開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計

2）開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)

將頻率不變的調(diào)制改變?yōu)殡S機(jī)調(diào)制，變頻調(diào)制等。頻率固定不變的調(diào)制脈沖產(chǎn)生的騷擾在低頻段主要是調(diào)制頻率的諧波騷擾，低頻段的騷擾主要集中在各諧波點(diǎn)上。由F.Lin提出的開關(guān)頻率調(diào)制方法^[3]，其基本思想是通過調(diào)制開關(guān)頻率f_c的方法，把集中在開關(guān)頻率f_c及其諧波2f_c，3f_c……上的能量分散到它們周圍的頻帶上，由此降低各個頻點(diǎn)上的EMD幅值，以達(dá)到低于EMD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。這種開關(guān)調(diào)頻PWM的方法雖然不能降低總的騷擾能量，但它把能量分散到頻點(diǎn)的基帶上，以達(dá)到各個頻點(diǎn)都不超過EMD規(guī)定的限值。

3.2 接地

“接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號接地和設(shè)備接大地，兩者概念不同，目的也不同。“地”的經(jīng)典定義是“作為電路或系統(tǒng)基準(zhǔn)的等電位點(diǎn)或平面”。

3.2.1 設(shè)備的信號接地

設(shè)備的信號接地，可能是以設(shè)備中的一點(diǎn)或一塊金屬來作為信號的接地參考點(diǎn)，它為設(shè)備中的所有信號提供了一個公共參考電位。

在這里介紹浮地和混合接地，另外，還有單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。

1）浮地

采用浮地的目的是將電路或設(shè)備與公共接地系統(tǒng)，或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離開來。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實(shí)現(xiàn)電路或設(shè)備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大優(yōu)點(diǎn)是抗騷擾性能好。

浮地的缺點(diǎn)是由于設(shè)備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當(dāng)電荷積累到一定程度后，在設(shè)備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破環(huán)性很強(qiáng)的騷擾源。

一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗，太低的電阻會影響設(shè)備泄漏電流的合格性。

2）混合接地

混合接地使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時呈現(xiàn)不同的特性，這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對低頻和直流有較高的阻抗，因此能夠避免兩模塊之間的地環(huán)路形成。當(dāng)將直流地和射頻地分開時，將每個子系統(tǒng)的直流地通過10～100nF的電容器接到射頻地上，這兩種地應(yīng)在一點(diǎn)有低阻抗連接起來，連接點(diǎn)應(yīng)選在最高翻轉(zhuǎn)速度（di/dt）信號存在的點(diǎn)。

3.2.2 設(shè)備接大地

在工程實(shí)踐中，除認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號接地外，通常還將設(shè)備的信號地，機(jī)殼與大地連在一起，以大地作為設(shè)備的接地參考點(diǎn)。設(shè)備接大地的目的是

1）保證設(shè)備操作人員人身的安全。

2）泄放機(jī)箱上所積累的電荷，避免電荷積累使機(jī)箱電位升高，造成電路工作的不穩(wěn)定。

3）避免設(shè)備在外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對大地的電位發(fā)生變化，造成設(shè)備工作的不穩(wěn)定。

由此可見，設(shè)備接大地除了是對人員安全、設(shè)備安全的考慮外，也是抑制騷擾發(fā)生的重要手段。

3.3 屏蔽

抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的騷擾輻射的有效方法是屏蔽，即用電導(dǎo)率良好的材料對電場屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對磁場屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場泄露，可利用閉合環(huán)形成磁屏蔽，另外，還要對整個開關(guān)電源進(jìn)行電場屏蔽。屏蔽應(yīng)考慮散熱和通風(fēng)問題，屏蔽外殼上的通風(fēng)孔最好為圓形多孔，在滿足通風(fēng)的條件下，孔的數(shù)量可以多，每個孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接，以保證電磁的連續(xù)性，如果采用螺釘固定，注意螺釘間距要短。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施，否則，這些會成為騷擾發(fā)射天線，嚴(yán)重降低屏蔽外殼的屏蔽效果。若用電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地，否則，將起不到屏蔽效果；若用磁場屏蔽，屏蔽外殼則不需接地。對非嵌入的外置式開關(guān)電源的外殼一定要進(jìn)行電場屏蔽，否則，很難通過輻射騷擾測試。

3.4 濾波

電源濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，用于抑制電源線引出的傳導(dǎo)騷擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)騷擾。對提高設(shè)備的可靠性有重要的作用。

開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁騷擾以傳導(dǎo)騷擾為主，而傳導(dǎo)騷擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。通常共模騷擾要比差模騷擾產(chǎn)生更大的輻射型EMD。目前抑制傳導(dǎo)EMD最有效的方法是利用無源濾波技術(shù)。

作為一種雙端口網(wǎng)絡(luò)EMD濾波器，它對騷擾的抑制性能不僅取決于濾波器本身的拓?fù)?，而且在很大程度上也受EMD濾波器輸入、輸出阻抗值的影響。由于EMD濾波器阻抗和負(fù)載阻抗的可變動性以及它們可能直接與電網(wǎng)相連的特點(diǎn)，電源EMD濾波器的輸入、輸出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。這就造成了EMD濾波器設(shè)計不能完全應(yīng)用成熟的通信用濾波器的設(shè)計方法和理論。這是電源波波器設(shè)計面臨的主要問題。

3.5 元器件布局及印制電路板布線

開關(guān)電源的輻射騷擾與電流通路中的電流大小，通路的環(huán)路面積，以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比，即輻射騷擾E∝I·A·f²。運(yùn)用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠(yuǎn)小于頻率的波長。

上述關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵，這是說開關(guān)電源的元器件要彼此緊密排列。在初級電路中，要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近，且布線緊湊；在次級電路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。

在印制板上，將正負(fù)載流導(dǎo)線分別布在印制板的兩面，并設(shè)法使兩個載流導(dǎo)體彼此間保持平行，因?yàn)槠叫芯o靠的正負(fù)載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場是趨向于相互抵消的。

布線間的電磁耦合是通過電場和磁場進(jìn)行的，因此在布線時，應(yīng)注意對電場與磁場耦合的抑制。對電場的抑制方法有

1）盡量增大線間距離，使電容耦合為最小；

2）采用靜電屏蔽，屏蔽層要接地；

3）降低敏感線路的輸入阻抗。

對磁場的抑制方法有

1）減小騷擾源和敏感電路的環(huán)路面積；

2）增大線間距離，使耦合騷擾源與敏感電路間的互感盡可能地?。?p> 3）最好使騷擾源與敏感電路呈直角布線，以便大大降低線路間耦合。

4 結(jié)語

開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計的目的是使產(chǎn)品在一定的電磁環(huán)境下正常工作，也就是說，電源產(chǎn)品應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗擾度極限值要求，在受到一定的電磁騷擾時，無性能的下降或故障；同時，電源產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁極限值要求，對電磁環(huán)境不構(gòu)成污染源，而實(shí)現(xiàn)電磁兼容。