開關電源電磁兼容設計經驗談
更新時間：2022-03-29 點擊次數：1484
隨著電力電子技術的發展，開關電源模塊因其相對體積小、效率高、工作可靠等優點開始取代傳統整流電源而被廣泛應用到社會的各個領域。但由于開關電源工作頻率高，內部產生很快的電流、電壓變化，即dv/dt和di/dt，導致開關電源模塊將產生較強的諧波干擾和尖峰干擾，并通過傳導、輻射和串擾等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統的正常工作，當然其本身也會受到其它電子設備電磁干擾的影響。這就是所討論的電磁兼容性問題，也是關于開關電源電磁兼容的電磁騷擾EMD與電磁敏感度EMS設計問題。由于國家開始對部分電子產品強制實行3C認證，因此一個電子設備能否滿足電磁兼容標準，將關系到這一產品能否在市場上銷售，所以進行開關電源的電磁兼容性研究顯得非常重要
電磁兼容學是一門綜合性學科，它涉及的理論包括數學、電磁場理論、天線與電波傳播、電路理論、信號分析、通訊理論、材料科學、生物醫學等。進行開關電源的電磁兼容性設計時，首先進行一個系統設計，明確以下幾點：2. 確定系統內的關鍵電路部分，包括強干擾源電路、高度敏感電路;3. 明確電源設備工作環境中的電磁干擾源及敏感設備;在開關電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續流二極管等，由于這些二極管都工作在開關狀態，如圖所示，在二極管由阻斷狀態到導通工作過程中，將產生一個很高的電壓尖峰VFP;在二極管由導通狀態到阻斷工作過程中，存在一個反向恢復時間trr，在反向恢復過程中，由于二極管封裝電感及引線電感的存在，將產生一個反向電壓尖峰VRP，由于少子的存儲與復合效應，會產生瞬變的反向恢復電流IRP，這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產生的根源。二極管反向恢復時電流電壓波形 二極管正向導通電流電壓波形二極管反向恢復時電流電壓波形 二極管正向導通電流電壓波形在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過開關管的電流波形在阻性負載時近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會產生很強的電磁干擾，在反激變換器中，流過開關管的電流波形在阻性負載時近似三角波，高次諧波成分相對較少。開關管在開通時，由于開關時間很短以及逆變回路中引線電感的存在，將產生很大的dV/dt突變和很高的尖峰電壓，在開關管的關斷時，由于關斷時間很短，將產生很大的di/dt突變和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變將產生很強的電磁干擾。3.電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾：在開關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，隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過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，漏電感將產生電磁輻射干擾，另外功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流，在周圍形成高頻電磁場;電感線圈中流過脈動電流會產生電磁場輻射，而且在負載突切時，會形成電壓尖峰，同時當它工作在飽和狀態時，將會產生電流突變，這些都會引起電磁干擾。4.控制電路中周期性的高頻脈沖信號如振蕩器產生的高頻脈沖信號等將產生高頻高次諧波，對周圍電路產生電磁干擾。5.此外電路中還會有地環路干擾、公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等6.開關電源中的布線設計非常重要，不合理布線將使電磁干擾通過線線之間的耦合電容和分布互感串擾或輻射到鄰近導線上，從而影響其它電路的正常工作。7.熱輻射產生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進行熱交換，這種電磁干擾影響其它電子元器件或電路的正常穩定工作。對于某一電子設備，外界對其產生影響的電磁干擾包括：電網中的諧波干擾、雷電、太陽噪聲、靜電放電，以及周圍的高頻發射設備引起的干擾。電磁干擾將造成傳輸信號畸變，影響設備的正常工作。對于雷電、靜電放電等高能量的電磁干擾，嚴重時會損壞設備。而對于某些設備，電磁輻射會引起重要信息的泄漏。了解了開關電源內部及外部電磁干擾源后，我們還應知道，形成電磁干擾機理的三要素是還有傳播途徑和受擾設備。因此開關電源的電磁兼容設計主要從以下三個方面入手：1，減小干擾源的電磁干擾能量;2，切斷干擾傳播途徑;3，提高受擾設備的抗干擾能力。正確了解和把握開關電源的電磁干擾源及其產生機理和干擾傳播途徑，對于采取何種抗干擾措施以使設備滿足電磁兼容要求非常重要。由于干擾源有開關電源內部產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，討論開關電源的電磁兼容性設計：如圖所示，FV1為瞬態電壓抑制二極管，RV1為壓敏電阻，都具有很強的瞬變浪涌電流的吸收能力，能很好的保護后級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L1電感值較大時，還需增加如圖所示的V1和R1元件，形成續流回路吸收L1斷開時釋放的電場能，否則L1產生的電壓尖峰就會形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開環磁芯的漏磁場會形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線上的紋波電壓，從而減小輸入導線周圍形成的電磁場。2.高頻逆變電路的電磁兼容設計，如圖所示，C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路，V2、V3為IGBT、MOSFET等開關元件，在V2、 V3開通和關斷時，由于開關時間很快以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會產生較高的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構成的吸收回路，或在V2、V3兩端分別并聯電容器C5、C6，并縮短引線，減小ab、cd、gh、ef的引線電感。在設計中，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，為此在設計時常使用一種叫“多層低感復合母排"的裝置，由我所申請專.利.的該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小，達10nH級，從而達到減小高頻逆變回路電磁干擾的目的。從電磁兼容性設計角度考慮，應盡量降低開關管V2、V3的開關頻率，從而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS軟開關變換技術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動作是產生電磁噪聲的根本，因此盡可能選用產生電磁噪聲小的電路拓撲，如在同等條件下雙管正激拓撲比單管正激拓撲產生電磁噪聲要小，全橋電路比半橋電路產生電磁噪聲要小。如圖所示增加吸收電路后開關管上的電流、電壓波形與沒有吸收回路時的波形比較。在高頻變壓器T1的設計時，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，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。另外為進一步減小電磁干擾，可在原、次邊繞組間增加一個屏蔽層，屏蔽層良好接地，這樣變壓器原、次邊繞組對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。由于變壓器是一個發熱元件，較差的散熱條件必然導致變壓器溫度升高，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鋁殼盒內，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。如圖所示為輸出半波整流電路，V6為整流二極管，V7為續流二極管，由于V6、 V7工作于高頻開關狀態，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，用于吸收其開關動作時產生的電壓尖峰，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特性的、反向恢復電流小、反向恢復時間短的二極管器件。從理論上講，肖特基勢壘二極管(SBD)是多數載流子導流，不存在少子的存儲與復合效應，因而也就不會有反向電壓尖峰干擾，但實際上對于較高反向工作電壓的肖特基二極管，隨著電子勢壘厚度的增加，反向恢復電流會增大，也會產生電磁噪聲。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生的電磁干擾會比選用其它二極管器件要小。輸出直流濾波電路主要用于切斷電磁傳導干擾沿導線向輸出負載端傳播，減小電磁干擾在導線周圍的電磁輻射。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盡量采用多個電容并聯，減小等效串聯電阻，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最好使用不開氣隙的閉環磁芯，最好不是飽和電感。在設計時，我們要記住，導線上有電流、電壓的變化，在導線周圍就有變化的電磁場，電磁場就會沿空間傳播形成電磁輻射。C19用于濾除導線上的共模干擾，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，根據情況使用或不使用，是采用單級還是多級濾波器，但要求Z3直接安裝在金屬機箱上，最好濾波器輸入、輸出線能屏蔽隔離。繼電器、接觸器、風機等在掉電后，其線圈將產生較大的電壓尖峰，從而產生電磁干擾，為此在直流線圈兩端反并聯一個二極管或RC吸收電路，在交流線圈兩端并聯一個壓敏電阻用于吸收線圈掉電后產生的電壓尖峰。同時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電源，之間最好通過一個EMI濾波器。繼電器觸頭動作時也將產生電磁干擾，因此要在觸頭兩端增加RC吸收回路。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備內部與外界空氣中的傳播路徑。在進行開關電源的箱體結構設計時，要充分考慮對電磁干擾的屏蔽效能，對于屏蔽材料的選擇原則是，當干擾電磁場的頻率較高時，選用高電導率的金屬材料，屏蔽效果較好;當干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導磁率的金屬材料，屏蔽效果較好;在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用高電導率和高導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計電路，便可達到很好的電磁兼容效果。理想的電磁屏蔽體是一個無縫隙、無孔洞、無透入的導電連續體，低阻抗的金屬密封體，但是一個*密封的屏蔽體是沒有實用價值的，因為在開關電源設備中，有輸入、輸出線過孔、散熱通風孔等孔洞，以及箱體結構部件之間的搭接縫隙，如果不采取措施將會產生電磁泄漏，使箱體的屏蔽效能降低、甚至*喪失。因此在開關電源箱體設計時，金屬板之間的搭接最好采用焊接，無法焊接時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;對于通風孔，在屏蔽要求不高時可以使用穿孔金屬板或金屬化絲網，在要求既要屏蔽效能高，又要通風效果好時選用截至波導管等方法，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，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對開關電源整個箱體的屏蔽之外，還可以對電源設備內部的元件、部件等干擾源或敏感設備進行局部屏蔽。在進行箱體結構設計時，針對設備上所有會受到靜電放電試驗的部分，設計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，同時將敏感電路或元件遠離這些泄放回路，或對其采用電場屏蔽措施。對于結構件的表面處理，一般主要電鍍銀、鋅、鎳、鉻、錫，這需要從導電性能、電化學反應、成本及電磁兼容性等多方面考慮后做出選擇。對于開關電源設備內部元器件的布局必須整體考慮電磁兼容性的要求，設備內部的干擾源會通過輻射和串擾等途徑影響其它元件或部件的工作，研究表明，在離干擾源一定距離時，干擾源的能量將大大衰減，因此合理的布局有利于減小電磁干擾的影響。EMI輸入輸出濾波器最好安裝在金屬機箱的入口處，并保證其輸入線與輸出線電磁環境的屏蔽隔離。9.5 分開布線的原則是避免平行走線，可以垂直交叉，線束之間距離在20mm以上。9.6 電纜不要貼著金屬外殼和散熱器走線，保證一定距離。9.7 雙絞線、同軸電纜及帶狀電纜在EMC設計中的使用雙絞線、同軸電纜都能有效的抑制電磁干擾。在脈沖信號傳輸線路中常使用雙絞線，控制輔助電源線和傳感器信號線最好用雙絞屏蔽線。因為雙絞線兩根線之間有很小的回路面積，而且雙絞線的每兩個相鄰的回路上感應出的電流具有大小相等、方向相反，產生的磁場相互抵消，這樣就可以減小因輻射引起的差模干擾，不過雙絞線絞合的圈數最好為偶數，且每單位波長所絞合的圈數愈多，消除耦合的效果愈好。使用時注意雙絞線和同軸電纜兩端不能同時接地，只能單端接地，而對屏蔽線，屏蔽層兩端接地能既能屏蔽電場還能屏蔽磁場，單端接地只能屏蔽電場。使用同軸電纜時還要注意，其屏蔽層必須*包覆信號線接地，即接頭與電纜屏蔽層必須 3600搭接，才能有效屏蔽電磁場，如圖所示，信號線裸露部分仍可以與外界形成互容耦合，降低屏蔽效能。帶狀電纜適合于短距離的信號傳輸，我們知道為了降低差模信號的電磁輻射，必須減小信號線和信號回流線所形成的回路面積，因此在設計帶狀電纜布局時，最好將信號線與接地線間隔排列。如圖所示，其中S為信號線，G為信號地線。熱傳播的方式有傳導、對流和輻射，熱輻射是以電磁波的形式向空中傳播的，熱傳導也會向周圍其它元件傳導熱量，這些都會影響其它元器件或電路的正常工作，因此從元器件熱設計方面考慮要盡量留有較大余量，以降低元器件的溫升及器件表面的溫度，除元器件對溫升有特殊要求外，一般開關電源要求內部元件溫度小于 90℃，內部環境溫度不超過65℃，以減小熱輻射干擾。對數字集成電路，從電磁兼容性角度看應多選用高噪聲容限的CMOS器件代替低噪聲容限的TTL器件。選用分布電感較小的SMP元件，選用高頻特性好、等效串聯電感低的陶瓷介質電容器、高頻無感電容器、三端電容器和穿心電容器等作濾波電容。信號地是指信號電流流回信號源的一條低阻抗路徑。在設計中往往由于接地方法不恰當而產生地環路干擾和公共阻抗耦合干擾。因此要合理選用接地方式，接地的方式有單點接地、多點接地和混合接地。地環路干擾：常發生在通過較長電纜連接，地相距較遠的設備之間。原因是由于地環路電流的存在，使兩個設備的地電位不同。通常用光電耦合器或隔離變壓器進行“地"隔離，消除地環路干擾。由于隔離變壓器繞組之間寄生電容較大，即使采取屏蔽措施的隔離變壓器通常也只用于1MHZ以下的信號隔離，超過1MHZ時多采用光電耦合器隔離。公共阻抗耦合：當兩個電路的地電流流過一個公共阻抗時，就會發生公共阻抗耦合。由于地線是信號回流線，一個電路的工作狀態必然會影響地線電壓，當兩個電路共用一段地線時，地線的電壓就會同時受到兩個電路工作狀態的影響。可見無論是地環路干擾還是公共阻抗耦合問題都是由于地線阻抗引起的，因此在設計時一定要考慮盡量降低地線阻抗與感抗。如何減小控制電源噪聲：電源線上有電流突變，就會產生噪聲電壓。在靠近芯片的位置增加解耦電容，能有效減小噪聲。如果是高頻電流負載，則采用多個同容量的高頻電容和無感電容并聯能獲得更好的效果。注意電容容量并非越大越好，主要根據其諧振頻率、提供脈沖電流頻率來選擇。印制板合理的布置地線將能有效的減小印制板的輻射以及提高其抗輻射干擾能力，請注意布置地線網絡：在雙面板的兩面布置最多的平行地線。
對于一些關鍵信號(如脈沖信號和對外界較敏感的電平信號)的地線的布置必須盡量縮小引線長度，減小信號的回流面積。如果是雙面板，地線和信號線可以在印制板兩面并聯平行走線。
若是多層線路板，且既有數字地又有模擬地，則數字地和模擬地必須布置在同一層，減小它們之間的耦合干擾。
在實際電路中常發生公共阻抗耦合，因此要根據實際情況選擇正確的接地方式。
12.1.IGBT，MOSFET等開關元件的驅動脈沖信號增加一個-5V～-10V的負電平，提高驅動信號的抗干擾能力。或驅動信號采用光纖傳輸技術，光纖適宜于遠距離傳輸，具有抗干.擾.能.力.強的特點。12.2.通過軟件的編程技術，提高開關電源的抗干擾能力，為了防止電平信號中的毛刺，引起軟件的誤判斷及誤動作，可以通過多次采樣等數字濾波方法來濾除干擾信號。本文詳細分析了隔離式DC/DC變換器存在的電磁干擾源及其產生機理，并詳細介紹了針對其主電路和控制電路的電磁兼容設計方法，這些方法對其它電子產品的電磁兼容設計具有一定的指導作用。
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