開關(guān)電源的電磁兼容性及其設(shè)計

引言

隨著電器和電子設(shè)備或系統(tǒng)的數(shù)量及種類不斷增加，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?？梢?，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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定并具有如下兩方面的能力：一是能在預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作，不出現(xiàn)性能下降或故障；二是對電磁環(huán)境無污染。

關(guān)于電磁兼容的幾個重要概念

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。電磁環(huán)境有時也可以采用場強(qiáng)表示。設(shè)電磁環(huán)境中有n個電磁騷擾源，頻率f1點(diǎn)，在敏感設(shè)備或系統(tǒng)所在位置上，場強(qiáng)值為

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(diǎn)，例如電子噪聲、天線噪聲、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(diǎn)。例如：高頻及微波設(shè)備、高壓設(shè)備、火花設(shè)備、核電磁脈沖等。

電磁干擾

電磁干擾（electromagnetic interferenec，簡寫為emi）是指電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)的有用電磁信號，也可能是某種電磁噪聲。

電磁兼容性

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，電磁兼容性包含如下含義：

a．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)境中的其他設(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。

b．設(shè)備或系統(tǒng)不產(chǎn)生超過規(guī)定限度的電磁騷擾。

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，如圖1所示。

在實際情況中，傳導(dǎo)耦合和輻射耦合并不是截然不同的，他們可以互相轉(zhuǎn)換。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(yán)重。

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。

完善電路設(shè)計

所選擇開關(guān)電源電路拓?fù)洳灰水a(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，放大器的頻帶應(yīng)盡量窄，使其不易受干擾。適當(dāng)增加緩沖電路。

印刷電路板設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①高、中、低速邏輯電路同時應(yīng)用時，高速應(yīng)設(shè)計在電
路板的人口處；

②信號人口加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??；

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。

接地設(shè)計

a．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(jī)箱上的靜電，避免高壓放電；

③操作安全。

b．不考慮安全接地，僅從電路參考點(diǎn)的角度考慮，接地可分為懸浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。

①懸浮地

圖2是開關(guān)電源中的參考地與機(jī)殼隔離，可以避免機(jī)殼中的干擾電流直接耦合到電源電路中。當(dāng)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(jī)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。

②單點(diǎn)接地

如圖3所示。單點(diǎn)接地分為單點(diǎn)串聯(lián)接地和并聯(lián)接地。單點(diǎn)串聯(lián)接地的優(yōu)點(diǎn)是比較簡單，其缺點(diǎn)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(diǎn)a處，以使b點(diǎn)和c點(diǎn)的電位升高最小。相對單點(diǎn)串聯(lián)接地，單點(diǎn)并聯(lián)接地?zé)o公共地阻抗干擾，但地線數(shù)量多，在高頻(mhz以上)時效果差。

③多點(diǎn)接地

如圖4所示。各接地點(diǎn)就近接地，其優(yōu)點(diǎn)是：接線簡單，引線短。高頻阻波現(xiàn)象顯著減少。其缺點(diǎn)是：接地阻抗隨頻率升高而增大。

④混合接地

如圖5所示。實際情況比較復(fù)雜，很難通過一種簡單的接地方式來解決，而是常常采用單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地組合成混合接地。

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)通過最大額定電流時，其溫度要低，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(fù)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； ⑥要有較高的工作可靠性，因為作防護(hù)電磁干擾用的濾波器，故障往往比其他元件的故障更難找。 安裝濾波器時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)

①電源線路濾波器應(yīng)安裝在離設(shè)備電源人口盡量靠近的地方，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(jìn)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?dāng)_，從而降低濾波特性，通常的辦法是輸入和輸出之間加隔板或頻蔽層。

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(jìn)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(qiáng)度、頻率及屏蔽體至源的距離等；

②確定接受機(jī)的敏感度以及對屏蔽的要求；

③根據(jù)電磁屏蔽的要求及電磁場的性質(zhì)，適當(dāng)選擇材料的導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率和厚度； ④在確定屏蔽材料后，進(jìn)行屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對于電場屏蔽主要選擇高導(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(dá)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(dāng)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，所以一般不采用雙層屏蔽；

⑦對于通風(fēng)孔、探測器的慷慨屏蔽殼體、電纜進(jìn)出口接插件等開口處均按特殊要求進(jìn)行設(shè)計。

結(jié)語

本文簡要闡述了電磁兼容性設(shè)計對開關(guān)電源的重要作用。形成電磁干擾必須具備三個基本要素：(1)電磁騷擾源，(2)耦合途徑，(3)敏感設(shè)備。為了實現(xiàn)電磁兼容，必須從這三個基本要素出發(fā)，采取適當(dāng)措施。本文正是基于這三個基本要素，介紹了開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計的幾種基本方法。