開關(guān)電源的電磁兼容性技術(shù)及解決方法

　　3 開關(guān)電源的電磁兼容性

　　開關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開關(guān)工作狀態(tài)下，引起電磁兼容性問(wèn)題的原因是相當(dāng)復(fù)雜的。從整機(jī)的電磁性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合及電磁波耦合幾種。共阻耦合主要是騷擾源與受騷擾體在電氣上存在的共同阻抗，通過(guò)該阻抗使騷擾信號(hào)進(jìn)入受騷擾體。線間耦合主要是產(chǎn)生騷擾電壓及騷擾電流的導(dǎo)線或PCB線因并行布線而產(chǎn)生的相互耦合。電場(chǎng)耦合主要是由于電位差的存在，產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)受騷擾體產(chǎn)生的場(chǎng)耦合。磁場(chǎng)耦合主要是指在大電流的脈沖電源線附近，產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)對(duì)騷擾對(duì)象產(chǎn)生的耦合。電磁場(chǎng)耦合主要是由于脈動(dòng)的電壓或電流產(chǎn)生的高頻電磁波通過(guò)空間向外輻射，對(duì)相應(yīng)的受騷擾體產(chǎn)生的耦合。實(shí)際上，每一種耦合方式是不能嚴(yán)格區(qū)分的，只是側(cè)重點(diǎn)不同而已。

　　在開關(guān)電源中，主功率開關(guān)管在很高的電壓下，以高頻開關(guān)方式工作，開關(guān)電壓及開關(guān)電流均接近方波，從頻譜分析知，方波信號(hào)含有豐富的高次諧波。該高次諧波的頻譜可達(dá)方波頻率的1000次以上。同時(shí)，由于電源變壓器的漏電感及分布電容以及主功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)非理想，在高頻開或關(guān)時(shí)，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波震蕩。該諧波震蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過(guò)開關(guān)管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過(guò)散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續(xù)流的開關(guān)二極管，也是產(chǎn)生高頻騷擾的一個(gè)重要原因。因整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻震蕩。整流及續(xù)流二極管一般離電源輸出線較近，其產(chǎn)生的高頻騷擾最容易通過(guò)直流輸出線傳出。開關(guān)電源為了提高功率因數(shù)，均采用了有源功率因數(shù)校正電路。同時(shí)，為了提高電路的效率及可靠性，減少功率器件的電應(yīng)力，大量采用了軟開關(guān)技術(shù)。其中零電壓、零電流或零電壓/零電流開關(guān)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。該技術(shù)極大的降低了開關(guān)器件所產(chǎn)生的電磁騷擾。但是，軟開關(guān)無(wú)損吸收電路多數(shù)利用L、C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐?shí)現(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)換，因此，該諧振電路中的二極管成為電磁騷擾的一大騷擾源。

　　開關(guān)電源一般利用儲(chǔ)能電感及電容器組成L、C濾波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)差模及共模騷擾信號(hào)的濾波。由于電感線圈的分布電容，導(dǎo)致了電感線圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻騷擾信號(hào)穿過(guò)電感線圈，沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。濾波電容器隨著騷擾信號(hào)頻率的上升，引線電感的作用導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷的下降，甚至導(dǎo)致電容器參數(shù)改變，也是產(chǎn)生電磁騷擾的一個(gè)原因。

　　4 電磁兼容性的解決方法

　　從電磁兼容的三要素講，要解決開關(guān)電源的電磁兼容性問(wèn)題，可從三個(gè)方面入手：第一，減小騷擾源產(chǎn)生的騷擾信號(hào)；第二，切斷騷擾信號(hào)的傳播途徑；第三，增強(qiáng)受騷擾體的抗騷擾能力。在解決開關(guān)電源內(nèi)部的兼容性時(shí)，可以綜合利用上述三個(gè)方法，以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提。因而，開關(guān)電源產(chǎn)生的對(duì)外騷擾，如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)騷擾、電磁場(chǎng)輻射騷擾等只能用減小騷擾源的方法來(lái)解決。一方面，可以增強(qiáng)輸入/ 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)，改善APFC電路的性能，減小開關(guān)管及整流、續(xù)流二極管的電壓、電流變化率，采用各種軟開關(guān)電路拓?fù)浼翱刂品绞降龋涣硪环矫?，加?qiáng)機(jī)殼的屏蔽效果，改善機(jī)殼的縫隙泄漏，并進(jìn)行良好的接地處理。而對(duì)外部的抗騷擾能力（如浪涌、雷擊）應(yīng)優(yōu)化交流電輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對(duì) 1.2/50μs開路電壓及8/20μs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，通常采用氧化鋅壓敏電阻與氣體方電管等的組合方法來(lái)解決。對(duì)于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號(hào)電路中，采用TVS管及相應(yīng)的接地保護(hù)、加大小信號(hào)電路與機(jī)殼等的電距離來(lái)解決或選用具有抗靜電騷擾的器件?？焖偎沧冃盘?hào)含有很寬的頻譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，采用與防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強(qiáng)輸入電路的共模信號(hào)濾波（加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等）來(lái)提高系統(tǒng)的抗擾性能。

　　減小開關(guān)電源的內(nèi)部騷擾，實(shí)現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：① 注意數(shù)字電路與模塊電路PCB布線的正確分區(qū)；②數(shù)字電路與模擬電路電源的去耦；③數(shù)字電路與模擬電路單點(diǎn)接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點(diǎn)接地以減小共阻騷擾，減小地環(huán)地影響，布線時(shí)注意相鄰線間的間距及信號(hào)性質(zhì)，避免產(chǎn)生串?dāng)_，減小輸出整流回路及續(xù)流二極管回路與支流濾波電路所包圍的面積，減小變壓器的漏電、濾波電感的分布電容，運(yùn)用諧振頻率高的濾波電容器等。

　　5 濾波器結(jié)構(gòu)

　　濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害，也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)中具有極其重要的作用。它不僅可以抑制傳輸線上的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)對(duì)傳輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中，選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環(huán)，能夠改善電路的濾波特性。進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)或選擇合適的濾波器，并正確的安裝濾波器是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。在交流電輸入端加裝的電源濾波器電路如圖1所示。圖中Ld、Cd用于抑制差模噪聲，一般取Ld為100 mH -700mH，Cd取1μF -10μF。Lc、Cc用于抑制共模噪聲，可根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整。

開關(guān)電源的電磁兼容性技術(shù)及解決方法

　　所有電源濾波器都必須接地（廠家特別說(shuō)明允許不接地的除外），因?yàn)闉V波器的共模旁路電容必須在接地時(shí)才起作用。一般的接地方法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外，還要用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼與設(shè)備的接地點(diǎn)相連。接地阻抗越低，濾波效果越好。

　　濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠(yuǎn)離，避免干擾信號(hào)從輸入端直接耦合到輸出端。

　　如在電源輸出端加輸出濾波器、加裝高頻電容、加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量，則可以抑制差模噪聲。如果把多個(gè)電容并聯(lián)，則效果會(huì)更好。

　　幾種濾波器的構(gòu)成如圖2所示。在圖2（a）中，阻抗Z=1/（ωC1），高頻區(qū)域用陶瓷電容、聚酯薄膜電容并聯(lián)，其濾波效果更好。圖2（b）中，噪聲能通過(guò)電容旁路到地線上，這種濾波器連接時(shí)應(yīng)使接地阻抗盡量小。圖2（c）中，C1、C2對(duì)不對(duì)稱噪聲有良好的濾波效果，C3對(duì)對(duì)稱噪聲有良好的濾波效果，連接時(shí)應(yīng)使電容器的引線及接地線盡量短。圖2（d）為常用的噪聲濾波電路，L1、L2對(duì)噪聲呈現(xiàn)高阻抗，而C1 則對(duì)噪聲呈現(xiàn)低阻抗。當(dāng)L1、L2采用共模電感結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)對(duì)稱和非對(duì)稱噪聲都有較好的濾波效果。圖2（e）適用于共模噪聲進(jìn)行濾波，應(yīng)注意的是其接地阻抗同樣應(yīng)盡量小。

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