開關(guān)電源的電磁兼容性技術(shù)

　　開關(guān)電源一般利用儲能電感及電容器組成L、C濾波電路，實現(xiàn)對差模及共模騷擾信號的濾波。由于電感線圈的分布電容，導(dǎo)致了電感線圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻騷擾信號穿過電感線圈，沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。濾波電容器隨著騷擾信號頻率的上升，引線電感的作用導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷的下降，甚至導(dǎo)致電容器參數(shù)改變，也是產(chǎn)生電磁騷擾的一個原因。

　　4 電磁兼容性的解決方法

　　從電磁兼容的三要素講，要解決開關(guān)電源的電磁兼容性問題，可從三個方面入手：第一，減小騷擾源產(chǎn)生的騷擾信號;第二，切斷騷擾信號的傳播途徑;第三，增強(qiáng)受騷擾體的抗騷擾能力。在解決開關(guān)電源內(nèi)部的兼容性時，可以綜合利用上述三個方法，以成本效益比及實施的難易性為前提。因而，開關(guān)電源產(chǎn)生的對外騷擾，如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)騷擾、電磁場輻射騷擾等只能用減小騷擾源的方法來解決。一方面，可以增強(qiáng)輸入/輸出濾波電路的設(shè)計，改善APFC電路的性能，減小開關(guān)管及整流、續(xù)流二極管的電壓、電流變化率，采用各種軟開關(guān)電路拓?fù)浼翱刂品绞降?另一方面，加強(qiáng)機(jī)殼的屏蔽效果，改善機(jī)殼的縫隙泄漏，并進(jìn)行良好的接地處理。而對外部的抗騷擾能力(如浪涌、雷擊)應(yīng)優(yōu)化交流電輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對1.2/50μs開路電壓及8/20μs 短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，通常采用氧化鋅壓敏電阻與氣體方電管等的組合方法來解決。對于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號電路中，采用TVS管及相應(yīng)的接地保護(hù)、加大小信號電路與機(jī)殼等的電距離來解決或選用具有抗靜電騷擾的器件?？焖偎沧冃盘柡泻軐挼念l譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，采用與防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強(qiáng)輸入電路的共模信號濾波(加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等)來提高系統(tǒng)的抗擾性能。

　　減小開關(guān)電源的內(nèi)部騷擾，實現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，應(yīng)從以下幾個方面入手：①注意數(shù)字電路與模塊電路PCB布線的正確分區(qū);②數(shù)字電路與模擬電路電源的去耦;③數(shù)字電路與模擬電路單點接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點接地以減小共阻騷擾，減小地環(huán)地影響，布線時注意相鄰線間的間距及信號性質(zhì)，避免產(chǎn)生串?dāng)_，減小輸出整流回路及續(xù)流二極管回路與支流濾波電路所包圍的面積，減小變壓器的漏電、濾波電感的分布電容，運(yùn)用諧振頻率高的濾波電容器等。

　　5 濾波器結(jié)構(gòu)

　　濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計中具有極其重要的作用。它不僅可以抑制傳輸線上的傳導(dǎo)干擾，同時對傳輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中，選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環(huán)，能夠改善電路的濾波特性。進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計或選擇合適的濾波器，并正確的安裝濾波器是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。在交流電輸入端加裝的電源濾波器電路如圖1所示。圖中Ld、Cd用于抑制差模噪聲，一般取Ld為100 mH -700mH，Cd取1μF -10μF。Lc、Cc用于抑制共模噪聲，可根據(jù)實際情況加以調(diào)整。

　　所有電源濾波器都必須接地(廠家特別說明允許不接地的除外)，因為濾波器的共模旁路電容必須在接地時才起作用。一般的接地方法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外，還要用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼與設(shè)備的接地點相連。接地阻抗越低，濾波效果越好。

　　濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠(yuǎn)離，避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。

　　如在電源輸出端加輸出濾波器、加裝高頻電容、加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量，則可以抑制差模噪聲。如果把多個電容并聯(lián)，則效果會更好。

　　幾種濾波器的構(gòu)成如圖2所示。在圖2(a)中，阻抗Z=1/(ωC1)，高頻區(qū)域用陶瓷電容、聚酯薄膜電容并聯(lián)，其濾波效果更好。圖2(b)中，噪聲能通過電容旁路到地線上，這種濾波器連接時應(yīng)使接地阻抗盡量小。圖2(c)中，C1、C2對不對稱噪聲有良好的濾波效果，C3對對稱噪聲有良好的濾波效果，連接時應(yīng)使電容器的引線及接地線盡量短。圖2(d)為常用的噪聲濾波電路，L1、L2對噪聲呈現(xiàn)高阻抗，而C1則對噪聲呈現(xiàn)低阻抗。當(dāng)L1、L2采用共模電感結(jié)構(gòu)時，對對稱和非對稱噪聲都有較好的濾波效果。圖2(e)適用于共模噪聲進(jìn)行濾波，應(yīng)注意的是其接地阻抗同樣應(yīng)盡量小。

　　圖3是對共模噪聲和差模噪聲都有效的濾波器電路。其中，L1、L2、C1為抑制差模噪聲回路，L3、C2、C3構(gòu)成抑制共模噪聲回路。L1、L2的鐵心應(yīng)選擇不易磁飽和的材料及M-F特性優(yōu)良的鐵心材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應(yīng)有足夠的耐壓值，其容量一般取0.22μF -0.47μF。L3為共模電感，對共模噪聲具有較高的阻抗、較好的抑制效果。

　　6 EMI濾波器選用與安裝

　　開關(guān)電源EMI濾波器中的4只電容器用了兩種不同的下標(biāo)“x”和“y”，不僅說明了它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的作用，還表明了它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的安全等級。無論是選用還是設(shè)計EMI濾波器，都要認(rèn)真的考慮Cx和Cy的安全等級。在實際應(yīng)用中，Cx電容接在單相電源線的L和N之間，它上面除加有電源額定電壓外，還會疊加L和N之間存在的EMI信號峰值電壓。因此，要根據(jù)EMI濾波器的應(yīng)用場合和可能存在的EMI信號峰值，正確選用適合安全等級的Cx電容器。 Cy電容器是接在電源供電線L、N與金屬外殼(E)之間的，對于220V、50Hz電源，它除符合250V峰值電壓的耐壓要求外，還要求這種電容器在電氣和機(jī)械性能方面具有足夠的安全裕量，以避免可能出現(xiàn)的擊穿短路現(xiàn)象。

　　EMI濾波器是具有互異性的，即把負(fù)載接在電源端還是負(fù)載端均可。在實際應(yīng)用中，為達(dá)到有效抑制EMI信號的目的，必須根據(jù)濾波器兩端將要連接的 EMI信號源阻抗和負(fù)載阻抗來選擇該濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。當(dāng)EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態(tài)時，即圖4中Zs≠Zin、ZL≠Zout時，EMI 信號會在其輸入和輸出端產(chǎn)生反射，增加對EMI信號的衰減。其信號的衰減A與反射Γ的關(guān)系為：A=–10Lg(1-|Γ|2)。

　　在使用開關(guān)電源濾波器時，要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時，要特別注意濾波器的輸入導(dǎo)線與輸出導(dǎo)線的間隔距離，不能把它們捆在一起走線，否則EMI信號很容易從輸入線上耦合到輸出線上，這將大大降低濾波器的抑制效果。

　　7 結(jié)語

　　在開關(guān)電源設(shè)計中，為了少走彎路和節(jié)省時間，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計完成后去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。