開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)

正確了解和把握開關(guān)電源的電磁干擾源及其產(chǎn)生機(jī)理和干擾傳播途徑，對(duì)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(jì)：

1. DC/DC變換器輸入濾波電路的設(shè)計(jì)

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(qiáng)的瞬變浪涌電流的吸收能力，能很好的保護(hù)后級(jí)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，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(shí)，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(shí)釋放的電場(chǎng)能，否則L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會(huì)形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯為閉合磁芯，帶氣隙的開環(huán)磁芯的漏磁場(chǎng)會(huì)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(chǎng)。

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(jì)

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(shí)，由于開關(guān)時(shí)間很快以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會(huì)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(jì)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(jì)時(shí)常使用一種叫“多層低感復(fù)合母排”的裝置，由我所申請(qǐng)的該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小，達(dá)10nH級(jí)，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(jì)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(dòng)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(shí)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(jì)

在高頻變壓器T1的設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)，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(gè)屏蔽層，屏蔽層良好接地，這樣變壓器原、次邊繞組對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)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(jì)

5. 輸出整流電路電磁兼容設(shè)計(jì)

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(dòng)作時(shí)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(shí)間短的二極管器件。從理論上講，肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)是多數(shù)載流子導(dǎo)流，不存在少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng)，因而也就不會(huì)有反向電壓尖峰干擾，但實(shí)際上對(duì)于較高反向工作電壓的肖特基二極管，隨著電子勢(shì)壘厚度的增加，反向恢復(fù)電流會(huì)增大，也會(huì)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(huì)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(jì)

6. 輸出直流濾波電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

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(gè)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使用不開氣隙的閉環(huán)磁芯，不是飽和電感。在設(shè)計(jì)時(shí)，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(chǎng)，電磁場(chǎng)就會(huì)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(jí)還是多級(jí)濾波器，但要求Z3直接安裝在金屬機(jī)箱上，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(jì)

7.接觸器、繼電器等其它開關(guān)器件電磁兼容設(shè)計(jì)

繼電器、接觸器、風(fēng)機(jī)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(gè)二極管或RC吸收電路，在交流線圈兩端并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻用于吸收線圈掉電后產(chǎn)生的電壓尖峰。同時(shí)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(gè)電源，之間通過一個(gè)EMI濾波器。繼電器觸頭動(dòng)作時(shí)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(jì)

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(jì)時(shí)，要充分考慮對(duì)電磁干擾的屏蔽效能，對(duì)于屏蔽材料的選擇原則是，當(dāng)干擾電磁場(chǎng)的頻率較高時(shí)，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(shí)，要采用高導(dǎo)磁率的金屬材料，屏蔽效果較好;在某些場(chǎng)合下，如果要求對(duì)高頻和低頻電磁場(chǎng)都具有良好的屏蔽效果時(shí)，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(jì)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(gè)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(gè)完全密封的屏蔽體是沒有實(shí)用價(jià)值的，因?yàn)樵陂_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(huì)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(jì)時(shí)，金屬板之間的搭接采用焊接，無法焊接時(shí)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(duì)于通風(fēng)孔，在屏蔽要求不高時(shí)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(shí)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(shí)，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對(duì)開關(guān)電源整個(gè)箱體的屏蔽之外，還可以對(duì)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(jì)時(shí)，針對(duì)設(shè)備上所有會(huì)受到靜電放電試驗(yàn)的部分，設(shè)計(jì)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(shí)將敏感電路或元件遠(yuǎn)離這些泄放回路，或?qū)ζ洳捎秒妶?chǎng)屏蔽措施。對(duì)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。

審核編輯：湯梓紅