开关电源的电磁兼容性技术及解决方法

(1)电磁兼容性

    电磁兼容性是指设备或者系统在其电磁环境中能正常工作,且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

(2)电磁骚扰

    电磁骚扰是指任何可能引起设备、装备或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可引起设备、传输通道或系统性能的下降。它的主要要素有自然和人为的骚扰源、通过公共地线阻抗/内阻的耦合、沿电源线传导的电磁骚扰和辐射干扰等。电子系统受干扰的路径为:经过电源,通过信号线或控制电缆、场渗透,经过天线直接进入;通过电缆耦合,从其他设备来的传导干扰;电子系统内部场耦合;其他设备的辐射干扰;电子设备外部耦合到内部场;宽带发射机天线系统;外部环境场等。

(3)电磁环境

    电磁环境是一种明显不传送信息的时变电磁现象,它可能与有用信号叠加或组合。

(4)电磁辐射

    电磁辐射是指电磁波由源发射到空间的现象。“电磁辐射”一词的含义有时也可引申,将电磁感应现象也包含在内。RFI/EMI可以通过任何一种设备机壳的开口、通风孔、出入口、电缆、测量孔、门框、舱盖、抽屉和面板以及机壳的非理想连接面等进行辐射。RFI/EMI也可由进入敏感设备的导线和电缆进行辐射,任何一个良好的电磁能量辐射器也可以作为良好的接收器。

(5)脉冲

    脉冲是指在短时间内突变,随后又迅速返回至其初始值的物理量。

(6)共模干扰和差模干扰

    电源线上的干扰有共模干扰和差模干扰两种方式。共模干扰存在于电源任何一相对大地或电线对大地之间。共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰。这是载流导体与大地之间的干扰。差模干扰存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模干扰也称常模干扰、横模干扰或对称干扰。这是载流导体之间的干扰。共模干扰提示了干扰是由辐射或串扰耦合到电路中的,而差模干扰则提示了干扰是源于同一条电源电路。通常这两种干扰是同时存在的,由于线路阻抗的不平衡,两种干扰在传输中还会相互转化,所以情况十分复杂。干扰经长距离传输后,差模分量的衰减要比共模大,这是因为线间阻抗与线-地阻抗不同的缘故。出于同一原因,共模干扰在线路传输中还会向邻近空间辐射,而差模则不会,因此共模干扰比差模更容易造成电磁干扰。不同的干扰方式要采取不同的干扰抑制方法才有效。判断干扰方法的简便方法是采用电流探头。电流探头先单独环绕每根导线,得出单根导线的感应值,然后再环绕两根导线(其中一根是地线),探测其感应情况。如感应值是增加的,则线路中干扰电流是共模的;反之则是差模的。

(7)抗扰度电平和敏感性电平

    抗扰度电平是指将某给定的电磁骚扰施加于某一装置、设备或者系统并使其仍然能够正常工作且保持所需性能等级时的最大骚扰电平。也就是说,超过此电平时该装置、设备或者系统就会出现性能降低。而敏感性电平是指刚刚开始出现性能降低的电平。所以,对某一装置、设备或者系统而言,抗扰度电平与敏感性电平是同一数值。

(8)抗扰度裕量

    抗扰度裕量是指装备、设备或者系统的抗扰度电平限值与电磁兼容电平之间的插值。

电磁兼容性的解决方法

  从电磁兼容的三要素讲,要解决开关电源的电磁兼容性问题,可从三个方面入手:第一,减小骚扰源产生的骚扰信号;第二,切断骚扰信号的传播途径;第三,增强受骚扰体的抗骚扰能力。在解决开关电源内部的兼容性时,可以综合利用上述三个方法,以成本效益比及实施的难易性为前提。因而,开关电源产生的对外骚扰,如电源线谐波电流、电源线传导骚扰、电磁场辐射骚扰等只能用减小骚扰源的方法来解决。一方面,可以增强输入/输出滤波电路的设计,改善APFC电路的性能,减小开关管及整流、续流二极管的电压、电流变化率,采用各种软开关电路拓扑及控制方式等;另一方面,加强机壳的屏蔽效果,改善机壳的缝隙泄漏,并进行良好的接地处理。而对外部的抗骚扰能力(如浪涌、雷击)应优化交流电输入及直流输出端口的防雷能力。通常,对1.2/50µs开路电压及8/20µs短路电流的组合雷击波形,因能量较小,通常采用氧化锌压敏电阻与气体方电管等的组合方法来解决。对于静电放电,通常在通信端口及控制端口的小信号电路中,采用TVS管及相应的接地保护、加大小信号电路与机壳等的电距离来解决或选用具有抗静电骚扰的器件。快速瞬变信号含有很宽的频谱,很容易以共模的方式传入控制电路内,采用与防静电相同的方法并减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波(加共模电容或插入损耗型的铁氧体磁环等)来提高系统的抗扰性能。

    减小开关电源的内部骚扰,实现其自身的电磁兼容性,提高开关电源的稳定性及可靠性,应从以下几个方面入手:①注意数字电路与模块电路PCB布线的正确分区;②数字电路与模拟电路电源的去耦;③数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻骚扰,减小地环地影响,布线时注意相邻线间的间距及信号性质,避免产生串扰,减小输出整流回路及续流二极管回路与支流滤波电路所包围的面积,减小变压器的漏电、滤波电感的分布电容,运用谐振频率高的滤波电容器等。


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