關(guān)注電源引起的電磁干擾

2004年10月B版

電磁干擾是電子設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中不能回避的問(wèn)題。電源是把電子設(shè)備和電源網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)的部分，因此電源引起的電磁干擾是電子設(shè)備值得認(rèn)真關(guān)注的問(wèn)題。實(shí)際上，電子設(shè)備均要求降低電源的電磁干擾(EMI)到規(guī)定的限值內(nèi)，并保持電磁兼容(EMC)。忽略這個(gè)要求，電子設(shè)備將不可能通過(guò)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，并拖延電子設(shè)備投放市場(chǎng)的時(shí)間。

個(gè)體與系統(tǒng)的問(wèn)題
設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明白：一個(gè)電源即使自身符合電磁兼容要求，但當(dāng)它被整合到設(shè)備中時(shí)，也可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。ITS(世界上最大的消費(fèi)品和工業(yè)品檢測(cè)與認(rèn)證機(jī)構(gòu)之一)的EMC和電信總工程師Roland Gubisch最近接到一個(gè)電源公司工程師打來(lái)的電話。電源工程師想知道為什么他的電源受到指責(zé)。他的電源通過(guò)了所有生效的EMI測(cè)試，并且獲得了所有必要的認(rèn)可標(biāo)志。
Gubisch說(shuō)通常設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的有害噪聲信號(hào)直接穿過(guò)電源，返回到供電線上，這是一種不利的狀況。如果在電源直流輸出端添加一個(gè)射頻濾波器，則可以去除供電線上的噪聲。這是設(shè)計(jì)工程師必須注意的問(wèn)題，但往往被忽略。
Kimmel-Gerke Associates公司的Daryl Gerke 說(shuō)：“工程技術(shù)人員購(gòu)買(mǎi)帶有CE標(biāo)記的設(shè)備，當(dāng)用它們組成系統(tǒng)或設(shè)備時(shí)，卻不能通過(guò)EMI和EMC測(cè)試，工程師們感到非常困惑?！彪娫翠N(xiāo)售商已經(jīng)測(cè)試了他們?cè)O(shè)備在傳導(dǎo)和輻射兩方面的發(fā)射指標(biāo)，但這些是使用一個(gè)靜態(tài)電阻負(fù)載進(jìn)行的測(cè)試?？墒谴蠖鄶?shù)情況，設(shè)計(jì)人員需要的是動(dòng)態(tài)負(fù)載。雖然銷(xiāo)售商設(shè)計(jì)他們的電源產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)，但他們不可能設(shè)計(jì)產(chǎn)品滿足每一種類(lèi)型的動(dòng)態(tài)電路。Gerke解釋到：“這就是CE標(biāo)記加CE標(biāo)記不一定等于一個(gè)CE標(biāo)記的原因?！?br/>XpiQ公司醫(yī)用器件銷(xiāo)售主管Peter Blyth說(shuō)，“工程技術(shù)人員希望產(chǎn)品服從一定等級(jí)的EMI標(biāo)準(zhǔn)，則可以解決系統(tǒng)里的所有EMI和EMC問(wèn)題?！蓖ǔＲ粋€(gè)電源濾波器可以充分削弱電源產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率，但濾波器并不一定可以衰減供電設(shè)備產(chǎn)生的超過(guò)電源頻率的EMI信號(hào)。
當(dāng)Blyth還是一名工程師的時(shí)候，他接到大約一半的求助電話都來(lái)自于消費(fèi)者，他們的設(shè)備正在測(cè)試，并且需要馬上減小傳導(dǎo)發(fā)射以便能夠通過(guò)測(cè)試。Blyth說(shuō)：“在英國(guó)，在美國(guó)，我們提供實(shí)驗(yàn)室，在那里消費(fèi)者可以對(duì)他們的產(chǎn)品執(zhí)行一個(gè)快速傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試。測(cè)試結(jié)果可以指出產(chǎn)品哪部分通過(guò)了測(cè)試、哪部分沒(méi)有，以便設(shè)計(jì)人員能夠知道哪個(gè)部分需要使用濾波器，以及如何使用濾波器。因此，當(dāng)去標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，他們的產(chǎn)品已經(jīng)解決了傳導(dǎo)發(fā)射問(wèn)題?！?/p>

開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的問(wèn)題
設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該把開(kāi)關(guān)電源視為噪聲源，它產(chǎn)生的噪聲也可以耦合到敏感的設(shè)備中。一般一個(gè)電源具有一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，它給電容器充電。濾波器可以用來(lái)阻止開(kāi)關(guān)信號(hào)流入電源線和其它設(shè)備。對(duì)濾波的要求，不同行業(yè)有不同的規(guī)定，軍事上對(duì)開(kāi)關(guān)頻率衰減的要求是最嚴(yán)格的。
在發(fā)射測(cè)試方面，商業(yè)測(cè)試存在著另一個(gè)問(wèn)題，直到幾年前工程師們才開(kāi)始關(guān)注。Gerke注釋說(shuō)：“我們進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試是從30MHz開(kāi)始向下測(cè)試，輻射發(fā)射測(cè)試是從30MHz開(kāi)始向上測(cè)試。在大部分電源中，切換發(fā)生在50 kHz 和 500 kHz之間，因而30MHz以上的諧波不包含太多的能量，并且輻射信號(hào)幾乎不引起什么問(wèn)題?！?br/>為了提高電源的功效，設(shè)計(jì)人員提高開(kāi)關(guān)頻率，并使開(kāi)關(guān)信號(hào)的脈沖邊緣變得更陡。Gerke解釋說(shuō)：這些變化增大了在30MHz到100MHz范圍里的輻射。
Gerke說(shuō)：“為了滿足EMI要求，我們將鐵氧體磁環(huán)添加到FET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)驅(qū)動(dòng)電路中，以便略微降低晶體管開(kāi)關(guān)速度(圖2)。但是電源設(shè)計(jì)人員不希望我們減小開(kāi)關(guān)速度，因?yàn)樗麄兣_(dá)到這個(gè)速度，以便電源有效運(yùn)轉(zhuǎn)?！?br/>實(shí)際上，減小開(kāi)關(guān)信號(hào)的諧波并不影響多少效率-通常少于1%?！叭绻覀?cè)谝粋€(gè)50kHz工作的電源中發(fā)現(xiàn)一個(gè)50MHz的EMI信號(hào)，我們需要去掉50MHz附近的諧波(第1000次諧波)。在這種情況下，去除這些高次諧波不會(huì)損失效率?！?Gerke說(shuō)。但，如果有一個(gè)開(kāi)關(guān)電源工作在500kHz，發(fā)現(xiàn)在30MHz上存在一個(gè)它引起的EMI問(wèn)題，這時(shí)濾除諧波則會(huì)損失效率稍微多一些。
SynQor公司的創(chuàng)始人和CEO Martin Schlecht說(shuō)，在DC/DC轉(zhuǎn)換器中更高頻率的噪聲不只從轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率中產(chǎn)生。當(dāng)關(guān)掉一個(gè)MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，由于內(nèi)部寄生電容和電感的存在，它也會(huì)形成環(huán)路。典型情況下，這個(gè)環(huán)路頻率產(chǎn)生在20 MHz 和30 MHz之間(根據(jù)電路的組成而定)。給MOSFET電路添加一個(gè)門(mén)電阻可以減緩開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，并降低源上的環(huán)路噪聲。
設(shè)計(jì)人員為了開(kāi)關(guān)頻率的降低要付出一定代價(jià)，轉(zhuǎn)換器工作效率要下降一個(gè)百分點(diǎn)，而且MOSFET要消耗更多的功率。一個(gè)好的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)者應(yīng)該知道如何減小高頻環(huán)路發(fā)射，又不增加過(guò)多的熱耗散。
設(shè)計(jì)人員也可使用一個(gè)緩沖電路減小環(huán)路噪聲，但這樣做需要添加元器件，并且緩沖器也必定會(huì)消耗“緩沖”能量。Schlecht說(shuō)：“我想還是通過(guò)減緩MOSFET作為減小EMI的方法，并且要觀察電源是否需要消耗額外的熱量?！痹O(shè)計(jì)人員也可以嘗試消除電源的開(kāi)關(guān)頻率以便減小EMI。

散熱片與共模噪聲
常用來(lái)散熱的散熱片也可以增加共模噪聲——噪聲電流在隔離DC輸出和電源輸入端的地之間流動(dòng)。在半導(dǎo)體設(shè)備和散熱片(散熱片通常接地)之間存在一個(gè)微小的電容(圖3)。非常微弱的耦合通過(guò)一個(gè)小的寄生電容器就可以產(chǎn)生共模噪聲，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體中開(kāi)關(guān)信號(hào)有相當(dāng)高的幅度。并且獨(dú)立散熱片吸收電源中所有半導(dǎo)體能量，它可以使問(wèn)題惡化：散熱片可以在電源次級(jí)和初級(jí)之間提供一個(gè)寄生連接，而它們本應(yīng)保持隔離。在電源設(shè)計(jì)中，應(yīng)該保持散熱片與地?cái)嚅_(kāi)，或懸浮。或在半導(dǎo)體和散熱片之間放入靜電屏蔽板(Faraday shield)絕緣體，也可以減小耦合。
寄生耦合也會(huì)產(chǎn)生在變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間。完全隔離開(kāi)線圈將使這種形式的耦合最小，這樣就要使用靜電屏蔽板，但這種方法不能完全消除耦合，而且還會(huì)增加電源消耗。
Daryl Gerke也推薦在開(kāi)關(guān)電源變壓器的次級(jí)到輸入整流器和電容器上的低電壓節(jié)點(diǎn)間，使用一個(gè)“凈化電容(scavenger capacitor)”。因?yàn)檫@個(gè)電容器起到“安全屏障”的作用，它隔斷電源的次級(jí)和主級(jí)電路，因此在這種應(yīng)用中設(shè)計(jì)者必須使用高安全性的電容器。許多銷(xiāo)售商已經(jīng)開(kāi)始致力于解決寄生耦合問(wèn)題，但是，當(dāng)連接電源散熱片或金屬框架到底盤(pán)地的時(shí)候，仍會(huì)產(chǎn)生共摸噪聲問(wèn)題。
Schlecht說(shuō)：“許多工程技術(shù)人員都是以上次使用過(guò)的設(shè)計(jì)模式開(kāi)始新的設(shè)計(jì)。而且，幸運(yùn)地是新的系統(tǒng)與前一個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有太多的不同，因此所有老的設(shè)計(jì)應(yīng)該仍能使用?！钡珜?shí)際上，很難透徹地分析共模網(wǎng)絡(luò)，它不是一組物理器件。由于底板接地的布局、變壓器繞組和元器件之間耦合的存在，就會(huì)存在寄生“元件”。(解決共模噪聲問(wèn)題可以不局限于這篇文章所提到的內(nèi)容。許多由EMC專(zhuān)家、電源銷(xiāo)售商和專(zhuān)業(yè)組織維護(hù)的網(wǎng)站提供許多應(yīng)用信息和幫助內(nèi)容。)
在高頻端，這些寄生產(chǎn)物不容易準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此工程技術(shù)人員說(shuō)，“存在問(wèn)題，我將插入元件直到噪聲消失。” Schlecht說(shuō)：“他們不說(shuō)‘我分析過(guò)了這個(gè)問(wèn)題，我知道發(fā)生了什么，并且我提前解決了它?！?
醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)人員(這些醫(yī)療器械需要接觸患者)還需要最小化泄漏電流，它將流過(guò)病人的身體。雖然商業(yè)規(guī)范可以允許幾毫安的泄漏電流，但醫(yī)療設(shè)備只可以有10微安。(如果設(shè)備沒(méi)有連接地線-綠色金屬線，泄漏指的是流過(guò)患者身體的電流。)
降低泄漏限制要求會(huì)影響信號(hào)到地的濾除作用。因?yàn)樾孤⑼ㄟ^(guò)濾波器電容產(chǎn)生，例如，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員不能通過(guò)添加更多的電容器來(lái)簡(jiǎn)單地解決共模噪聲。因此，為醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)的EMI濾波器一定要提供低泄漏電容器?！?/p>