一種基于開關(guān)電源的系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)方案探討

技術(shù)開發(fā)商帶來諸多的便利，但是各種電子設(shè)備之間的電磁耦合也成了工程師們面對(duì)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)境污染的一部分就不得不被提起。那么一種圍繞電源本身進(jìn)行整機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路方法就被提出。

電子設(shè)備在正常工作時(shí)候，會(huì)承受各種電磁干擾，包括自身內(nèi)部器件的相互干擾，以及周圍其他電子設(shè)備的干擾，同時(shí)會(huì)對(duì)周圍其他的電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。電子設(shè)備在不同應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)IEC/EN61000-6系列或者對(duì)應(yīng)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(gè)方面：一是沿著線束進(jìn)行傳輸，這方面主要包括沿著電源端口進(jìn)行傳輸以及信號(hào)端口進(jìn)行傳輸;另一方面主要是沿著空間進(jìn)行傳輸。

電磁干擾：

電源在它的應(yīng)用環(huán)境中必須符合對(duì)應(yīng)的最低發(fā)射能量要求，否則就會(huì)對(duì)周圍環(huán)境的設(shè)備產(chǎn)生干擾，標(biāo)準(zhǔn)IEC/EN61000-6按照通用類型的要求，分為工業(yè)環(huán)境設(shè)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(duì)于電源這種通用類產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)初期電磁干擾定位除非是特別的型號(hào)，否則都會(huì)按照IEC/EN61000-6-3或者IEC/EN61000-6-4執(zhí)行設(shè)計(jì)。

隨著電源的體積不斷的小型化，功率密度不斷的增加，對(duì)于電源本身的電磁干擾設(shè)計(jì)難度不斷的加大，MORNSUN目前市場上所有的AC-DC不僅內(nèi)置了濾波器，同時(shí)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(shè)計(jì)成本，滿足承諾的指標(biāo)要求；R2代小功率DC-DC產(chǎn)品全部采用六面屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足行業(yè)EN55022/CISPR 22、EN55011/CISPR 11的CLASS A要求，符合基礎(chǔ)性行業(yè)的等級(jí)要求。雖然電源自身電磁干擾方面投入了很大的設(shè)計(jì)成本，也符合承諾的各項(xiàng)指標(biāo)要求，但是電源在市場應(yīng)用方面還是難免出現(xiàn)電磁干擾超標(biāo)的問題；此時(shí)，很多的設(shè)計(jì)工程師都會(huì)認(rèn)為問題的根源在于電源，這方面的認(rèn)識(shí)其實(shí)是有誤區(qū)的，因?yàn)殡姶鸥蓴_傳導(dǎo)騷擾測試項(xiàng)目，主要是針對(duì)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(huì)經(jīng)過電源端口到達(dá)被測設(shè)備，但是測試設(shè)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(jī)中的其他部分產(chǎn)生的電磁干擾，以及設(shè)備內(nèi)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(huì)通過電源端口耦合到測試設(shè)備，電源內(nèi)部的濾波器是無法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)這部分電磁干擾進(jìn)行濾波，電源應(yīng)用環(huán)境千差萬別，所有電源設(shè)計(jì)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(shí)，濾波器衰減特性及頻譜特性盡量會(huì)預(yù)留最大的余量，但不可能兼容所有應(yīng)用場合；那么這就要求我們的整機(jī)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電源前端時(shí)候，一定要按照電源廠家推薦的應(yīng)用電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如：LH15產(chǎn)品應(yīng)用過程中出現(xiàn)EMI超標(biāo)問題(見下圖)。

上圖為MORNSUN電源LH15-10B05傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果，此結(jié)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(yīng)用到某品牌產(chǎn)品上面后，整機(jī)測試傳導(dǎo)騷擾結(jié)果，此結(jié)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(shè)計(jì)余量。

所以電源即使內(nèi)部電磁干擾設(shè)計(jì)等級(jí)再高，在應(yīng)用過程中一定要留應(yīng)用部分，具體參數(shù)可參考具體產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的規(guī)格書。MORNSUN的電源產(chǎn)品在規(guī)格書中都會(huì)有應(yīng)用電路這一欄，會(huì)將在應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，描述的非常詳細(xì)。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(duì)應(yīng)應(yīng)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(huì)受到周圍其他設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾的影響，產(chǎn)生損壞、輸出不穩(wěn)定等異常現(xiàn)象，最終影響整機(jī)的正常工作。

對(duì)于電源這種通用類產(chǎn)品，并沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)要求抗擾度性能達(dá)到一定的等級(jí)，在應(yīng)用到具體的行業(yè)時(shí)候參考行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn);但是在設(shè)計(jì)初期，并沒有定位具體的行業(yè)，只能參考通用類標(biāo)準(zhǔn)IEC/EN61000-6的具體要求，標(biāo)準(zhǔn)IEC/EN61000-6-1/2分為工業(yè)環(huán)境設(shè)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(yán)格的等級(jí)在進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)保證了設(shè)計(jì)的余量非常充分，目前此類型電源承諾四級(jí)指標(biāo)2KV(差摸)/4KV(共模)的防護(hù)能力的產(chǎn)品，內(nèi)部設(shè)計(jì)的端口防護(hù)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(dá)到4.5KA，那么承諾的指標(biāo)只有1KA(差摸)/333KA(共模)，通過這個(gè)對(duì)比可以看出，設(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)壓敏電阻損壞，最終導(dǎo)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(gòu)成的絕緣層，兩面通過鍍銀形成電極，當(dāng)兩面電極的電壓超他的閥值電壓時(shí)候，漏電流會(huì)急劇增大，最終形成瞬態(tài)電流泄放，起到防護(hù)的作用。

壓敏電阻對(duì)于瞬態(tài)浪涌脈沖進(jìn)行電流泄放，多次泄放以后壓敏電阻的介質(zhì)ZnO會(huì)發(fā)生特性變化，這樣壓敏電阻的殘壓特性、泄放能力都會(huì)大大降低；更加嚴(yán)重的是壓敏電阻這種兩面鍍銀結(jié)構(gòu)，表面鍍銀并無法實(shí)現(xiàn)100%均勻，那就說明每次瞬態(tài)浪涌沖擊，必然會(huì)存在整個(gè)壓敏電阻的表面有某個(gè)點(diǎn)最先導(dǎo)通，最先擊穿導(dǎo)通的點(diǎn)在承受多次沖擊之后，后首先燒毀，最終導(dǎo)致壓敏電阻損壞(見下圖)。

這種壓敏電阻通過擊穿點(diǎn)進(jìn)行電流泄放，在泄流點(diǎn)會(huì)形成大量的熱量，這種熱量最終會(huì)導(dǎo)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(duì)于電源使用不當(dāng)引起的失效，使用不當(dāng)前面已經(jīng)描述過會(huì)引起電磁干擾的超標(biāo)，同樣電磁抗擾度也會(huì)受到嚴(yán)重的影響，客戶應(yīng)用現(xiàn)場千差萬別，那么其中對(duì)MORNSUN隔離AC-DC小功率電源模塊的非隔離引用(見下圖),就會(huì)導(dǎo)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(fù)載部分也會(huì)產(chǎn)生各種各樣的異?，F(xiàn)象，這是整機(jī)設(shè)計(jì)工程師非常頭痛的問題。

隔離電源的非隔離應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生什么樣的問題：一是當(dāng)進(jìn)行共模浪涌試驗(yàn)時(shí)候，共模線-地之間的浪涌沖擊就會(huì)變成隔離電源模塊原副邊之間的耐壓，對(duì)于各種工業(yè)、電力、軌道交通等對(duì)于產(chǎn)品可靠性要求非?？量痰膽?yīng)用環(huán)境，線-地之間會(huì)按照4KV的浪涌等級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)，大多數(shù)行業(yè)對(duì)于電源的隔離度都是按照3KV的要求或者更低進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(huì)設(shè)計(jì)在4KV，但是此時(shí)的隔離電源需要犧牲體積、成本等。第二個(gè)問題是當(dāng)輸入端存在瞬態(tài)脈沖等各種雜波干擾信號(hào)時(shí)候，隔離電源能夠起到很好的保護(hù)后端負(fù)載作用，但是非隔離應(yīng)用之后，輸入端的所有干擾信號(hào)都會(huì)原封不動(dòng)的傳輸?shù)截?fù)載端，會(huì)到導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生異常甚至癱瘓。

上面這則應(yīng)用經(jīng)常會(huì)受到各種質(zhì)疑，一般會(huì)以某國際知名品牌的整機(jī)設(shè)計(jì)為例，告訴我們市場上面很多這種應(yīng)用，當(dāng)然這種確實(shí)是存在。那么這種應(yīng)用在什么情況下不會(huì)產(chǎn)生異常呢?對(duì)于電力系統(tǒng)非常發(fā)達(dá)的地域，他的電網(wǎng)已經(jīng)可靠，同時(shí)電網(wǎng)的負(fù)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(yīng)用可能會(huì)在負(fù)載端已經(jīng)投入了大量的設(shè)計(jì)成本來避免輸入端的瞬態(tài)干擾的時(shí)候，非隔離應(yīng)用也不會(huì)有異常；那么，如果隔離電源在應(yīng)用過程中一定要進(jìn)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(gè)端子進(jìn)行連接，這樣設(shè)計(jì)保證了客戶特殊使用要求的同事，對(duì)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(shè)計(jì)是非常不提倡的。

結(jié)語：

整機(jī)電磁兼容的設(shè)計(jì)其實(shí)是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)初期就對(duì)指標(biāo)定位、應(yīng)用環(huán)境評(píng)審充分，在設(shè)計(jì)過程對(duì)于電路圖設(shè)計(jì)、原材料選型、PCB繪制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝安裝等各方面評(píng)審充分；任何一個(gè)點(diǎn)設(shè)計(jì)不到位都可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗，甚至?xí)冻龀林氐某杀敬鷥r(jià)。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)于這方面的設(shè)計(jì)失敗局限于電源方面，還有待繼續(xù)梳理和提高。