電子發(fā)燒友App
正確了解和把握開關(guān)電源的電磁干擾源及其產(chǎn)生機理和干擾傳播途徑，對于采取何種抗干擾措施以使設(shè)備滿足電磁兼容要求非常重要。由于干擾源有開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的干擾源和外部的干擾源，而且可以說干擾源無法消除，受擾設(shè)備也總是存在，因此可以說電磁兼容問題總是存在。
下面以隔離式DC/DC變換器為例，討論開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計：
1. DC/DC變換器輸入濾波電路的設(shè)計
如圖所示，F(xiàn)V1為瞬態(tài)電壓抑制二極管，RV1為壓敏電阻，都具有很強的瞬變浪涌電流的吸收能力，能很好的保護(hù)后級元件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器，必須良好接地，接地線要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線之間的屏蔽隔離，才能有效的切斷傳導(dǎo)干擾沿輸入線的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L1、C1組成低通濾波電路，當(dāng)L1電感值較大時，還需增加如圖所示的V1和R1元件，形成續(xù)流回路吸收L1斷開時釋放的電場能，否則L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開環(huán)磁芯的漏磁場會形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線上的紋波電壓，從而減小輸入導(dǎo)線周圍形成的電磁場。
DC/DC變換器輸入濾波電路
2.高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計
如圖所示，C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路，V2、V3為IGBT、MOSFET等開關(guān)元件，在V2、V3開通和關(guān)斷時，由于開關(guān)時間很快以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會產(chǎn)生較高的di/dt、dv/dt突變，從而形成電磁干擾，為此在變壓器原邊兩端增加R4、C4構(gòu)成的吸收回路，或在V2、V3兩端分別并聯(lián)電容器C5、C6，并縮短引線，減小ab、cd、gh、ef的引線電感。在設(shè)計中，C4、C5、C6一般采用低感電容，電容器容量的大小取決于引線電感量、回路中電流值以及允許的過沖電壓值的大小，LI2/2=C△V2/2公式求得C的大小，其中L為回路電感，I為回路電流，△V為過沖電壓值。
為減小△V，就必須減小回路引線電感值，為此在設(shè)計時常使用一種叫“多層低感復(fù)合母排”的裝置，由我所申請專利的該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小，達(dá)10nH級，從而達(dá)到減小高頻逆變回路電磁干擾的目的。
開關(guān)管電流、電壓波形比較圖
從電磁兼容性設(shè)計角度考慮，應(yīng)盡量降低開關(guān)管V2、V3的開關(guān)頻率，從而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS軟開關(guān)變換技術(shù)能有效降低高頻逆變回路的電磁干擾。在大電流或高電壓下的快速開關(guān)動作是產(chǎn)生電磁噪聲的根本，因此盡可能選用產(chǎn)生電磁噪聲小的電路拓?fù)?，如在同等條件下雙管正激拓?fù)浔葐喂苷ね負(fù)洚a(chǎn)生電磁噪聲要小，全橋電路比半橋電路產(chǎn)生電磁噪聲要小。
如圖所示增加吸收電路后開關(guān)管上的電流、電壓波形與沒有吸收回路時的波形比較。
半橋逆變電路
3.高頻變壓器的電磁兼容設(shè)計
在高頻變壓器T1的設(shè)計時，盡量選用電磁屏蔽性較好的磁芯材料。
如圖所示，C7、C8為匝間耦合電路，C11為繞組間耦合電容，在變壓器繞制時，盡量減小分布電容C11，以減小變壓器原邊的高頻干擾耦合到次邊繞組。
另外為進(jìn)一步減小電磁干擾，可在原、次邊繞組間增加一個屏蔽層，屏蔽層良好接地，這樣變壓器原、次邊繞組對屏蔽層間就形成耦合電容C9、C10，高頻干擾電流就通過C9、C10流到大地。
由于變壓器是一個發(fā)熱元件，較差的散熱條件必然導(dǎo)致變壓器溫度升高，從而形成熱輻射，熱輻射是以電磁波形式對外傳播，因此變壓器必須有很好的散熱條件。
通常將高頻變壓器封裝在一個鋁殼盒內(nèi)，鋁盒還可安裝在鋁散熱器上，并灌注電子硅膠，這樣變壓器即可形成較好的電磁屏蔽，還可保證有較好的散熱效果，減小電磁輻射。
高頻變壓器的電磁兼容設(shè)計
5. 輸出整流電路電磁兼容設(shè)計
如圖所示為輸出半波整流電路，V6為整流二極管，V7為續(xù)流二極管，由于V6、V7工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，因此輸出整流電路的電磁干擾源主要是V6和V7，R5、C12和R6、C13分別連接成V6、V7的吸收電路，用于吸收其開關(guān)動作時產(chǎn)生的電壓尖峰，并以熱的形式在R5、R6上消耗。
減少整流二極管的數(shù)量就可減小電磁干擾的能量，因此同等條件下，采用半波整流電路比采用全波整流和全橋整流產(chǎn)生的電磁干擾要小。
為減小二極管的電磁干擾，必須選用具有軟恢復(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小、反向恢復(fù)時間短的二極管器件。從理論上講，肖特基勢壘二極管（SBD）是多數(shù)載流子導(dǎo)流，不存在少子的存儲與復(fù)合效應(yīng)，因而也就不會有反向電壓尖峰干擾，但實際上對于較高反向工作電壓的肖特基二極管，隨著電子勢壘厚度的增加，反向恢復(fù)電流會增大，也會產(chǎn)生電磁噪聲。因此在輸出電壓較低的情況下選用肖特基二極管作直流二極管產(chǎn)生的電磁干擾會比選用其它二極管器件要小。
輸出整流電路電磁兼容設(shè)計
6. 輸出直流濾波電路的電磁兼容設(shè)計
輸出直流濾波電路主要用于切斷電磁傳導(dǎo)干擾沿導(dǎo)線向輸出負(fù)載端傳播，減小電磁干擾在導(dǎo)線周圍的電磁輻射。
如圖所示，L2、C17、C18組成的LC濾波電路，能減小輸出電流、電壓紋波的大小，從而減小通過輻射傳播的電磁干擾，濾波電容C17、C18盡量采用多個電容并聯(lián)，減小等效串聯(lián)電阻，從而減小紋波電壓，輸出電感L2值盡量大，減小輸出紋波電流的大小，另外電感L2最好使用不開氣隙的閉環(huán)磁芯，最好不是飽和電感。在設(shè)計時，我們要記住，導(dǎo)線上有電流、電壓的變化，在導(dǎo)線周圍就有變化的電磁場，電磁場就會沿空間傳播形成電磁輻射。
C19用于濾除導(dǎo)線上的共模干擾，盡量選用低感電容，且接線要短，C20、C21、C22、C23用于濾除輸出線上的差模干擾，宜選用低感的三端電容，且接地線要短，接地可靠。
Z3為直流EMI濾波器，根據(jù)情況使用或不使用，是采用單級還是多級濾波器，但要求Z3直接安裝在金屬機箱上，最好濾波器輸入、輸出線能屏蔽隔離。
輸出整流電路電磁兼容設(shè)計
7. 接觸器、繼電器等其它開關(guān)器件電磁兼容設(shè)計
繼電器、接觸器、風(fēng)機等在掉電后，其線圈將產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而產(chǎn)生電磁干擾，為此在直流線圈兩端反并聯(lián)一個二極管或RC吸收電路，在交流線圈兩端并聯(lián)一個壓敏電阻用于吸收線圈掉電后產(chǎn)生的電壓尖峰。同時要注意如果接觸器線圈電源與輔助電源的輸入電源為同一個電源，之間最好通過一個EMI濾波器。繼電器觸頭動作時也將產(chǎn)生電磁干擾，因此要在觸頭兩端增加RC吸收回路。
8. 開關(guān)電源箱體結(jié)構(gòu)的電磁兼容設(shè)計
材料選擇：沒有“磁絕緣”材料，電磁屏蔽是利用“磁短路”的原理，來切斷電磁干擾在設(shè)備內(nèi)部與外界空氣中的傳播路徑。在進(jìn)行開關(guān)電源的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要充分考慮對電磁干擾的屏蔽效能，對于屏蔽材料的選擇原則是，當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時，選用高電導(dǎo)率的金屬材料，屏蔽效果較好；當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導(dǎo)磁率的金屬材料，屏蔽效果較好；在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用高電導(dǎo)率和高導(dǎo)磁率的金屬材料組成多層屏蔽體。
孔洞、縫隙、搭接處理方法：
采用電磁屏蔽方法無需重新設(shè)計電路，便可達(dá)到很好的電磁兼容效果。理想的電磁屏蔽體是一個無縫隙、無孔洞、無透入的導(dǎo)電連續(xù)體，低阻抗的金屬密封體，但是一個完全密封的屏蔽體是沒有實用價值的，因為在開關(guān)電源設(shè)備中，有輸入、輸出線過孔、散熱通風(fēng)孔等孔洞，以及箱體結(jié)構(gòu)部件之間的搭接縫隙，如果不采取措施將會產(chǎn)生電磁泄漏，使箱體的屏蔽效能降低、甚至完全喪失。因此在開關(guān)電源箱體設(shè)計時，金屬板之間的搭接最好采用焊接，無法焊接時要使用電磁密封墊或其它的屏蔽材料，箱體上的開孔要小于要屏蔽的電磁波的波長的1/2，否則屏蔽效果將大大降低；對于通風(fēng)孔，在屏蔽要求不高時可以使用穿孔金屬板或金屬化絲網(wǎng)，在要求既要屏蔽效能高，又要通風(fēng)效果好時選用截至波導(dǎo)管等方法，提高屏蔽體的屏蔽效能。如果箱體的屏蔽效能仍無法滿足要求時，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對開關(guān)電源整個箱體的屏蔽之外，還可以對電源設(shè)備內(nèi)部的元件、部件等干擾源或敏感設(shè)備進(jìn)行局部屏蔽。
在進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，針對設(shè)備上所有會受到靜電放電試驗的部分，設(shè)計出一條低阻抗的電流泄放路徑，箱體必須有可靠的接地措施，并且要保證接地線的載流能力，同時將敏感電路或元件遠(yuǎn)離這些泄放回路，或?qū)ζ洳捎秒妶銎帘未胧?。對于結(jié)構(gòu)件的表面處理，一般主要電鍍銀、鋅、鎳、鉻、錫，這需要從導(dǎo)電性能、電化學(xué)反應(yīng)、成本及電磁兼容性等多方面考慮后做出選擇。
下面以隔離式DC/DC變換器為例，討論開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計：
1. DC/DC變換器輸入濾波電路的設(shè)計
如圖所示，F(xiàn)V1為瞬態(tài)電壓抑制二極管，RV1為壓敏電阻，都具有很強的瞬變浪涌電流的吸收能力，能很好的保護(hù)后級元件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器，必須良好接地，接地線要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線之間的屏蔽隔離，才能有效的切斷傳導(dǎo)干擾沿輸入線的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L1、C1組成低通濾波電路，當(dāng)L1電感值較大時，還需增加如圖所示的V1和R1元件，形成續(xù)流回路吸收L1斷開時釋放的電場能，否則L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開環(huán)磁芯的漏磁場會形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線上的紋波電壓，從而減小輸入導(dǎo)線周圍形成的電磁場。
DC/DC變換器輸入濾波電路
2.高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計
如圖所示，C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路，V2、V3為IGBT、MOSFET等開關(guān)元件，在V2、V3開通和關(guān)斷時，由于開關(guān)時間很快以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會產(chǎn)生較高的di/dt、dv/dt突變，從而形成電磁干擾，為此在變壓器原邊兩端增加R4、C4構(gòu)成的吸收回路，或在V2、V3兩端分別并聯(lián)電容器C5、C6，并縮短引線，減小ab、cd、gh、ef的引線電感。在設(shè)計中，C4、C5、C6一般采用低感電容，電容器容量的大小取決于引線電感量、回路中電流值以及允許的過沖電壓值的大小，LI2/2=C△V2/2公式求得C的大小，其中L為回路電感，I為回路電流，△V為過沖電壓值。
為減小△V，就必須減小回路引線電感值，為此在設(shè)計時常使用一種叫“多層低感復(fù)合母排”的裝置，由我所申請專利的該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小，達(dá)10nH級，從而達(dá)到減小高頻逆變回路電磁干擾的目的。
開關(guān)管電流、電壓波形比較圖
從電磁兼容性設(shè)計角度考慮，應(yīng)盡量降低開關(guān)管V2、V3的開關(guān)頻率，從而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS軟開關(guān)變換技術(shù)能有效降低高頻逆變回路的電磁干擾。在大電流或高電壓下的快速開關(guān)動作是產(chǎn)生電磁噪聲的根本，因此盡可能選用產(chǎn)生電磁噪聲小的電路拓?fù)?，如在同等條件下雙管正激拓?fù)浔葐喂苷ね負(fù)洚a(chǎn)生電磁噪聲要小，全橋電路比半橋電路產(chǎn)生電磁噪聲要小。
如圖所示增加吸收電路后開關(guān)管上的電流、電壓波形與沒有吸收回路時的波形比較。
半橋逆變電路
3.高頻變壓器的電磁兼容設(shè)計
在高頻變壓器T1的設(shè)計時，盡量選用電磁屏蔽性較好的磁芯材料。
如圖所示，C7、C8為匝間耦合電路，C11為繞組間耦合電容，在變壓器繞制時，盡量減小分布電容C11，以減小變壓器原邊的高頻干擾耦合到次邊繞組。
另外為進(jìn)一步減小電磁干擾，可在原、次邊繞組間增加一個屏蔽層，屏蔽層良好接地，這樣變壓器原、次邊繞組對屏蔽層間就形成耦合電容C9、C10，高頻干擾電流就通過C9、C10流到大地。
由于變壓器是一個發(fā)熱元件，較差的散熱條件必然導(dǎo)致變壓器溫度升高，從而形成熱輻射，熱輻射是以電磁波形式對外傳播，因此變壓器必須有很好的散熱條件。
通常將高頻變壓器封裝在一個鋁殼盒內(nèi)，鋁盒還可安裝在鋁散熱器上，并灌注電子硅膠，這樣變壓器即可形成較好的電磁屏蔽，還可保證有較好的散熱效果，減小電磁輻射。
高頻變壓器的電磁兼容設(shè)計
5. 輸出整流電路電磁兼容設(shè)計
如圖所示為輸出半波整流電路，V6為整流二極管，V7為續(xù)流二極管，由于V6、V7工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，因此輸出整流電路的電磁干擾源主要是V6和V7，R5、C12和R6、C13分別連接成V6、V7的吸收電路，用于吸收其開關(guān)動作時產(chǎn)生的電壓尖峰，并以熱的形式在R5、R6上消耗。
減少整流二極管的數(shù)量就可減小電磁干擾的能量，因此同等條件下，采用半波整流電路比采用全波整流和全橋整流產(chǎn)生的電磁干擾要小。
為減小二極管的電磁干擾，必須選用具有軟恢復(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小、反向恢復(fù)時間短的二極管器件。從理論上講，肖特基勢壘二極管（SBD）是多數(shù)載流子導(dǎo)流，不存在少子的存儲與復(fù)合效應(yīng)，因而也就不會有反向電壓尖峰干擾，但實際上對于較高反向工作電壓的肖特基二極管，隨著電子勢壘厚度的增加，反向恢復(fù)電流會增大，也會產(chǎn)生電磁噪聲。因此在輸出電壓較低的情況下選用肖特基二極管作直流二極管產(chǎn)生的電磁干擾會比選用其它二極管器件要小。
輸出整流電路電磁兼容設(shè)計
6. 輸出直流濾波電路的電磁兼容設(shè)計
輸出直流濾波電路主要用于切斷電磁傳導(dǎo)干擾沿導(dǎo)線向輸出負(fù)載端傳播，減小電磁干擾在導(dǎo)線周圍的電磁輻射。
如圖所示，L2、C17、C18組成的LC濾波電路，能減小輸出電流、電壓紋波的大小，從而減小通過輻射傳播的電磁干擾，濾波電容C17、C18盡量采用多個電容并聯(lián)，減小等效串聯(lián)電阻，從而減小紋波電壓，輸出電感L2值盡量大，減小輸出紋波電流的大小，另外電感L2最好使用不開氣隙的閉環(huán)磁芯，最好不是飽和電感。在設(shè)計時，我們要記住，導(dǎo)線上有電流、電壓的變化，在導(dǎo)線周圍就有變化的電磁場，電磁場就會沿空間傳播形成電磁輻射。
C19用于濾除導(dǎo)線上的共模干擾，盡量選用低感電容，且接線要短，C20、C21、C22、C23用于濾除輸出線上的差模干擾，宜選用低感的三端電容，且接地線要短，接地可靠。
Z3為直流EMI濾波器，根據(jù)情況使用或不使用，是采用單級還是多級濾波器，但要求Z3直接安裝在金屬機箱上，最好濾波器輸入、輸出線能屏蔽隔離。
輸出整流電路電磁兼容設(shè)計
7. 接觸器、繼電器等其它開關(guān)器件電磁兼容設(shè)計
繼電器、接觸器、風(fēng)機等在掉電后，其線圈將產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而產(chǎn)生電磁干擾，為此在直流線圈兩端反并聯(lián)一個二極管或RC吸收電路，在交流線圈兩端并聯(lián)一個壓敏電阻用于吸收線圈掉電后產(chǎn)生的電壓尖峰。同時要注意如果接觸器線圈電源與輔助電源的輸入電源為同一個電源，之間最好通過一個EMI濾波器。繼電器觸頭動作時也將產(chǎn)生電磁干擾，因此要在觸頭兩端增加RC吸收回路。
8. 開關(guān)電源箱體結(jié)構(gòu)的電磁兼容設(shè)計
材料選擇：沒有“磁絕緣”材料，電磁屏蔽是利用“磁短路”的原理，來切斷電磁干擾在設(shè)備內(nèi)部與外界空氣中的傳播路徑。在進(jìn)行開關(guān)電源的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要充分考慮對電磁干擾的屏蔽效能，對于屏蔽材料的選擇原則是，當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時，選用高電導(dǎo)率的金屬材料，屏蔽效果較好；當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導(dǎo)磁率的金屬材料，屏蔽效果較好；在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用高電導(dǎo)率和高導(dǎo)磁率的金屬材料組成多層屏蔽體。
孔洞、縫隙、搭接處理方法：
采用電磁屏蔽方法無需重新設(shè)計電路，便可達(dá)到很好的電磁兼容效果。理想的電磁屏蔽體是一個無縫隙、無孔洞、無透入的導(dǎo)電連續(xù)體，低阻抗的金屬密封體，但是一個完全密封的屏蔽體是沒有實用價值的，因為在開關(guān)電源設(shè)備中，有輸入、輸出線過孔、散熱通風(fēng)孔等孔洞，以及箱體結(jié)構(gòu)部件之間的搭接縫隙，如果不采取措施將會產(chǎn)生電磁泄漏，使箱體的屏蔽效能降低、甚至完全喪失。因此在開關(guān)電源箱體設(shè)計時，金屬板之間的搭接最好采用焊接，無法焊接時要使用電磁密封墊或其它的屏蔽材料，箱體上的開孔要小于要屏蔽的電磁波的波長的1/2，否則屏蔽效果將大大降低；對于通風(fēng)孔，在屏蔽要求不高時可以使用穿孔金屬板或金屬化絲網(wǎng)，在要求既要屏蔽效能高，又要通風(fēng)效果好時選用截至波導(dǎo)管等方法，提高屏蔽體的屏蔽效能。如果箱體的屏蔽效能仍無法滿足要求時，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對開關(guān)電源整個箱體的屏蔽之外，還可以對電源設(shè)備內(nèi)部的元件、部件等干擾源或敏感設(shè)備進(jìn)行局部屏蔽。
在進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，針對設(shè)備上所有會受到靜電放電試驗的部分，設(shè)計出一條低阻抗的電流泄放路徑，箱體必須有可靠的接地措施，并且要保證接地線的載流能力，同時將敏感電路或元件遠(yuǎn)離這些泄放回路，或?qū)ζ洳捎秒妶銎帘未胧?。對于結(jié)構(gòu)件的表面處理，一般主要電鍍銀、鋅、鎳、鉻、錫，這需要從導(dǎo)電性能、電化學(xué)反應(yīng)、成本及電磁兼容性等多方面考慮后做出選擇。
工商網(wǎng)監(jiān)
評論