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如何解決直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中的EMI難題?

2017-8-10 9:09:58??????點(diǎn)擊:

電磁干擾(直流穩(wěn)壓電源EMI)是指任何在傳導(dǎo)或電磁場(chǎng)伴隨著電壓、電流的作用而產(chǎn)生會(huì)降低某個(gè)裝置、設(shè)備或直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的性能,或產(chǎn)生不良影響的電磁現(xiàn)象。

  直流穩(wěn)壓電源電磁干擾,工程師要考慮的主要方面有:電路措施、直流穩(wěn)壓電源EMI濾波、直流穩(wěn)壓電源元器件選擇、屏蔽和印制電路板抗干擾設(shè)計(jì)等。

  對(duì)于設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源的工程師來說,電磁干擾問題是一直存在于設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。如何能解決這個(gè)問題?

  要解決驅(qū)動(dòng)直流穩(wěn)壓電源的電磁干擾問題,可從以下幾個(gè)方面入手。

1.減少直流穩(wěn)壓電源本身的干擾

 ?、佘涢_關(guān)技術(shù):在原有的硬開關(guān)電路中增加電感和電容元器件,利用電感和電容的諧振,降低開關(guān)過程中的du/dt和di/dt,使開關(guān)器件開通時(shí)電壓的下降先于電流的上升,或關(guān)斷時(shí)電流的下降先于電壓的上升,來消除電壓和電流的重疊。

 ?、陂_關(guān)頻率調(diào)制技術(shù):通過調(diào)制開關(guān)頻率fc,把集中在fc及其諧波2fc、3fc…上的能量分散到它們周圍的頻帶上,以降低各個(gè)頻點(diǎn)上的直流穩(wěn)壓電源EMI幅值。

 ?、壑绷鞣€(wěn)壓電源元器件的選擇:選擇不易產(chǎn)生噪聲、不易傳導(dǎo)和輻射噪聲的直流穩(wěn)壓電源元器件。通常特別值得注意的是,二極管和變壓器等繞組類直流穩(wěn)壓電源元器件的選用。反向恢復(fù)電流小、恢復(fù)時(shí)間短的快速恢復(fù)二極管是直流穩(wěn)壓電源高頻整流部分的理想器件。

 ?、?合理使用電磁干擾濾波器:直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器的主要目的之一,電網(wǎng)噪聲是電磁干擾的一種,它屬于射頻干擾(RFI),其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10KHz~30MHz,最高可達(dá)150MHz。

      在一般情況下,差模干擾幅度小,頻率低,所造成的干擾較小;共模干擾幅度大,頻率高,還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射,所造成的干擾較大。欲削弱傳導(dǎo)干擾,最有效的方法就是在直流穩(wěn)壓電源輸入和輸出電路中加裝電磁干擾濾波器。

       直流穩(wěn)壓電源一般采用簡(jiǎn)易式單級(jí)直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器,主要包括共模扼流圈和濾波電容。下圖1為常用的直流穩(wěn)壓電源濾波器,L、C1和C2用來濾除共模干擾,C3和C4濾除串模干擾。當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí),由于L中兩個(gè)線圈的磁通方向相同,經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大,因此對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗,使之不容易通過,故稱作共模扼流圈。它的兩個(gè)線圈分別繞在低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)上。R為泄放電阻,可將C3上積累的電荷泄放掉,避免因電荷積累而影響濾波特性,斷電后還能使直流穩(wěn)壓電源的進(jìn)線端L、N不帶電,保證使用的安全性。

常用的直流穩(wěn)壓電源濾波器

圖1:常用的直流穩(wěn)壓電源濾波器

⑤ 直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器能有效抑制直流穩(wěn)壓電源適配器的電磁干擾

  圖2中曲線a為不加直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器時(shí)直流穩(wěn)壓電源適配器上0.15MHz~30MHz傳導(dǎo)噪聲的波形。

  曲線 b是加入直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器后的波形,它能將電磁干擾衰減50分貝(Uv)~70分貝(uV)。顯然,插入直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器的效果更佳。

  設(shè)置電磁干擾濾波器加入前后傳輸?shù)截?fù)載上的噪聲電壓分別為U1和U2,計(jì)算公式是20lgU1/U2。

  插入損耗用分貝dB表示,分貝值愈大,說明抑制噪聲干擾的能力愈強(qiáng)。

  測(cè)量加入損耗的電路如圖3所示。e是噪聲信號(hào)發(fā)生器,Zi是信號(hào)源的內(nèi)部阻抗,ZL是負(fù)載阻抗,一般取50歐姆。噪聲頻率范圍可選10KHz~30MHz。首先要在不同頻率下分別測(cè)出加入直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器前后負(fù)載兩端的噪聲壓降U1、U2,再代入公式20lgU1/U2計(jì)算出每個(gè)頻點(diǎn)的插入損耗值,最后匯出插入損耗曲線。

加入直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器前后的情況

圖2:加入直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器前后的情況

2.切斷直流穩(wěn)壓電源干擾信號(hào)的傳播途徑

 ?、僦绷鞣€(wěn)壓電源線干擾可以使用直流穩(wěn)壓電源線濾波器濾除。一個(gè)合理有效的直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器應(yīng)該對(duì)直流穩(wěn)壓電源線上差模和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。

 ?、诟纳浦绷鞣€(wěn)壓電源PCB板的電磁兼容性設(shè)計(jì)

  直流穩(wěn)壓電源PCB是直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中電路元器件和器件的支撐件,它提供電路元器件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,直流穩(wěn)壓電源PCB的密度越來越高。直流穩(wěn)壓電源PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大。

  實(shí)踐證實(shí),即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確,印刷電路板設(shè)計(jì)不當(dāng),也會(huì)對(duì)直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。

  直流穩(wěn)壓電源PCB抗干擾設(shè)計(jì)主要包括直流穩(wěn)壓電源PCB布局、布線及接地,其目的是減小直流穩(wěn)壓電源PCB的電磁輻射和直流穩(wěn)壓電源PCB上電路之間的串?dāng)_。

  還有,一般變壓器電磁干擾引發(fā)的交流聲頻率一般為50HZ左右,而地線布線不當(dāng)導(dǎo)致的交流聲,由于整流電路的倍頻作用頻率約為100HZ,仔細(xì)區(qū)分還是可以察覺的。正確的布線方法是,選擇主濾波電容引腳作為集中接地點(diǎn),強(qiáng)、弱信號(hào)地線嚴(yán)格區(qū)分開,在總接地點(diǎn)匯總。

  因此,在設(shè)計(jì)印刷電路板的時(shí)候,應(yīng)留意采用正確的方法,遵守直流穩(wěn)壓電源PCB設(shè)計(jì)的一般原則,并應(yīng)符合抗干擾的設(shè)計(jì)要求。

3.增強(qiáng)受干擾體的抗干擾能力

  在直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中輸進(jìn)/輸出也是干擾源的傳導(dǎo)線,和接收射頻直流穩(wěn)壓電源干擾信號(hào)的拾檢源,我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)一般要采取有效的措施:

 ?、俨捎帽匾墓材?差模抑制電路,同時(shí)也要采取一定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小干擾的進(jìn)進(jìn)。

 ?、谠跅l件許可的情況下盡可能采取各種隔離措施(如光電隔離或者磁電隔離),從而阻斷干擾的傳播。

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  室外使用的直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)或從室外排擠引進(jìn)室內(nèi)的直流穩(wěn)壓電源線、信號(hào)線,要考慮直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的防雷擊題目。常用的防雷擊器件有:氣體放電管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。氣體放電管是當(dāng)直流穩(wěn)壓電源的電壓大于某一數(shù)值時(shí),通常為數(shù)十V或數(shù)百V,氣體擊穿放電,將直流穩(wěn)壓電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)進(jìn)大地。TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管,當(dāng)兩端電壓高于某一值時(shí)導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃上千A的電流。