設計開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性的原理
現代技術(shù)的快速發(fā)展，電氣和電子設備的種類(lèi)不斷增加，使得電磁環(huán)境日益復雜。在復雜的電磁環(huán)境中，各種設備或系統能否正常工作，成為一個(gè)急待解決的問(wèn)題。作為各種設備或系統的重要部分——開(kāi)關(guān)電源，既是騷擾源，同時(shí)又是被干擾者。大功率開(kāi)關(guān)電源往往是騷擾源。各種開(kāi)關(guān)電源在工作時(shí)，往往要產(chǎn)生一些有用或無(wú)用的電磁能量，這些電磁能量會(huì )影響其他設備或系統的正常工作，這就是電磁騷擾。電磁騷擾有可能使開(kāi)關(guān)電源的工作性能下降，甚至使開(kāi)關(guān)電源的使用壽命縮短，或根本無(wú)法正常工作�？梢�(jiàn)，電磁兼容性設計在開(kāi)關(guān)電源中是非常重要的和不可缺少的。
在開(kāi)關(guān)電源中，電磁兼容性設計的目的是使開(kāi)關(guān)電源在預期的電磁環(huán)境中實(shí)現電磁兼容，其要求是使開(kāi)關(guān)電源滿(mǎn)足有關(guān)EMC標準的規定并具有如下兩方面的能力：①能在預期的電磁環(huán)境中正常工作，不出現性能下降或故障;②對電磁環(huán)境無(wú)污染。
1 關(guān)于電磁兼容的幾個(gè)重要概念
1.1 電磁環(huán)境
電磁環(huán)境(Electromagnetic Environment)
是指設備或系統在正常工作時(shí)，可能遇到的輻射或傳導電磁發(fā)射電平在不同頻率范圍內功率和時(shí)間的分布。
1.2 電磁騷擾
電磁騷擾(Electromagnetic Disturbance)是指任何可能引起裝置、設備或系統性能下降，或者對有生命或無(wú)生命物產(chǎn)生損害作用的電磁現象。電磁騷擾是客觀(guān)存在的一種物理現象，其產(chǎn)生原因可能是外界因素，也可能是本身的變化。
電磁騷擾根據其來(lái)源，可分為自然騷擾和人為騷擾兩大類(lèi)。自然騷擾以其發(fā)生源不可控為特點(diǎn)，例如電子噪聲、天電噪聲、地球外噪聲、沉積靜電等。人為騷擾以其發(fā)生源可知并且可控為特點(diǎn)。例如：高頻及微波設備、高壓設備、開(kāi)關(guān)設備、火花設備、核電磁脈沖等。
1.3 電磁干擾
電磁干擾(Electromagnetic Interference, 簡(jiǎn)寫(xiě)為EMI)是指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降。電磁干擾是電磁騷擾的后果，引起電磁干擾的可能是另一設備或系統的有用電磁信號，也可能是某種電磁噪聲。
電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, 簡(jiǎn)寫(xiě)為EMC)是指器件、設備或系統在所處的電磁環(huán)境中正常工作，并不對其環(huán)境產(chǎn)生任何難以承受的電磁騷擾的能力。按上述定義，電磁兼容性包含以下兩方面的含義：
1.4.1 設備或系統應具有抵抗給定電磁騷擾的能力
即它應不會(huì )受到處于同一電磁環(huán)境中的其設備或系統發(fā)射的電磁騷擾而產(chǎn)生不允許的工作性能下降。
1.4.2 設備或系統不產(chǎn)生超過(guò)規定限度的電磁騷擾
即它不會(huì )產(chǎn)生使處于同一電磁環(huán)境中的其他設備或系統出現超過(guò)規定限度的工作性能降低的電磁騷擾。
2 電磁騷擾傳播的一般途徑
從干擾源把電磁能量傳到干擾對象有兩種方式：傳導方式和輻射方式。從接收器的角度看，耦合可分為兩類(lèi)：傳導耦合和輻射耦合。
傳導耦合又分為直接傳導耦合、公共阻抗耦合和轉移阻抗耦合，輻射耦合又分為場(chǎng)(天線(xiàn))對天線(xiàn)耦合、場(chǎng)對電纜耦合和電纜對電纜的耦合。
在實(shí)際情況中，傳導耦合和輻射耦合并不是截然不同的，它們可以相互轉化。例如在金屬傳導線(xiàn)中傳導的電流很大時(shí)，輻射也會(huì )很?chē)乐亍?BR>3 開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設計
根據電磁騷擾的傳播途徑，開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設計包括：完善電路設計、接地設計、濾波設計、屏蔽設計。
3.1 完善電路設計
所選擇開(kāi)關(guān)電源電路拓撲不宜產(chǎn)生過(guò)高的電壓和過(guò)大的電流，以避免高電壓電場(chǎng)干擾和大電流磁場(chǎng)干擾。在滿(mǎn)足要求的情況下，放大器的頻帶盡量窄，使其不易受干擾。適當增加緩沖電路。
印刷電路板設計時(shí)應注意以下幾點(diǎn)：①高、中、低速邏輯電路同時(shí)應用時(shí)，高速應設計在電路板的入口處;②信號入口加RC去耦濾波，消除長(cháng)線(xiàn)傳輸干擾;③ 電路中的電流環(huán)路應保持最小;④信號線(xiàn)和回線(xiàn)應盡可能接近;⑤使用較大的地平面以減小地線(xiàn)阻抗;⑥電源線(xiàn)和地線(xiàn)應相互接近;⑦在多層電路板中，應把電源面和地平面分開(kāi);⑧圓弧布線(xiàn)，不突變;⑨盡量縮短連線(xiàn);⑩模擬電路和數字電路分開(kāi)，功率電路和控制電路分開(kāi)。
3.2 接地設計
接地是開(kāi)關(guān)電源設備抑制電磁噪聲的重要方法。
接地的作用：①提高系統工作的穩定性，若不與大地相接，易受地電容的干擾;�、谛狗澎o電感應在機箱上的靜電，避免高壓放電;③操作安全。
不考慮安全接地，僅從電路參考點(diǎn)的角度考慮，接地可分為懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。
懸浮地：使開(kāi)關(guān)電源中的參考地與機殼隔離，可以避免機殼中的干擾電流直接耦合到電源電路中。當浮地系統靠近高壓時(shí)，可能堆積靜電荷，形成危害，或引起靜電放電，形成干擾電流。在雷電環(huán)境下，在機箱和單元電路間產(chǎn)生電弧。所以開(kāi)關(guān)電源中不宜采用懸浮地。
單點(diǎn)接地：又分為單點(diǎn)串聯(lián)接地和單點(diǎn)并聯(lián)接地。單點(diǎn)串聯(lián)接地的優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是各電路會(huì )通過(guò)接地線(xiàn)，相互影響。在采用這種接地方式時(shí)必須注意把最高電平電路放在最靠近接地點(diǎn)的A處，以使B點(diǎn)和C點(diǎn)的電位升高最小。相對單點(diǎn)串聯(lián)接地，單點(diǎn)并聯(lián)接地無(wú)公共地阻抗干擾，但地線(xiàn)數量多，在高頻(MHz 以上)時(shí)效果差。
多點(diǎn)接地：各接地點(diǎn)就近接地，其優(yōu)點(diǎn)是：接線(xiàn)簡(jiǎn)單，引線(xiàn)短，高頻駐波現象顯著(zhù)減少。其缺點(diǎn)是：接地阻抗隨頻率升高而增大。
混合接地：實(shí)際情況比較復雜，很難僅通過(guò)一種簡(jiǎn)單的接地方式來(lái)解決，而是常常采用單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地組合成混合接地。
3.3 濾波設計
濾波是消除干擾經(jīng)常采用的措施。
在設計和選用濾波器時(shí)應注意以下幾個(gè)問(wèn)題：①明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率，如兩者非常接近，則需要應用頻率特性非常陡峭的濾波器，才能把兩種頻率分開(kāi);②保證濾波器在高壓情況下能夠可靠地工作;③濾波器連續通以最大額定電流時(shí)，其溫升要低，以保證在該額定電流連續工作時(shí)，不破壞濾波器中器件的工作性能;④為使工作時(shí)的濾波器頻率特性與設計值相符合，要求與它連接的信號源阻抗和負載阻抗的數值等于設計時(shí)的規定值;⑤ 濾波器必須具有屏蔽結構，屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸，濾波器的電容引線(xiàn)應盡量短，最好選用低引線(xiàn)短電感的穿心電容。
安裝濾波器時(shí)應注意以下幾點(diǎn)：①電源線(xiàn)路濾波器應安裝在離設備電源入口盡量靠近的地方，不要讓未經(jīng)過(guò)濾波器的電源線(xiàn)在設備框內迂回;②濾波器中的電容器引線(xiàn)應盡可能短，以免因引線(xiàn)感抗和容抗在較低頻率上諧振;③濾波器的接地導線(xiàn)上有很大的短路電流通過(guò)，會(huì )引起附加的電磁輻射，故應對濾波器元件本身進(jìn)行良好的屏蔽和接地處理;④濾波器的輸入和輸出線(xiàn)不能交叉，否則會(huì )因濾波器的輸入—輸出電容耦合通路引起串擾，從而降低濾波特性，通常的辦法是輸入和輸出端之間加隔板或屏蔽層。
3.4 屏蔽設計
屏蔽有兩個(gè)目的，一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出該內部區域，二是防止外來(lái)的輻射干擾進(jìn)入該內部區域。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導作用，而這些作用是與屏蔽結構表面上和屏蔽體內感生的電荷、電流與極化現象密切相關(guān)的。
屏蔽體的設計原則：①首先確定電磁環(huán)境，包括電磁場(chǎng)的類(lèi)型、場(chǎng)的強度、頻率及屏蔽體至源的距離等;②確定接收機的敏感度以及對屏蔽體的屏蔽要求;③根據電磁屏蔽的要求及電磁場(chǎng)的性質(zhì)，適當選擇材料的電導率、磁導率和厚度;④在確定屏蔽材料之后，進(jìn)行屏蔽結構的設計，對于電場(chǎng)屏蔽主要選擇高電導率材料 (如銅)，對于磁場(chǎng)屏蔽，特別是低頻磁場(chǎng)屏蔽;主要選擇鐵或其他高磁導率材料。若達不到要求，在允許的條件下，可以采用增大厚度的辦法;⑤如果單層屏蔽不能滿(mǎn)足屏蔽要求，可用雙層以上的屏蔽，以獲得更好的屏蔽效果;�、蕻斊帘问倚枰该鲿r(shí)，可采用金屬網(wǎng)屏蔽，金屬網(wǎng)屏蔽的效能顯然比不上金屬實(shí)壁屏蔽體，所以一般采用雙層屏蔽;⑦對于通風(fēng)孔、探測器的開(kāi)口屏蔽殼體、電纜進(jìn)出口接插件等開(kāi)口處均按特殊要求進(jìn)行設計。
| 【上一個(gè)】 如何簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)電源設計 | 【下一個(gè)】 今年以來(lái)中國電力供需形勢總體寬松 |
| ^ 設計開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性的原理 |