时间内骤变，随后又敏捷回来至其初始值的物理量。
（6）共模搅扰和差模搅扰
    电源线上的搅扰有共模搅扰和差模搅扰两种办法。共模搅扰存在于电源任何一相对大地或电线对大地之间。共模搅扰有时也称纵模搅扰、不对称搅扰或接地搅扰。这是载流导体与大地之间的搅扰。差模搅扰存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模搅扰也称常模搅扰、横模搅扰或对称搅扰。这是载流导体之间的搅扰。共模搅扰提示了搅扰是由辐射或串扰耦合到电路中的，而差模搅扰则提示了搅扰是源于同一条电源电路。通常这两种搅扰是一同存在的，由于线路阻抗的不平衡，两种搅扰在传输中还会彼此转化，所以状况十分杂乱。搅扰经长距离传输后，差模重量的衰减要比共模大，这是由于线间阻抗与线-地阻抗不一样的原因。出于同一原因，共模搅扰在线路传输中还会向邻近空间辐射，而差模则不会，因而共模搅扰比差模更简单造成电磁搅扰。不一样的搅扰办法要采取不一样的搅扰按捺办法才有用。判断搅扰办法的简便办法是选用电流探头。电流探头先独自盘绕每根导线，得出单根导线的感应值，然后再盘绕两根导线（其间一根是地线），勘探其感应状况。如感应值是添加的，则线路中搅扰电流是共模的；反之则是差模的。
（7）抗扰度电平缓灵敏性电平
    抗扰度电平是指将某给定的电磁打扰施加于某一设备、设备或许体系并使其依然能够正常作业且保持所需功能等级时的最大打扰电平。也就是说，超过此电平时该设备、设备或许体系就会呈现功能下降。而灵敏性电平是指刚刚开始呈现功能下降的电平。所以，对某一设备、设备或许体系而言，抗扰度电平与灵敏性电平是同一数值。
（8）抗扰度裕量
    抗扰度裕量是指配备、设备或许体系的抗扰度电平限值与电磁兼容电平之间的插值。
3  开关电源的电磁兼容性
    开关电源因作业在高电压大电流的开关作业状况下，引起电磁兼容性问题的原因是恰当杂乱的。从整机的电磁性讲，主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合及电磁波耦合几种。共阻耦合主要是打扰源与受打扰体在电气上存在的一同阻抗，经过该阻抗使打扰信号进入受打扰体。线间耦合主要是发生打扰电压及打扰电流的导线或PCB线因并行布线而发生的彼此耦合。电场耦合主要是由于电位差的存在，发生感应电场对受打扰体发生的场耦合。磁场耦合主要是指在大电流的脉冲电源线附近，发生的低频磁场对打扰目标发生的耦合。电磁场耦合主要是由于脉动的电压或电流发生的高频电磁波经过空间向外辐射，对相应的受打扰体发生的耦合。实际上，每一种耦合办法是不能严格区别的，仅仅侧重点不一样罢了。
    在开关电源中，主功率开关管在很高的电压下，以高频开关办法作业，开关电压及开关电流均挨近方波，从频谱剖析知，方波信号富含丰厚的高次谐波。该高次谐波的频谱可达方波频率的1000次以上。一同，由于电源变压器的漏电感及分布电容以及主功率开关器材的作业状况非抱负，在高频开或关时，常常发生高频高压的尖峰谐波震动。该谐波震动发生的高次谐波，经过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或经过散热器及变压器向空间辐射。用于整流及续流的开关二极管，也是发生高频打扰的一个主要原因。因整流及续流二极管作业在高频开关状况，二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响，使之作业在很高的电压及电流改变率下，且发生高频震动。整流及续流二极管通常离电源输出线较近，其发生的高频打扰最简单经过直流输出线传出。开关电源为了进步功率因数，均选用了有源功率因数校对电路。一同，为了进步电路的功率及可靠性，削减功率器材的电应力，很多选用了软开关技能。其间零电压、零电流或零电压/零电流开关技能运用最为广泛。该技能极大的下降了开关器材所发生的电磁打扰。可是，软开关无损吸收电路大都运用L、C进行能量转移，运用二极管的单向导电功能完成能量的单向转换，因而，该谐振电路中的二极管变成电磁打扰的一大打扰源。
    开关电源通常运用储能电感及电容器构成L、C滤波电路，完成对差模及共模打扰信号的滤波。由于电感线圈的分布电容，致使了电感线圈的自谐振频率下降，从而使很多的高频打扰信号穿过电感线圈，沿沟通电源线或直流输出线向外传达。滤波电容器跟着打扰信号频率的上升，引线电感的效果致使电容量及滤波效果不断的下降，乃至致使电容器参数改变，也是发生电磁打扰的一个原因。
4  电磁兼容性的处理办法
  从电磁兼容的三要素讲，要处理开关电源的电磁兼容性问题，可从三个方面下手：第一，减小打扰源发生的打扰信号；第二，堵截打扰信号的传达路径；第三，增强受打扰体的抗打扰才能。在处理开关电源内部的兼容性时，能够综合运用上述三个办法，以本钱效益等到施行的难易性为前提。因而，开关电源发生的对外打扰，如电源线谐波电流、电源线传导打扰、电磁场辐射打扰等只能用减小打扰源的办法来处理。一方面，能够增强输入/输出滤波电路的规划，改进APFC电路的功能，减小开关管及整流、续流二极管的电压、电流改变率，选用各种软开关电路拓扑及操控办法等；另一方面，加强机壳的屏蔽效果，改进机壳的缝隙走漏，并进行杰出的接地处理。而对外部的抗打扰才能（如浪涌、雷击）应优化沟通电输入及直流输出端口的防雷才能。通常，对1.2/50µs开路电压及8/20µs短路电流的组合雷击波形，因能量较小，通常选用氧化锌压敏电阻与气体方电管等的组合办法来处理。关于静电放电，通常在通讯端口及操控端口的小信号电路中，选用TVS管及相应的接地维护、加巨细信号电路与机壳等的电距离来处理或选用具有抗静电打扰的器材。迅速瞬变信号富含很宽的频谱，很简单以共模的办法传入操控电路内，选用与防静电一样的办法并减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波（加共模电容或插入损耗型的铁氧体磁环等）来进步体系的抗扰功能。
    减小开关电源的内部打扰，完成其自身的电磁兼容性，进步开关电源的稳定性及可靠性，应从以下几个方面下手：①留意数字电路与模块电路PCB布线的准确分区；②数字电路与模仿电路电源的去耦；③数字电路与模仿电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻打扰，减小地环地影响，布线时留意相邻线间的距离及信号性质，防止发生串扰，减小输出整流回路及续流二极管回路与支流滤波电路所围住的面积，减小变压器的漏电、滤波电感的分布电容，运用谐振频率高的滤波电容器等。
5   滤波器构造
    滤波是一种按捺传导搅扰的办法。例如，在电源输入端接上滤波器，能够按捺来自电网的噪声对电源自身的损害，也能够按捺由开关电源发生并向电网反应的搅扰。电源滤波器作为按捺电源线传导搅扰的主要单元，在设备或体系的电磁兼容规划中具有极其主要的效果。它不只能够按捺传输线上的传导搅扰，一同对传输线上的辐射发射也具有明显的按捺效果。在滤波电路中，选用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环，能够改进电路的滤波特性。进行恰当的规划或挑选合适的滤波器，并准确的装置滤波器是抗搅扰技能的主要构成部分。在沟通电输入端加装的电源滤波器电路如图1所示。图中Ld、Cd用于按捺差模噪声，通常取Ld为100 mH -700mH，Cd取1µF -10µF。Lc、Cc用于按捺共模噪声，可依据实际状况加以调整。

    一切电源滤波器都有必要接地（厂家特别阐明允许不接地的在外），由于滤波器的共模旁路电容有必要在接地时才起效果。通常的接地办法是除了将滤波器与金属外壳相接以外，还要用较粗的导线将滤波器外壳与设备的接地址相连。接地阻抗越低，滤波效果越好。
    滤波器尽量装置在接近电源入口处。滤波器的输入及输出端要尽量远离，防止搅扰信号从输入端直接耦合到输出端。
    如在电源输出端加输出滤波器、加装高频电容、加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量，则能够按捺差模噪声。如果把多个电容并联，则效果会非常好。
    几种滤波器的构成如图2所示。在图2（a）中，阻抗Z=1/（ωC1），高频区域用陶瓷电容、聚酯薄膜电容并联，其滤波效果非常好。图2（b）中，噪声能经过电容旁路到地线上，这种滤波器衔接时应使接地阻抗尽量小。图2（c）中，C1、C2对不对称噪声有杰出的滤波效果，C3对对称噪声有杰出的滤波效果，衔接时应使电容器的引线及接地线尽量短。图2（d）为常用的噪声滤波电路，L1、L2对噪声呈现高阻抗，而C1则对噪声呈现低阻抗。当L1、L2选用共模电感构造时，对对称和非对称噪声都有较好的滤波效果。图2（e）适用于共模噪声进行滤波，应留意的是其接地阻抗同样应尽量小。

    图3是对共模噪声和差模噪声都有用的滤波器电路。其间，L1、L2、C1为按捺差模噪声回路，L3、C2、C3构成按捺共模噪声回路。L1、L2的铁心应挑选不易磁饱满的资料及M-F特性优秀的铁心资料。C1运用陶瓷电容或聚酯薄膜电容，应有满足的耐压值，其容量通常取0.22µF -0.47µF。L3为共模电感，对共模噪声具有较高的阻抗、较好的按捺效果。

6  EMI滤波器选用与装置
    开关电源EMI滤波器中的4只电容器用了两种不一样的下标“x”和“y”，不只阐明晰它们在滤波网络中的效果，还表明晰它们在滤波网络中的安全等级。无论是选用仍是规划EMI滤波器，都要仔细的思考Cx和Cy的安全等级。在实际运用中，Cx电容接在单相电源线的L和N之间，它上面除加有电源额外电压外，还会叠加L和N之间存在的EMI信号峰值电压。因而，要依据EMI滤波器的运用场合和也许存在的EMI信号峰值，准确选用合适安全等级的Cx电容器。Cy电容器是接在电源供电线L、N与金属外壳（E）之间的，关于220V、50Hz电源，它除契合250V峰值电压的耐压请求外，还请求这种电容器在电气和机械功能方面具有满足的安全裕量，以防止也许呈现的击穿短路景象。
    EMI滤波器是具有互异性的，即把负载接在电源端仍是负载端均可。在实际运用中，为到达有用按捺EMI信号的目的，有必要依据滤波器两头即将衔接的EMI信号源阻抗和负载阻抗来挑选该滤波器的网络构造和参数。当EMI滤波器两头阻抗都处于失配状况时，即图4中Zs≠Zin、ZL≠Zout时，EMI信号会在其输入和输出端发生反射，添加对EMI信号的衰减。其信号的衰减A与反射Γ的关系为：A=–10Lg(1-|Γ|2)。
 

 
    在运用开关电源滤波器时，要留意滤波器在额外电流下的电源频率。在装置滤波器时，要特别留意滤波器的输入导线与输出导线的距离距离，不能把它们捆在一同走线，不然EMI信号很简单从输入线上耦合到输出线上，这将大大下降滤波器的按捺效果。