开关电源的电磁兼容性及其设计

1、开关电源的电磁兼容性及其设计随着电器和设备或系统的数量及种类不断增强，使得电磁环境日益复杂。在复杂的电磁环境中，各种设备或系统能否正常工作，成为一个急待解决的问题，作为各种设备或系统的重要部分 ，既是骚扰源，同时又是被干扰者。大功率开关电源往往是骚扰源。各种开关电源在工作时，往往要产生一些实用或无用的电磁能量，这些电磁能量会影响其他设备或系统的正常工作，这就是电磁骚扰。电磁骚扰有可能使开关电源的工作性能下降，甚至使开关电源的用法寿命缩短，或根本无法正常工作。可见，电磁兼容性设计的目的是使开关电源在预期的电磁环境中实现电磁兼容，其要求是使开关电源满足有关标准的规定并具有如下两方面的能力：一是能在

2、预期的电磁环境中正常工作，不浮现性能下降或故障；二是对电磁环境无污染。2 关于电磁兼容的几个重要概念2.1 电磁环境电磁环境（electromagnetic environment）是指设备或系统在正常工作时，可能碰到的辐射或传导电磁放射电平在不同频率范围内功率和时光的分布。电磁环境有时也可以采纳场强表示。设电磁环境中有n个电磁骚扰源，频率f1点，在敏感设备或系统所在位置上，场强值为式中，ei（f1）表示编号为i的电磁骚扰源在频率f1点，在敏感设备或系统所在位置上的场强值。2.2 电磁骚扰电磁骚扰（electromagnetic disturbance）是指任何可能引起装置、设备或系统性能下降

3、，或者对生命或无生命物产生伤害作用的电磁现象。电磁骚扰是客观存在的一种物理现象，其产生缘由可能是外界因素，也可能是本身的变幻。电磁骚扰按照其来源，可分为自然骚扰和人为骚扰两大类。自然骚扰以其发生源不行控为特点，例如电子噪声、天线噪声、地球外噪声、沉积静电等。人为骚扰以其发生源可知并且可控为特点。例如：高频及微波设备、高压设备、火花设备、核电磁脉冲等。2.3 电磁干扰电磁干扰（electromagnetic interferenec，简写为emi）是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统的实用电磁信号，也可能是某种电磁噪声。2.4 电磁兼容性电磁兼容性（electromagnetic compat

4、ibility），简写为emc）是指器件、设备或系统在所处的电磁环境中正常工作，并不对其环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力。按上述定义，电磁兼容性包含如下含义：a设备或系统应具有反抗给定电磁骚扰的能力。即它应不会受处处于同一电磁环境中的其他设备或系统放射的电磁骚扰而产生不允许的工作性能下降。b设备或系统不产生超过规定限度的电磁骚扰。3 电磁骚扰传扬的普通途径从干扰源把电磁能量传到干扰对象有两种方式：传导方式和辐射方式。从接收器的角度看，耦合可分为两类：传导耦合和辐射耦合。传导耦合又分为挺直传导耦合、公共阻抗耦合和转移阻抗耦合，辐射耦合又分为场(天线)对天线耦合、场对电缆耦合和电缆对电缆的耦合

5、，1所示。在实际状况中，传导耦合和辐射耦合并不是迥然不同的，他们可以相互转换。例如在金属传导线中传导的很大时，辐射也会很严峻。4 开关电源的电磁兼容性设计按照电磁骚扰的传扬途径，开关电源的电磁兼容性设计包括：完美设计、接地设计、滤波设计、屏蔽设计。4.1 完美电路设计所挑选开关电源电路拓扑不宜产生过高的和过大的电流，以避开高电压电场干扰和大电流磁场干扰。在满足要求的状况下，的频带应尽量窄，使其不易受干扰。适当增强缓冲电路。印刷电路板设计时应注重以下几点：高、中、低速规律电路同时应用时，高速应设计在电路板的人口处；信号人口加rc去耦滤波，消退长线传输干扰；电路中的电流环路应保持最小；信号线和回线

6、应尽可能临近；用法较大的地平面以减小地线阻抗；电源线和地线应互相临近；在多层电路板中，应把电源面和地平面分开；圆弧布线，不突变；尽量缩短连线；和数字电路分开，功率电路和控制电路分开。4.2 接地设计a接地是开关电源设备抑制电磁噪声的重要办法。接地的作用：提高系统工作的稳定性，若不与大地相接，易受地的干扰；泄放静应在机箱上的静电，避开高压放电；操作平安。b不考虑平安接地，仅从电路参考点的角度考虑，接地可分为悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地。悬浮地图2是开关电源中的参考地与机壳隔离，可以避开机壳中的干扰电流挺直耦合到电源电路中。当浮地系统逼近高压时，可能积累静电荷，形成危害或引起静电放电，形成

7、干扰电流。在雷电环境下，在机箱和单元电路间产生电弧。所以开关电源中不宜采纳悬浮地。单点接地3所示。单点接地分为单点串联接地和并联接地。单点串联接地的优点是比较容易，其缺点是各电路会通过接地线，互相影响。在采纳这种接地方式时必需注重把最高电平电路放在最逼近接地点a处，以使b点和c点的电位上升最小。相对单点串联接地，单点并联接地无公共地阻抗干扰，但地线数量多，在高频(mhz以上)时效果差。多点接地4所示。各接地点就近接地，其优点是：接线容易，引线短。高频阻波现象显著削减。其缺点是：接地阻抗随频率上升而增大。混合接地5所示。实际状况比较复杂，很难通过一种容易的接地方式来解决，而是经常采纳单点接地和多

8、点接地组合成混合接地。4.3 滤波设计滤波是消退干扰常常采纳的措施。在设计和选用时应注重以下几个问题：明确工作频率和所要抑制的干扰频率，如两者十分临近，则需要应用频率特性十分陡峭的滤波器才干把两种频率分开；保证滤波器在高压状况下能够牢靠地工作；滤波器延续通过最大额定电流时，其温度要低，以保证在该额定电流延续工作时，不破坏滤波器中器件的工作性能；为使工作时的滤波器频率特性与设计值相符合，要求与它衔接的信号源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时的规定值；滤波器必需具有屏蔽结构，屏蔽箱盖和本体要有良好的电接触，滤波器的电容引线应尽量短，最好选用低引线短电感的穿心电容；要有较高的工作牢靠性，由于作防护电磁干

9、扰用的滤波器，故障往往比其他元件的故障更难找。5 安装滤波器时应注重以下几点电源线路滤波器应安装在离设备电源人口尽量逼近的地方，不要让未经过滤波器的电源线在设备框内径直；滤波器中的引线应尽可能短，以免因引线感抗和容抗在低频率上谐振；滤波器的接地导线上有很大的短路电流通过，会引起附加的电磁辐射，故应对滤波器元件本身举行良好的屏蔽和接地处理；滤波器的输入和输出线不能交错，否则会因滤波器的输入-输出电容耦合通路引起串扰，从而降低滤波特性，通常的方法是输入和输出之间加隔板或频蔽层。5.1 屏蔽设计屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，二是防止外来的辐射干扰进入该内部区域。电磁屏蔽

10、的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、汲取和引导作用，而这些作用是与屏蔽结构表面上和屏蔽体内感生的电荷、电流与极化现象疏远相关的。5.2 屏蔽体的设计原则首先确定电磁环境，包括电磁场的类型、场的强度、频率及屏蔽体至源的距离等；确定接受机的敏感度以及对屏蔽的要求；按照电磁屏蔽的要求及电磁场的性质，适当挑选材料的导电率、磁导率和厚度；在确定屏蔽材料后，举行屏蔽结构的设计，对于电场屏蔽主要挑选高导率材料（如铜）；对于磁场屏蔽，特殊是低频磁场屏蔽，主要挑选铁或其他高磁导率材料。若达不到要求，在允许的条件下，可以采纳增大厚度的方法；假如单层屏蔽不能满足屏蔽要求，可用双层以上的屏蔽，以获得更好的屏蔽效果；当屏蔽室需要透亮时，可采纳金属网屏蔽，金属网屏蔽的效能明显比不上金属实壁屏蔽体，所以普通不采纳双层屏蔽；对于通风孔、探测器的慷慨屏蔽壳体、电缆进出口接插件等