老工程師談經(jīng)驗(yàn)之—— 開(kāi)關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)

本文探討的是關(guān)于開(kāi)關(guān)電源電磁兼容的電磁騷擾EMD與電磁敏感度EMS設(shè)計(jì)問(wèn)題。由于國(guó)家開(kāi)始對(duì)部分電子產(chǎn)品強(qiáng)制實(shí)行3C認(rèn)證，因此一個(gè)電子設(shè)備能否滿(mǎn)足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場(chǎng)上銷(xiāo)售，所以進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。
電磁兼容學(xué)是一門(mén)綜合性學(xué)科，它涉及的理論包括數(shù)學(xué)、電磁場(chǎng)理論、天線與電波傳播、電路理論、信號(hào)分析、通訊理論、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等。

進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)，首先進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，明確以下幾點(diǎn)：

1. 明確系統(tǒng)要滿(mǎn)足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)；

2. 確定系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路部分，包括強(qiáng)干擾源電路、高度敏感電路；

3. 明確電源設(shè)備工作環(huán)境中的電磁干擾源及敏感設(shè)備；

4. 確定對(duì)電源設(shè)備所要采取的電磁兼容性措施。

一、DC/DC變換器內(nèi)部噪聲干擾源分析

1．二極管的反向恢復(fù)引起噪聲干擾

在開(kāi)關(guān)電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續(xù)流二極管等，由于這些二極管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如圖所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通工作過(guò)程中，將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰VFP；在二極管由導(dǎo)通狀態(tài)到阻斷工作過(guò)程中，存在一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間trr，在反向恢復(fù)過(guò)程中，由于二極管封裝電感及引線電感的存在，將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰VRP，由于少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生瞬變的反向恢復(fù)電流IRP，這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產(chǎn)生的根源。

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電流電壓波形圖

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二極管反向恢復(fù)時(shí)電流電壓波形 二極管正向?qū)娏麟妷翰ㄐ?br />
2．開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生電磁干擾

二極管反向恢復(fù)時(shí)電流電壓波形 二極管正向?qū)娏麟妷翰ㄐ?br />
在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，在反激變換器中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似三角波，高次諧波成分相對(duì)較少。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)，由于開(kāi)關(guān)時(shí)間很短以及逆變回路中引線電感的存在，將產(chǎn)生很大的dV/dt突變和很高的尖峰電壓，在開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)，由于關(guān)斷時(shí)間很短，將產(chǎn)生很大的di/dt突變和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變將產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。

3．電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾：在開(kāi)關(guān)電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件，隔離變壓器初次級(jí)之間存在寄生電容，高頻干擾信號(hào)通過(guò)寄生電容耦合到次邊；功率變壓器由于繞制工藝等原因，原次邊耦合不理想而存在漏感，漏電感將產(chǎn)生電磁輻射干擾，另外功率變壓器線圈繞組流過(guò)高頻脈沖電流，在周?chē)纬筛哳l電磁場(chǎng)；電感線圈中流過(guò)脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)輻射，而且在負(fù)載突切時(shí)，會(huì)形成電壓尖峰，同時(shí)當(dāng)它工作在飽和狀態(tài)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電流突變，這些都會(huì)引起電磁干擾。

4．控制電路中周期性的高頻脈沖信號(hào)如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)等將產(chǎn)生高頻高次諧波，對(duì)周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁干擾。

5．此外電路中還會(huì)有地環(huán)路干擾、公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等。

6．開(kāi)關(guān)電源中的布線設(shè)計(jì)非常重要，不合理布線將使電磁干擾通過(guò)線線之間的耦合電容和分布互感串?dāng)_或輻射到鄰近導(dǎo)線上，從而影響其它電路的正常工作。

7．熱輻射產(chǎn)生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進(jìn)行熱交換，這種電磁干擾影響其它電子元器件或電路的正常穩(wěn)定工作。

二、外界的電磁干擾

對(duì)于某一電子設(shè)備，外界對(duì)其產(chǎn)生影響的電磁干擾包括：電網(wǎng)中的諧波干擾、雷電、太陽(yáng)噪聲、靜電放電，以及周?chē)母哳l發(fā)射設(shè)備引起的干擾。

三、電磁干擾的后果

電磁干擾將造成傳輸信號(hào)畸變，影響設(shè)備的正常工作。對(duì)于雷電、靜電放電等高能量的電磁干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備。而對(duì)于某些設(shè)備，電磁輻射會(huì)引起重要信息的泄漏。

四、開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)

了解了開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部及外部電磁干擾源后，我們還應(yīng)知道，形成電磁干擾機(jī)理的三要素是還有傳播途徑和受擾設(shè)備。因此開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)主要從以下三個(gè)方面入手：1，減小干擾源的電磁干擾能量；2，切斷干擾傳播途徑；3，提高受擾設(shè)備的抗干擾能力。

正確了解和把握開(kāi)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(mǎn)足電磁兼容要求非常重要。由于干擾源有開(kāi)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(shuō)干擾源無(wú)法消除，受擾設(shè)備也總是存在，因此可以說(shuō)電磁兼容問(wèn)題總是存在。

下面以隔離式DC/DC變換器為例，討論開(kāi)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，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(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(kāi)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所使用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開(kāi)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?chē)纬傻碾姶艌?chǎng)。