設(shè)計開關(guān)電源電磁兼容性的原理
現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展，電氣和電子設(shè)備的種類不斷增加，使得電磁環(huán)境日益復(fù)雜。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，各種設(shè)備或系統(tǒng)能否正常工作，成為一個急待解決的問題。作為各種設(shè)備或系統(tǒng)的重要部分——開關(guān)電源，既是騷擾源，同時又是被干擾者。大功率開關(guān)電源往往是騷擾源。各種開關(guān)電源在工作時，往往要產(chǎn)生一些有用或無用的電磁能量，這些電磁能量會影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作，這就是電磁騷擾。電磁騷擾有可能使開關(guān)電源的工作性能下降，甚至使開關(guān)電源的使用壽命縮短，或根本無法正常工作。可見，電磁兼容性設(shè)計在開關(guān)電源中是非常重要的和不可缺少的。
在開關(guān)電源中，電磁兼容性設(shè)計的目的是使開關(guān)電源在預(yù)期的電磁環(huán)境中實現(xiàn)電磁兼容，其要求是使開關(guān)電源滿足有關(guān)EMC標準的規(guī)定并具有如下兩方面的能力：①能在預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作，不出現(xiàn)性能下降或故障;②對電磁環(huán)境無污染。
1 關(guān)于電磁兼容的幾個重要概念
1.1 電磁環(huán)境
電磁環(huán)境(Electromagnetic Environment)
是指設(shè)備或系統(tǒng)在正常工作時，可能遇到的輻射或傳導(dǎo)電磁發(fā)射電平在不同頻率范圍內(nèi)功率和時間的分布。
1.2 電磁騷擾
電磁騷擾(Electromagnetic Disturbance)是指任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能下降，或者對有生命或無生命物產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾是客觀存在的一種物理現(xiàn)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(jù)其來源，可分為自然騷擾和人為騷擾兩大類。自然騷擾以其發(fā)生源不可控為特點，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。例如：高頻及微波設(shè)備、高壓設(shè)備、開關(guān)設(shè)備、火花設(shè)備、核電磁脈沖等。
1.3 電磁干擾
電磁干擾(Electromagnetic Interference, 簡寫為EMI)是指電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)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(shè)備或系統(tǒng)的有用電磁信號，也可能是某種電磁噪聲。
電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, 簡寫為EMC)是指器件、設(shè)備或系統(tǒng)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(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)具有抵抗給定電磁騷擾的能力
即它應(yīng)不會受到處于同一電磁環(huán)境中的其設(shè)備或系統(tǒng)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(shè)備或系統(tǒng)不產(chǎn)生超過規(guī)定限度的電磁騷擾
即它不會產(chǎn)生使處于同一電磁環(huán)境中的其他設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)超過規(guī)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(dǎo)方式和輻射方式。從接收器的角度看，耦合可分為兩類：傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。
傳導(dǎo)耦合又分為直接傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合和轉(zhuǎn)移阻抗耦合，輻射耦合又分為場(天線)對天線耦合、場對電纜耦合和電纜對電纜的耦合。
在實際情況中，傳導(dǎo)耦合和輻射耦合并不是截然不同的，它們可以相互轉(zhuǎn)化。例如在金屬傳導(dǎo)線中傳導(dǎo)的電流很大時，輻射也會很嚴重。
3 開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計
根據(jù)電磁騷擾的傳播途徑，開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計包括：完善電路設(shè)計、接地設(shè)計、濾波設(shè)計、屏蔽設(shè)計。
3.1 完善電路設(shè)計
所選擇開關(guān)電源電路拓撲不宜產(chǎn)生過高的電壓和過大的電流，以避免高電壓電場干擾和大電流磁場干擾。在滿足要求的情況下，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(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：①高、中、低速邏輯電路同時應(yīng)用時，高速應(yīng)設(shè)計在電路板的入口處;②信號入口加RC去耦濾波，消除長線傳輸干擾;③ 電路中的電流環(huán)路應(yīng)保持最小;④信號線和回線應(yīng)盡可能接近;⑤使用較大的地平面以減小地線阻抗;⑥電源線和地線應(yīng)相互接近;⑦在多層電路板中，應(yīng)把電源面和地平面分開;⑧圓弧布線，不突變;⑨盡量縮短連線;⑩模擬電路和數(shù)字電路分開，功率電路和控制電路分開。
3.2 接地設(shè)計
接地是開關(guān)電源設(shè)備抑制電磁噪聲的重要方法。
接地的作用：①提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，若不與大地相接，易受地電容的干擾; ②泄放靜電感應(yīng)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，僅從電路參考點的角度考慮，接地可分為懸浮地、單點接地、多點接地和混合接地。
懸浮地：使開關(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(tǒng)靠近高壓時，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。所以開關(guān)電源中不宜采用懸浮地。
單點接地：又分為單點串聯(lián)接地和單點并聯(lián)接地。單點串聯(lián)接地的優(yōu)點是比較簡單，其缺點是各電路會通過接地線，相互影響。在采用這種接地方式時必須注意把最高電平電路放在最靠近接地點的A處，以使B點和C點的電位升高最小。相對單點串聯(lián)接地，單點并聯(lián)接地無公共地阻抗干擾，但地線數(shù)量多，在高頻(MHz 以上)時效果差。
多點接地：各接地點就近接地，其優(yōu)點是：接線簡單，引線短，高頻駐波現(xiàn)象顯著減少。其缺點是：接地阻抗隨頻率升高而增大。
混合接地：實際情況比較復(fù)雜，很難僅通過一種簡單的接地方式來解決，而是常常采用單點接地和多點接地組合成混合接地。
3.3 濾波設(shè)計
濾波是消除干擾經(jīng)常采用的措施。
在設(shè)計和選用濾波器時應(yīng)注意以下幾個問題：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(yīng)用頻率特性非常陡峭的濾波器，才能把兩種頻率分開;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(xù)通以最大額定電流時，其溫升要低，以保證在該額定電流連續(xù)工作時，不破壞濾波器中器件的工作性能;④為使工作時的濾波器頻率特性與設(shè)計值相符合，要求與它連接的信號源阻抗和負載阻抗的數(shù)值等于設(shè)計時的規(guī)定值;⑤ 濾波器必須具有屏蔽結(jié)構(gòu)，屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸，濾波器的電容引線應(yīng)盡量短，最好選用低引線短電感的穿心電容。
安裝濾波器時應(yīng)注意以下幾點：①電源線路濾波器應(yīng)安裝在離設(shè)備電源入口盡量靠近的地方，不要讓未經(jīng)過濾波器的電源線在設(shè)備框內(nèi)迂回;②濾波器中的電容器引線應(yīng)盡可能短，以免因引線感抗和容抗在較低頻率上諧振;③濾波器的接地導(dǎo)線上有很大的短路電流通過，會引起附加的電磁輻射，故應(yīng)對濾波器元件本身進行良好的屏蔽和接地處理;④濾波器的輸入和輸出線不能交叉，否則會因濾波器的輸入—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(shè)計
屏蔽有兩個目的，一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出該內(nèi)部區(qū)域，二是防止外來的輻射干擾進入該內(nèi)部區(qū)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(dǎo)作用，而這些作用是與屏蔽結(jié)構(gòu)表面上和屏蔽體內(nèi)感生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關(guān)的。
屏蔽體的設(shè)計原則：①首先確定電磁環(huán)境，包括電磁場的類型、場的強度、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(jù)電磁屏蔽的要求及電磁場的性質(zhì)，適當選擇材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和厚度;④在確定屏蔽材料之后，進行屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對于電場屏蔽主要選擇高電導(dǎo)率材料 (如銅)，對于磁場屏蔽，特別是低頻磁場屏蔽;主要選擇鐵或其他高磁導(dǎo)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足屏蔽要求，可用雙層以上的屏蔽，以獲得更好的屏蔽效果; ⑥當屏蔽室需要透明時，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壁屏蔽體，所以一般采用雙層屏蔽;⑦對于通風孔、探測器的開口屏蔽殼體、電纜進出口接插件等開口處均按特殊要求進行設(shè)計。
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