基于開關電源系統(tǒng)的電磁兼容問題的探討

引言

隨著電子技術的飛速發(fā)展，電子設備同時也朝著功能集成化，體積小型化方向發(fā)展，這給我們帶來諸多的便利，但是各種電子設備之間的電磁耦合也成了工程師們面對的主要問題。電子環(huán)境污染的危害性不亞于傳統(tǒng)的環(huán)境污染。而電磁污染作為環(huán)境污染的一部分也被提上了議程。電子設備在正常工作時候，會承受各種電磁干擾，包括自身內部器件的相互干擾，以及周圍其他電子設備的干擾，同時會對周圍其他的電子設備產(chǎn)生電磁干擾。電子設備在不同應用環(huán)境中(家用、工控、電力)要求差異性非常大，這方面可以參考通用標準IEC/EN61000-6系列或者對應產(chǎn)品的行業(yè)要求。

這種電磁干擾在傳輸途徑方面主要是包括兩個方面：一是沿著線束進行傳輸，這方面主要包括沿著電源端口進行傳輸以及信號端口進行傳輸;另一方面主要是沿著空間進行傳輸。

1 電磁干擾

電源在它的應用環(huán)境中必須符合對應的最低發(fā)射能量要求，否則就會對周圍環(huán)境的設備產(chǎn)生干擾，標準IEC/EN61000-6按照通用類型的要求，分為工業(yè)環(huán)境設備要求和住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)和輕工業(yè)環(huán)境的發(fā)射要求;對于電源這種通用類產(chǎn)品，在設計初期電磁干擾定位除非是特別的型號，否則都會按照IEC/EN61000-6-3或者IEC/EN61000-6-4執(zhí)行設計。

隨著電源的體積不斷的小型化，功率密度不斷的增加，對于電源本身的電磁干擾設計難度不斷的加大，MORNSUN目前市場上所有的AC-DC不僅內置了濾波器，同時在變壓器屏蔽方面、功率器件噪聲吸收方面都投入了大量的設計成本，滿足承諾的指標要求;R2代小功率DC-DC產(chǎn)品全部采用六面屏蔽結構進行設計，滿足行業(yè)EN55022/CISPR 22、EN55011/CISPR 11的CLASS A要求，符合基礎性行業(yè)的等級要求。

雖然電源自身電磁干擾方面投入了很大的設計成本，也符合承諾的各項指標要求，但是電源在市場應用方面還是難免出現(xiàn)電磁干擾超標的問題;此時，很多的設計工程師都會認為問題的根源在于電源，這方面的認識其實是有誤區(qū)的，因為電磁干擾傳導騷擾測試項目，主要是針對電源端口的，那么電源端口就成了他的傳輸路逕，所有的電磁干擾都會經(jīng)過電源端口到達被測設備，但是測試設備測試到的電磁干擾除了來自電源本身外，主要的部分還包括整機中的其他部分產(chǎn)生的電磁干擾，以及設備內部寄生參數(shù)的諧振產(chǎn)生的電磁干擾，這一類電磁干擾會通過電源端口耦合到測試設備，電源內部的濾波器是無法進行實現(xiàn)對這部分電磁干擾進行濾波，電源應用環(huán)境千差萬別，所有電源設計濾波器部分都是以解決自身的干擾為首要考慮條件的同時，濾波器衰減特性及頻譜特性盡量會預留最大的余量，但不可能兼容所有應用場合;那么這就要求我們的整機設計人員在設計電源前端時候，一定要按照電源廠家推薦的應用電路進行設計，例如：LH15產(chǎn)品應用過程中出現(xiàn)EMI超標問題(見下圖)。

上圖為MORNSUN電源LH15-10B05傳導騷擾測試結果，此結果符合EN55022/CISPR22的CLASS B要求，而且余量非常充分。

上圖為MORNSUN電源LH15-10B05的電源應用到某品牌產(chǎn)品上面后，整機測試傳導騷擾結果，此結果無法符合EN55022/CISPR22的CLASS B要求，甚至連CLASS A都無法滿足要求，更不用說設計余量。所以電源即使內部電磁干擾設計等級再高，在應用過程中一定要留應用部分，具體參數(shù)可參考具體產(chǎn)品對應的規(guī)格書。MORNSUN的電源產(chǎn)品在規(guī)格書中都會有應用電路這一欄，會將在應用電路的基礎上實現(xiàn)的指標，描述的非常詳細。

2 電磁抗擾度

電源除了要符合上面提到電磁干擾要求外，還必須符合對應應用環(huán)境的抗擾度要求，如果無法滿足此環(huán)境的最低要求，那么就會受到周圍其他設備產(chǎn)生的電磁干擾的影響，產(chǎn)生損壞、輸出不穩(wěn)定等異?，F(xiàn)象，最終影響整機的正常工作。

對于電源這種通用類產(chǎn)品，并沒有具體的標準要求抗擾度性能達到一定的等級，在應用到具體的行業(yè)時候參考行業(yè)的標準;但是在設計初期，并沒有定位具體的行業(yè)，只能參考通用類標準IEC/EN61000-6的具體要求，標準IEC/EN61000-6-1/2分為工業(yè)環(huán)境設備抗擾度要求和住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)和輕工業(yè)環(huán)境的抗擾度要求。MORNSUN電源AC-DC部分都是按照工業(yè)類型產(chǎn)品最嚴格的等級在進行設計，同時保證了設計的余量非常充分，目前此類型電源承諾四級指標2KV(差摸)/4KV(共模)的防護能力的產(chǎn)品，內部設計的端口防護壓敏電阻都用的是14D的規(guī)格(見下圖)

通過下表可以明顯看出14D的規(guī)格持續(xù)通流量可以達到4.5KA,那么承諾的指標只有1KA(差摸)/333KA(共模)，通過這個對比可以看出，設計的降額已經(jīng)非常大，但是產(chǎn)品長期在市場方面使用過程中，還會出現(xiàn)壓敏電阻損壞，最終導致電源燒毀的現(xiàn)象，究其原因主要有兩方面因素：一方面是由于壓敏電阻自身的老化原因產(chǎn)生的，目前市場上面非常常用的ZnO壓敏電阻，中間是ZnO顆粒構成的絕緣層，兩面通過鍍銀形成電極，當兩面電極的電壓超他的閥值電壓時候，漏電流會急劇增大，最終形成瞬態(tài)電流泄放，起到防護的作用。

壓敏電阻對于瞬態(tài)浪涌脈沖進行電流泄放，多次泄放以后壓敏電阻的介質ZnO會發(fā)生特性變化，這樣壓敏電阻的殘壓特性、泄放能力都會大大降低;更加嚴重的是壓敏電阻這種兩面鍍銀結構，表面鍍銀并無法實現(xiàn)100%均勻，那就說明每次瞬態(tài)浪涌沖擊，必然會存在整個壓敏電阻的表面有某個點最先導通，最先擊穿導通的點在承受多次沖擊之后，后首先燒毀，最終導致壓敏電阻損壞(見下圖)。

這種壓敏電阻通過擊穿點進行電流泄放，在泄流點會形成大量的熱量，這種熱量最終會導致壓敏電阻燒穿(見下圖)。

另外一方面損壞因素是由于終端客戶對于電源使用不當引起的失效，使用不當前面已經(jīng)描述過會引起電磁干擾的超標，同樣電磁抗擾度也會受到嚴重的影響，客戶應用現(xiàn)場千差萬別，那么其中對MORNSUN隔離AC-DC小功率電源模塊的非隔離引用(見下圖)，就會導致電源的損壞，即使電源在這種瞬態(tài)浪涌沖擊中僥幸正常，那么后端的負載部分也會產(chǎn)生各種各樣的異常現(xiàn)象，這是整機設計工程師非常頭痛的問題。

隔離電源的非隔離應用會產(chǎn)生什么樣的問題：一是當進行共模浪涌試驗時候，共模線-地之間的浪涌沖擊就會變成隔離電源模塊原副邊之間的耐壓，對于各種工業(yè)、電力、軌道交通等對于產(chǎn)品可靠性要求非常苛刻的應用環(huán)境，線-地之間會按照4KV的浪涌等級進行試驗，大多數(shù)行業(yè)對于電源的隔離度都是按照3KV的要求或者更低進行設計，這樣電源模塊就難逃損壞，只有醫(yī)療等特殊行業(yè)的隔離度才會設計在4KV,但是此時的隔離電源需要犧牲體積、成本等。

第二個問題是當輸入端存在瞬態(tài)脈沖等各種雜波干擾信號時候，隔離電源能夠起到很好的保護后端負載作用，但是非隔離應用之后，輸入端的所有干擾信號都會原封不動的傳輸?shù)截撦d端，會到導致整個系統(tǒng)產(chǎn)生異常甚至癱瘓。

上面這則應用經(jīng)常會受到各種質疑，一般會以某國際知名品牌的整機設計為例，告訴我們市場上面很多這種應用，當然這種確實是存在。那么這種應用在什么情況下不會產(chǎn)生異常呢?對于電力系統(tǒng)非常發(fā)達的地域，他的電網(wǎng)已經(jīng)可靠，同時電網(wǎng)的負載的電磁干擾已經(jīng)非常理想的情況下，是沒有問題的;另外這種應用可能會在負載端已經(jīng)投入了大量的設計成本來避免輸入端的瞬態(tài)干擾的時候，非隔離應用也不會有異常。

那么，如果隔離電源在應用過程中一定要進行輸出Vout-連接到PE端，可以按照上圖的連接思路，通過電容將這兩個端子進行連接，這樣設計保證了客戶特殊使用要求的同事，對于上述問題也能夠有效的規(guī)避。

總之，從可靠性的角度來說明，這種設計是非常不提倡的。

3 結語

隨著電子技術的飛速發(fā)展，電子設備同時也朝著功能集成化，體積小型化方向發(fā)展，這給我們帶來諸多的便利，但是各種電子設備之間的電磁耦合也成了工程師們面對的主要問題。電子環(huán)境污染的危害性不亞于傳統(tǒng)的環(huán)境污染。而電磁污染作為環(huán)境污染的一部分也被提上了議程。