開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性技術(shù)分析
1 引言
電磁兼容是一門(mén)新興的跨學(xué)科的綜合性應用學(xué)科。作為邊緣技術(shù)，它以電氣和無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的基本理論為基礎，并涉及許多新的技術(shù)領(lǐng)域，如微波技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)以及新材料等。電磁兼容技術(shù)應用的范圍很廣，幾乎所有現代化工業(yè)領(lǐng)域，如電力、通信、交通、航天、軍工、計算機和醫療等都必須解決電磁兼容問(wèn)題。其研究的熱點(diǎn)內容主要有：電磁干擾源的特性及其傳輸特性、電磁干擾的危害效應、電磁干擾的抑制技術(shù)、電磁頻譜的利用和管理、電磁兼容性標準與規范、電磁兼容性的測量與試驗技術(shù)、電磁泄漏與靜電放電等。
電磁兼容的英文名稱(chēng)為Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC。所謂電磁兼容是指設備（分系統、系統）在共同的電磁環(huán)境中能一起執行各自功能的共存狀態(tài)。這里包含兩層意思，即它工作中產(chǎn)生的電磁輻射要限制在一定水平內，另外它本身要有一定的抗干擾能力。這便是設備研制中所必須解決的兼容問(wèn)題。電磁兼容技術(shù)涉及的頻率范圍寬達0 GHz ~400GHz，研究對象除傳統設備外，還涉及芯片級，直到各種艦船、航天飛機、洲際導彈甚至整個(gè)地球的電磁環(huán)境。
電磁兼容三要素是干擾源（騷擾源）、耦合通路和敏感體。切斷以上任何一項都可解決電磁兼容問(wèn)題，電磁兼容的解決常用的方法主要有屏蔽、接地和濾波。
2 電磁兼容技術(shù)名詞
�。�1）電磁兼容性
電磁兼容性是指設備或者系統在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。
�。�2）電磁騷擾
電磁騷擾是指任何可能引起設備、裝備或系統性能降低或者對有生命或者無(wú)生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現象。電磁騷擾可引起設備、傳輸通道或系統性能的下降。它的主要要素有自然和人為的騷擾源、通過(guò)公共地線(xiàn)阻抗/內阻的耦合、沿電源線(xiàn)傳導的電磁騷擾和輻射干擾等。電子系統受干擾的路徑為：經(jīng)過(guò)電源，通過(guò)信號線(xiàn)或控制電纜、場(chǎng)滲透，經(jīng)過(guò)天線(xiàn)直接進(jìn)入；通過(guò)電纜耦合，從其他設備來(lái)的傳導干擾；電子系統內部場(chǎng)耦合；其他設備的輻射干擾；電子設備外部耦合到內部場(chǎng)；寬帶發(fā)射機天線(xiàn)系統；外部環(huán)境場(chǎng)等。
�。�3）電磁環(huán)境
電磁環(huán)境是一種明顯不傳送信息的時(shí)變電磁現象，它可能與有用信號疊加或組合。
�。�4）電磁輻射
電磁輻射是指電磁波由源發(fā)射到空間的現象�！半姶泡椛洹币辉~的含義有時(shí)也可引申，將電磁感應現象也包含在內。RFI/EMI可以通過(guò)任何一種設備機殼的開(kāi)口、通風(fēng)孔、出入口、電纜、測量孔、門(mén)框、艙蓋、抽屜和面板以及機殼的非理想連接面等進(jìn)行輻射。RFI/EMI也可由進(jìn)入敏感設備的導線(xiàn)和電纜進(jìn)行輻射，任何一個(gè)良好的電磁能量輻射器也可以作為良好的接收器。
�。�5）脈沖
脈沖是指在短時(shí)間內突變，隨后又迅速返回至其初始值的物理量。
�。�6）共模干擾和差模干擾
電源線(xiàn)上的干擾有共模干擾和差模干擾兩種方式。共模干擾存在于電源任何一相對大地或電線(xiàn)對大地之間。共模干擾有時(shí)也稱(chēng)縱模干擾、不對稱(chēng)干擾或接地干擾。這是載流導體與大地之間的干擾。差模干擾存在于電源相線(xiàn)與中線(xiàn)及相線(xiàn)與相線(xiàn)之間。差模干擾也稱(chēng)常模干擾、橫模干擾或對稱(chēng)干擾。這是載流導體之間的干擾。共模干擾提示了干擾是由輻射或串擾耦合到電路中的，而差模干擾則提示了干擾是源于同一條電源電路。通常這兩種干擾是同時(shí)存在的，由于線(xiàn)路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會(huì )相互轉化，所以情況十分復雜。干擾經(jīng)長(cháng)距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模大，這是因為線(xiàn)間阻抗與線(xiàn)-地阻抗不同的緣故。出于同一原因，共模干擾在線(xiàn)路傳輸中還會(huì )向鄰近空間輻射，而差模則不會(huì )，因此共模干擾比差模更容易造成電磁干擾。不同的干擾方式要采取不同的干擾抑制方法才有效。判斷干擾方法的簡(jiǎn)便方法是采用電流探頭。電流探頭先單獨環(huán)繞每根導線(xiàn)，得出單根導線(xiàn)的感應值，然后再環(huán)繞兩根導線(xiàn)（其中一根是地線(xiàn)），探測其感應情況。如感應值是增加的，則線(xiàn)路中干擾電流是共模的；反之則是差模的。
�。�7）抗擾度電平和敏感性電平
抗擾度電平是指將某給定的電磁騷擾施加于某一裝置、設備或者系統并使其仍然能夠正常工作且保持所需性能等級時(shí)的最大騷擾電平。也就是說(shuō)，超過(guò)此電平時(shí)該裝置、設備或者系統就會(huì )出現性能降低。而敏感性電平是指剛剛開(kāi)始出現性能降低的電平。所以，對某一裝置、設備或者系統而言，抗擾度電平與敏感性電平是同一數值。
�。�8）抗擾度裕量
抗擾度裕量是指裝備、設備或者系統的抗擾度電平限值與電磁兼容電平之間的插值。
3 開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性
開(kāi)關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下，引起電磁兼容性問(wèn)題的原因是相當復雜的。從整機的電磁性講，主要有共阻抗耦合、線(xiàn)間耦合、電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合及電磁波耦合幾種。共阻耦合主要是騷擾源與受騷擾體在電氣上存在的共同阻抗，通過(guò)該阻抗使騷擾信號進(jìn)入受騷擾體。線(xiàn)間耦合主要是產(chǎn)生騷擾電壓及騷擾電流的導線(xiàn)或PCB線(xiàn)因并行布線(xiàn)而產(chǎn)生的相互耦合。電場(chǎng)耦合主要是由于電位差的存在，產(chǎn)生感應電場(chǎng)對受騷擾體產(chǎn)生的場(chǎng)耦合。磁場(chǎng)耦合主要是指在大電流的脈沖電源線(xiàn)附近，產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)對騷擾對象產(chǎn)生的耦合。電磁場(chǎng)耦合主要是由于脈動(dòng)的電壓或電流產(chǎn)生的高頻電磁波通過(guò)空間向外輻射，對相應的受騷擾體產(chǎn)生的耦合。實(shí)際上，每一種耦合方式是不能?chē)栏駞^分的，只是側重點(diǎn)不同而已。
在開(kāi)關(guān)電源中，主功率開(kāi)關(guān)管在很高的電壓下，以高頻開(kāi)關(guān)方式工作，開(kāi)關(guān)電壓及開(kāi)關(guān)電流均接近方波，從頻譜分析知，方波信號含有豐富的高次諧波。該高次諧波的頻譜可達方波頻率的1000次以上。同時(shí)，由于電源變壓器的漏電感及分布電容以及主功率開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)非理想，在高頻開(kāi)或關(guān)時(shí)，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波震蕩。該諧波震蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過(guò)開(kāi)關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內部電路或通過(guò)散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續流的開(kāi)關(guān)二極管，也是產(chǎn)生高頻騷擾的一個(gè)重要原因。因整流及續流二極管工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，二極管的引線(xiàn)寄生電感、結電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻震蕩。整流及續流二極管一般離電源輸出線(xiàn)較近，其產(chǎn)生的高頻騷擾最容易通過(guò)直流輸出線(xiàn)傳出。開(kāi)關(guān)電源為了提高功率因數，均采用了有源功率因數校正電路。同時(shí)，為了提高電路的效率及可靠性，減少功率器件的電應力，大量采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。其中零電壓、零電流或零電壓/零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)應用最為廣泛。該技術(shù)極大的降低了開(kāi)關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁騷擾。但是，軟開(kāi)關(guān)無(wú)損吸收電路多數利用L、C進(jìn)行能量轉移，利用二極管的單向導電性能實(shí)現能量的單向轉換，因此，該諧振電路中的二極管成為電磁騷擾的一大騷擾源。
開(kāi)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(shí)現對差模及共模騷擾信號的濾波。由于電感線(xiàn)圈的分布電容，導致了電感線(xiàn)圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻騷擾信號穿過(guò)電感線(xiàn)圈，沿交流電源線(xiàn)或直流輸出線(xiàn)向外傳播。濾波電容器隨著(zhù)騷擾信號頻率的上升，引線(xiàn)電感的作用導致電容量及濾波效果不斷的下降，甚至導致電容器參數改變，也是產(chǎn)生電磁騷擾的一個(gè)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(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性問(wèn)題，可從三個(gè)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，增強受騷擾體的抗騷擾能力。在解決開(kāi)關(guān)電源內部的兼容性時(shí)，可以綜合利用上述三個(gè)方法，以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提。因而，開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的對外騷擾，如電源線(xiàn)諧波電流、電源線(xiàn)傳導騷擾、電磁場(chǎng)輻射騷擾等只能用減小騷擾源的方法來(lái)解決。一方面，可以增強輸入/輸出濾波電路的設計，改善APFC電路的性能，減小開(kāi)關(guān)管及整流、續流二極管的電壓、電流變化率，采用各種軟開(kāi)關(guān)電路拓撲及控制方式等；另一方面，加強機殼的屏蔽效果，改善機殼的縫隙泄漏，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(kāi)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(lái)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管及相應的接地保護、加大小信號電路與機殼等的電距離來(lái)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，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(lái)提高系統的抗擾性能。
減小開(kāi)關(guān)電源的內部騷擾，實(shí)現其自身的電磁兼容性，提高開(kāi)關(guān)電源的穩定性及可靠性，應從以下幾個(gè)方面入手：①注意數字電路與模塊電路PCB布線(xiàn)的正確分區；②數字電路與模擬電路電源的去耦；③數字電路與模擬電路單點(diǎn)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(diǎn)接地以減小共阻騷擾，減小地環(huán)地影響，布線(xiàn)時(shí)注意相鄰線(xiàn)間的間距及信號性質(zhì)，避免產(chǎn)生串擾，減小輸出整流回路及續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，運用諧振頻率高的濾波電容器等。
5 濾波器結構
濾波是一種抑制傳導干擾的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由開(kāi)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(xiàn)傳導干擾的重要單元，在設備或系統的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。它不僅可以抑制傳輸線(xiàn)上的傳導干擾，同時(shí)對傳輸線(xiàn)上的輻射發(fā)射也具有顯著(zhù)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)行適當的設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，可根據實(shí)際情況加以調整。
所有電源濾波器都必須接地（廠(chǎng)家特別說(shuō)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(shí)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，還要用較粗的導線(xiàn)將濾波器外殼與設備的接地點(diǎn)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(gè)電容并聯(lián)，則效果會(huì )更好。
幾種濾波器的構成如圖2所示。在圖2（a）中，阻抗Z=1/（ωC1），高頻區域用陶瓷電容、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(guò)電容旁路到地線(xiàn)上，這種濾波器連接時(shí)應使接地阻抗盡量小。圖2（c）中，C1、C2對不對稱(chēng)噪聲有良好的濾波效果，C3對對稱(chēng)噪聲有良好的濾波效果，連接時(shí)應使電容器的引線(xiàn)及接地線(xiàn)盡量短。圖2（d）為常用的噪聲濾波電路，L1、L2對噪聲呈現高阻抗，而C1則對噪聲呈現低阻抗。當L1、L2采用共模電感結構時(shí)，對對稱(chēng)和非對稱(chēng)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，應注意的是其接地阻抗同樣應盡量小。
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構成抑制共模噪聲回路。L1、L2的鐵心應選擇不易磁飽和的材料及M-F特性?xún)?yōu)良的鐵心材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應有足夠的耐壓值，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(kāi)關(guān)電源EMI濾波器中的4只電容器用了兩種不同的下標“x”和“y”，不僅說(shuō)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(wú)論是選用還是設計EMI濾波器，都要認真的考慮Cx和Cy的安全等級。在實(shí)際應用中，Cx電容接在單相電源線(xiàn)的L和N之間，它上面除加有電源額定電壓外，還會(huì )疊加L和N之間存在的EMI信號峰值電壓。因此，要根據EMI濾波器的應用場(chǎng)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(xiàn)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械性能方面具有足夠的安全裕量，以避免可能出現的擊穿短路現象。
EMI濾波器是具有互異性的，即把負載接在電源端還是負載端均可。在實(shí)際應用中，為達到有效抑制EMI信號的目的，必須根據濾波器兩端將要連接的EMI信號源阻抗和負載阻抗來(lái)選擇該濾波器的網(wǎng)絡(luò )結構和參數。當EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態(tài)時(shí)，即圖4中Zs≠Zin、ZL≠Zout時(shí)，EMI信號會(huì )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(kāi)關(guān)電源濾波器時(shí)，要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時(shí)，要特別注意濾波器的輸入導線(xiàn)與輸出導線(xiàn)的間隔距離，不能把它們捆在一起走線(xiàn)，否則EMI信號很容易從輸入線(xiàn)上耦合到輸出線(xiàn)上，這將大大降低濾波器的抑制效果。
7 結語(yǔ)
在開(kāi)關(guān)電源設計中，為了少走彎路和節省時(shí)間，應充分考慮并滿(mǎn)足抗干擾性的要求，避免在設計完成后去進(jìn)行抗干擾的補救措施�！�
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