開關(guān)電源的電磁兼容性技術(shù)

　　開關(guān)電源一般利用儲(chǔ)能電感及電容器組成L、C濾波電路，實(shí)現(xiàn)對差模及共模騷擾信號(hào)的濾波。由于電感線圈的分布電容，導(dǎo)致了電感線圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻騷擾信號(hào)穿過電感線圈，沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。濾波電容器隨著騷擾信號(hào)頻率的上升，引線電感的作用導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷的下降，甚至導(dǎo)致電容器參數(shù)改變，也是產(chǎn)生電磁騷擾的一個(gè)原因。

　　4 電磁兼容性的解決方法

　　從電磁兼容的三要素講，要解決開關(guān)電源的電磁兼容性問題，可從三個(gè)方面入手：第一，減小騷擾源產(chǎn)生的騷擾信號(hào);第二，切斷騷擾信號(hào)的傳播途徑;第三，增強(qiáng)受騷擾體的抗騷擾能力。在解決開關(guān)電源內(nèi)部的兼容性時(shí)，可以綜合利用上述三個(gè)方法，以成本效益比及實(shí)施的難易性為前提。因而，開關(guān)電源產(chǎn)生的對外騷擾，如電源線諧波電流、電源線傳導(dǎo)騷擾、電磁場輻射騷擾等只能用減小騷擾源的方法來解決。一方面，可以增強(qiáng)輸入/輸出濾波電路的設(shè)計(jì)，改善APFC電路的性能，減小開關(guān)管及整流、續(xù)流二極管的電壓、電流變化率，采用各種軟開關(guān)電路拓?fù)浼翱刂品绞降?另一方面，加強(qiáng)機(jī)殼的屏蔽效果，改善機(jī)殼的縫隙泄漏，并進(jìn)行良好的接地處理。而對外部的抗騷擾能力(如浪涌、雷擊)應(yīng)優(yōu)化交流電輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對1.2/50μs開路電壓及8/20μs 短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，通常采用氧化鋅壓敏電阻與氣體方電管等的組合方法來解決。對于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號(hào)電路中，采用TVS管及相應(yīng)的接地保護(hù)、加大小信號(hào)電路與機(jī)殼等的電距離來解決或選用具有抗靜電騷擾的器件?？焖偎沧冃盘?hào)含有很寬的頻譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，采用與防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強(qiáng)輸入電路的共模信號(hào)濾波(加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等)來提高系統(tǒng)的抗擾性能。

　　減小開關(guān)電源的內(nèi)部騷擾，實(shí)現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關(guān)電源的穩(wěn)定性及可靠性，應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：①注意數(shù)字電路與模塊電路PCB布線的正確分區(qū);②數(shù)字電路與模擬電路電源的去耦;③數(shù)字電路與模擬電路單點(diǎn)接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點(diǎn)接地以減小共阻騷擾，減小地環(huán)地影響，布線時(shí)注意相鄰線間的間距及信號(hào)性質(zhì)，避免產(chǎn)生串?dāng)_，減小輸出整流回路及續(xù)流二極管回路與支流濾波電路所包圍的面積，減小變壓器的漏電、濾波電感的分布電容，運(yùn)用諧振頻率高的濾波電容器等。

　　5 濾波器結(jié)構(gòu)

　　濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)中具有極其重要的作用。它不僅可以抑制傳輸線上的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)對傳輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中，選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環(huán)，能夠改善電路的濾波特性。進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)或選擇合適的濾波器，并正確的安裝濾波器是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。在交流電輸入端加裝的電源濾波器電路如圖1所示。圖中Ld、Cd用于抑制差模噪聲，一般取Ld為100 mH -700mH，Cd取1μF -10μF。Lc、Cc用于抑制共模噪聲，可根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整。

　　所有電源濾波器都必須接地(廠家特別說明允許不接地的除外)，因?yàn)闉V波器的共模旁路電容必須在接地時(shí)才起作用。一般的接地方法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外，還要用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼與設(shè)備的接地點(diǎn)相連。接地阻抗越低，濾波效果越好。

　　濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠(yuǎn)離，避免干擾信號(hào)從輸入端直接耦合到輸出端。

　　如在電源輸出端加輸出濾波器、加裝高頻電容、加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量，則可以抑制差模噪聲。如果把多個(gè)電容并聯(lián)，則效果會(huì)更好。

　　幾種濾波器的構(gòu)成如圖2所示。在圖2(a)中，阻抗Z=1/(ωC1)，高頻區(qū)域用陶瓷電容、聚酯薄膜電容并聯(lián)，其濾波效果更好。圖2(b)中，噪聲能通過電容旁路到地線上，這種濾波器連接時(shí)應(yīng)使接地阻抗盡量小。圖2(c)中，C1、C2對不對稱噪聲有良好的濾波效果，C3對對稱噪聲有良好的濾波效果，連接時(shí)應(yīng)使電容器的引線及接地線盡量短。圖2(d)為常用的噪聲濾波電路，L1、L2對噪聲呈現(xiàn)高阻抗，而C1則對噪聲呈現(xiàn)低阻抗。當(dāng)L1、L2采用共模電感結(jié)構(gòu)時(shí)，對對稱和非對稱噪聲都有較好的濾波效果。圖2(e)適用于共模噪聲進(jìn)行濾波，應(yīng)注意的是其接地阻抗同樣應(yīng)盡量小。

　　圖3是對共模噪聲和差模噪聲都有效的濾波器電路。其中，L1、L2、C1為抑制差模噪聲回路，L3、C2、C3構(gòu)成抑制共模噪聲回路。L1、L2的鐵心應(yīng)選擇不易磁飽和的材料及M-F特性優(yōu)良的鐵心材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應(yīng)有足夠的耐壓值，其容量一般取0.22μF -0.47μF。L3為共模電感，對共模噪聲具有較高的阻抗、較好的抑制效果。

　　6 EMI濾波器選用與安裝

　　開關(guān)電源EMI濾波器中的4只電容器用了兩種不同的下標(biāo)“x”和“y”，不僅說明了它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的作用，還表明了它們在濾波網(wǎng)絡(luò)中的安全等級(jí)。無論是選用還是設(shè)計(jì)EMI濾波器，都要認(rèn)真的考慮Cx和Cy的安全等級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用中，Cx電容接在單相電源線的L和N之間，它上面除加有電源額定電壓外，還會(huì)疊加L和N之間存在的EMI信號(hào)峰值電壓。因此，要根據(jù)EMI濾波器的應(yīng)用場合和可能存在的EMI信號(hào)峰值，正確選用適合安全等級(jí)的Cx電容器。 Cy電容器是接在電源供電線L、N與金屬外殼(E)之間的，對于220V、50Hz電源，它除符合250V峰值電壓的耐壓要求外，還要求這種電容器在電氣和機(jī)械性能方面具有足夠的安全裕量，以避免可能出現(xiàn)的擊穿短路現(xiàn)象。

　　EMI濾波器是具有互異性的，即把負(fù)載接在電源端還是負(fù)載端均可。在實(shí)際應(yīng)用中，為達(dá)到有效抑制EMI信號(hào)的目的，必須根據(jù)濾波器兩端將要連接的 EMI信號(hào)源阻抗和負(fù)載阻抗來選擇該濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)。當(dāng)EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態(tài)時(shí)，即圖4中Zs≠Zin、ZL≠Zout時(shí)，EMI 信號(hào)會(huì)在其輸入和輸出端產(chǎn)生反射，增加對EMI信號(hào)的衰減。其信號(hào)的衰減A與反射Γ的關(guān)系為：A=–10Lg(1-|Γ|2)。

　　在使用開關(guān)電源濾波器時(shí)，要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時(shí)，要特別注意濾波器的輸入導(dǎo)線與輸出導(dǎo)線的間隔距離，不能把它們捆在一起走線，否則EMI信號(hào)很容易從輸入線上耦合到輸出線上，這將大大降低濾波器的抑制效果。

　　7 結(jié)語

　　在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，為了少走彎路和節(jié)省時(shí)間，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計(jì)完成后去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。