開關(guān)電源中的EMC技術(shù)應(yīng)用

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(hào)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(hào)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(gè)天線發(fā)射的電磁波被另一個(gè)天線意外地接收，稱為天線對(duì)天線的耦合；2）空間電磁場(chǎng)經(jīng)導(dǎo)線感應(yīng)而耦合，稱為場(chǎng)對(duì)線的耦合。3）兩根平等導(dǎo)線之間的高頻信號(hào)相互感應(yīng)而形成的耦合，稱為線對(duì)線的感應(yīng)耦合。

　　2電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)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(shí)，PCB板上的走線無論是電源線、信號(hào)線、時(shí)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)

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　　● 濾波：在設(shè)計(jì)和選用濾波器時(shí)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(duì)其插入損耗特性影響很大，只有安裝位置恰當(dāng)，安裝方法正確，才能對(duì)干擾起到預(yù)期的濾波作用。在安裝濾波器時(shí)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(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽三種。電場(chǎng)屏蔽包含靜電屏蔽和交變電場(chǎng)屏蔽；磁場(chǎng)屏蔽包含低頻磁場(chǎng)屏蔽和高頻磁場(chǎng)屏蔽。不同類型的電磁屏蔽對(duì)屏蔽體的要求不同。在實(shí)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(shí)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(duì)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(hào)接地兩種。同時(shí)，接地也會(huì)引入接地阻抗及地回路干擾。接地技術(shù)包括接地點(diǎn)的選擇、電路組合、接地的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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。

　?、诳臻g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(chǎng)到達(dá)敏感設(shè)備時(shí)的強(qiáng)度已衰減到低于接受設(shè)備敏感度門限，從而達(dá)到抑制電磁干擾的目的。由電磁場(chǎng)理論可知，場(chǎng)強(qiáng)在近區(qū)感應(yīng)場(chǎng)中以1/r3的方式衰減，遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)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(gè)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?dāng)_。在PCB設(shè)計(jì)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(duì)騷擾源輻射方向的方位調(diào)整、騷擾源電場(chǎng)矢量與磁場(chǎng)矢量的空間取向的控制。

　　③時(shí)間分離

　　當(dāng)騷擾源非常強(qiáng)，不易采用其他方法可靠抑制時(shí)，通常采用時(shí)間分隔的方法，使有用信號(hào)在騷擾信號(hào)停止發(fā)射的時(shí)間內(nèi)傳輸，或者當(dāng)強(qiáng)騷擾信號(hào)發(fā)射時(shí)，使易受騷擾的敏感設(shè)備短時(shí)關(guān)閉，以避免遭受損害。時(shí)間分隔控制有兩種形式，一種是主動(dòng)時(shí)間分隔，適用于有用信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間與干擾信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間有確定先后關(guān)系的情況；另一種是被動(dòng)時(shí)間分隔，按照干擾信號(hào)與有用信號(hào)出現(xiàn)的特征使其中某一信號(hào)迅速關(guān)閉，從而達(dá)到時(shí)間上不重合、不覆蓋的控制要求。

　?、茴l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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是防止干擾以及在某些情況下確保通信系統(tǒng)達(dá)到所需通信性能的基礎(chǔ)。這包括無線電設(shè)備的核準(zhǔn)程序，無線電發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和其他設(shè)備型號(hào)核準(zhǔn)所要求的最低性能標(biāo)準(zhǔn)文件。

　?、蓦姎飧綦x

　　電氣隔離是避免電路中傳導(dǎo)干擾的可靠方法，同時(shí)還能使有用信號(hào)正常耦合傳輸。常見的電氣隔離耦合形式有機(jī)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(gè)設(shè)備共用一個(gè)電源引起共電源內(nèi)阻干擾，應(yīng)用DC/DC變換器單獨(dú)對(duì)各路供電，以保證電路不受電源中的信號(hào)干擾。

　　開關(guān)電源中的EMC技術(shù)應(yīng)用

　　1 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?yōu)楦哳l，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(shí)，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。

　?、匍_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(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈，是感性負(fù)載。在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級(jí)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(jí)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(chǔ)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(huì)產(chǎn)生與初級(jí)線圈接通時(shí)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(jí)，還會(huì)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(jì)運(yùn)行。

　?、谡麟娐樊a(chǎn)生的電磁干擾

　　整流電路中，在輸出整流二極管截止時(shí)有一個(gè)反向電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)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(qiáng)的高頻干擾，其頻率可達(dá)幾十MHz。高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí)，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(shí)間里，電流會(huì)反向流動(dòng)，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）。

　?、鄹哳l變壓器

　　高頻變壓器的初級(jí)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(huì)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(huì)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(yuǎn)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(qiáng)度大、頻帶寬。但是，整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠(yuǎn)小于功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓跳變。因此，也可不計(jì)整流二極管產(chǎn)生的│dv/dt│影響，把整流電路當(dāng)成電磁干擾耦合通道的一部分來研究。

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　　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(shí)不能忽略。高頻電流會(huì)通過分布電容流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，產(chǎn)生共模干擾；另一方面，脈沖變壓器的初次級(jí)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(gè)實(shí)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(shí)，雜散參數(shù)對(duì)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(shí)，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(shí)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。