電子線路的電磁兼容性分析
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
與電源開關(guān)管V1的集電極相連的電路，也是產(chǎn)生共模干擾信號(hào)的主要原因。因?yàn)樵谡麄€(gè)開關(guān)電源電路中，數(shù)電源開關(guān)管V1集電極的電位最高，最高可達(dá)600 V以上，其他電路的電位都比它低，因此電源開關(guān)管V1的集電極與其他電路(也包括電源輸入端的引線)之間存在很強(qiáng)的電場，在電場的作用下，電路會(huì)產(chǎn)生位移電流，這個(gè)位移電流基本屬于共模干擾信號(hào)。
圖2中的電容器C1，C2和差模電感器L1對i1，i2和i3差模干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。由于C1，C2在電源線拔出時(shí)還會(huì)帶電，容易觸電傷人，所以在電源輸入的兩端要接一個(gè)放電電阻R1。
對共模干擾信號(hào)i4要進(jìn)行完全抑制，一般很困難，特別是沒有金屬機(jī)殼屏蔽的情況下，因?yàn)樵诟袘?yīng)產(chǎn)生共模干擾信號(hào)的回路中，其中的一個(gè)“元器件”是線路板與大地之間的等效電容，此“元器件”的數(shù)值一般是不穩(wěn)定的，進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對指標(biāo)要留有足夠的余量。圖2中L2和C3，C4是共模干擾信號(hào)抑制電路器件，在輸入功率較大的電路中，L2一般要用兩個(gè)，甚至三個(gè)，其中一個(gè)多為環(huán)形磁心電感。
根據(jù)上面分析，產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是i1流過的主要回路，這個(gè)回路主要由電容器C5、變壓器T1初級(jí)和電源開關(guān)管V1組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，這個(gè)回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為：
e=dφ／dt=SdB／dt
式中：e為感應(yīng)電動(dòng)勢；φ為磁通量；S為電流回路的面積；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，其值與電流強(qiáng)度成正比；dφ／dt為磁通變化率。由此可見，感應(yīng)電動(dòng)勢與電流回路的面積成正比。因此要減小電磁干擾，首先要設(shè)法減小電流回路的面積，特別是i1電流流過的回路面積。另外，為了減少變壓器漏感對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)的影響，一方面要求心量減小變壓器的漏感；另一方面，在變壓器的外圍包一層薄銅皮，以構(gòu)成一個(gè)低阻抗短路線圈，通過渦流消耗漏感產(chǎn)生的感應(yīng)能量。
(4)對輻射干擾信號(hào)的抑制。電磁輻射干擾也是通過電磁感應(yīng)的方式，由帶電體或電流回路及磁感應(yīng)回路對外產(chǎn)生電磁輻射的。任何一根導(dǎo)體都可以看作一根電磁感應(yīng)天線，任何一個(gè)電流回路都可以看作一個(gè)環(huán)形天線，電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應(yīng)輻射的重要器件。要想完全抑制電磁輻射是不可能的，但通過對電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，或者采取部分屏蔽措施，可以大大減輕電磁干擾的輻射。
例如，盡量縮短電路引線的長度和減小電流回路的面積，是減小電磁輻射的有效方法；正確使用儲(chǔ)能濾波電容，把儲(chǔ)能濾波電容盡量近地安裝在有源器件電源引線的兩端，每個(gè)有源器件獨(dú)立供電，或單獨(dú)用一個(gè)儲(chǔ)能濾波電容供電(充滿電的電容可以看成是一個(gè)獨(dú)立電源)，防止各電路中的有源器件(放大器)通過電源線和地線產(chǎn)生串?dāng)_；把電源引線的地和信號(hào)源的地嚴(yán)格分開，或?qū)π盘?hào)引線采取雙線并行對中交叉的方法，讓干擾信號(hào)互相抵消，也是一種減小電磁輻射的有效方法；利用散熱片也可以對電磁干擾進(jìn)行局部屏蔽，對信號(hào)引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法，讓信號(hào)線夾在兩條平行地線的中間，這相當(dāng)于雙回路，干擾信號(hào)也會(huì)互相抵消，屏蔽效果非常顯著；機(jī)器或敏感器件采用金屬外殼是最好的屏蔽電磁干擾方法，但非金屬外殼也可以噴涂導(dǎo)電材料(如石墨)進(jìn)行電磁干擾屏蔽。
(5)對高壓的靜電的消除。圖1中，如果輸出電壓高于1 000 V，必須考慮靜電消除。雖然大多數(shù)的開關(guān)電源都采取變壓器進(jìn)行“冷熱地”隔離，由于“熱地”，也叫“初級(jí)地”，通過電網(wǎng)可構(gòu)成回路，當(dāng)人體接觸到“初級(jí)地”時(shí)會(huì)“觸電”，所以人們都把“初級(jí)地”叫作“熱地”，表示不能觸摸的意思。而“冷地”也叫“次級(jí)地”，盡管電壓很高，但它與大地不構(gòu)成回路，當(dāng)人體接觸到“次級(jí)地”時(shí)不會(huì)“觸電”，因此，人們都把“次級(jí)地”叫作“冷地”，表示可以觸摸的意思。但不管是“冷地”或者是“熱地”，其對大地的電位差都不可能是零，即還是會(huì)帶電。如彩色電視機(jī)中的開關(guān)電源，“熱地”對大地的電位差，其峰峰值大約有400 V；“冷地”對大地的電位差，其峰峰值大約有1 500 V。
“熱地”帶電比較好理解，而“冷地”帶電一般人是難以理解的。“冷地”帶電電壓是由變壓器次級(jí)產(chǎn)生的。雖然變壓器次級(jí)的一端與“冷地”連接，但真正的零電位是在變壓器次級(jí)線圈的中心，或整流輸出濾波電容器介質(zhì)的中間。這一點(diǎn)稱為電源的“浮地”，即它為零電位，但又不與大地相連。由此可知，“冷地”帶電的電壓正好等于輸出電壓的50％，如電視機(jī)顯像管的高壓陽極需要大約30 000 V的高壓，真正的零電位是在高壓濾波電容(顯像管石墨層之間的電容)的中間，或高壓包的中間抽頭處，由此可以求出電視機(jī)中冷地與地之間的靜電電壓大約為 15 000 V。同理，“熱地”回路的“浮地”是在儲(chǔ)能濾波電容器C5的中間，所以正常情況下“熱地”帶電電壓為整流輸出的50％，其峰值約為200 V。如把開關(guān)管導(dǎo)通或截止時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢也疊加在其之上，其峰峰值大約有400 V。
圖2中的R3就是用來降低“冷地”與大地之間靜電電壓的，C8的作用是降低冷、熱地之間的動(dòng)態(tài)電阻。一般數(shù)字電路IC的耐壓都很低，如果“冷地”帶電的電壓很高，通過靜電感應(yīng)，或人體觸摸，很容易就會(huì)把IC擊穿。EMC常用標(biāo)準(zhǔn)如下：
EMC通用系列標(biāo)準(zhǔn)：IEC61000-4-X；
工業(yè)環(huán)境抗擾度通用標(biāo)準(zhǔn)：EN50082-2；
脈沖電流諧波測試標(biāo)準(zhǔn)：IEC61000-3-2；
交流電源閃爍測試標(biāo)準(zhǔn)：IEC61000-3-3。
圖3中的R3就是用來降低冷地與大地之間靜電電壓的，C8的作用是降低冷熱地之間的動(dòng)態(tài)電阻。一般數(shù)字電路IC的耐壓都很低，如果“冷地”帶電的電壓很高，通過靜電感應(yīng)，或人體觸摸，很容易就會(huì)把IC擊穿。
3 結(jié) 語
隨著開關(guān)電源不斷向高頻化發(fā)展，其抗干擾問題顯得越發(fā)重要。在開發(fā)和設(shè)計(jì)開關(guān)電源中，如何有效抑制開關(guān)電源的電磁干擾，同時(shí)提高開關(guān)電源本身對電磁干擾的抗干擾能力是一個(gè)重要課題。在抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，幾種抗干擾措施既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，必須同時(shí)采用多種措施才能達(dá)到良好的抗干擾效果。
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