基于開關(guān)電源系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計探討

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)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(shè)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。本文簡單介紹了一種圍繞電源本身在進(jìn)行整機電磁兼容設(shè)計時所需要注意的技術(shù)問題以及設(shè)計的思路方法。

引言：

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)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(shè)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(shè)備在正常工作時候，會承受各種電磁干擾，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，同時會對周圍其他的電子設(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)行傳輸以及信號端口進(jìn)行傳輸;另一方面主要是沿著空間進(jìn)行傳輸。

1 電磁干擾：

電源在它的應(yīng)用環(huán)境中必須符合對應(yīng)的最低發(fā)射能量要求，否則就會對周圍環(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;對于電源這種通用類產(chǎn)品，在設(shè)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(shè)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(shè)計難度不斷的加大，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，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)的等級要求。

雖然電源自身電磁干擾方面投入了很大的設(shè)計成本，也符合承諾的各項指標(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，很多的設(shè)計工程師都會認(rèn)為問題的根源在于電源，這方面的認(rèn)識其實是有誤區(qū)的，因為電磁干擾傳導(dǎo)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(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)行實現(xiàn)對這部分電磁干擾進(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(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設(shè)計人員在設(shè)計電源前端時候，一定要按照電源廠家推薦的應(yīng)用電路進(jìn)行設(shè)計，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)計余量。所以電源即使內(nèi)部電磁干擾設(shè)計等級再高，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)品對應(yīng)的規(guī)格書。MORNSUN的電源產(chǎn)品在規(guī)格書中都會有應(yīng)用電路這一欄，會將在應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的指標(biāo)，描述的非常詳細(xì)。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(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?，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(biāo)準(zhǔn)要求抗擾度性能達(dá)到一定的等級，在應(yīng)用到具體的行業(yè)時候參考行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn);但是在設(shè)計初期，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)格的等級在進(jìn)行設(shè)計，同時保證了設(shè)計的余量非常充分，目前此類型電源承諾四級指標(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)，通過這個對比可以看出，設(shè)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(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候，漏電流會急劇增大，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(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(dǎo)通，最先擊穿導(dǎo)通的點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)。