電源的EMC及按規(guī)設(shè)計(jì)

1、2021-11-201EMI緒論緒論 開關(guān)電源不需要沉重的電源變壓器，具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)，且市場(chǎng)上已有成品開關(guān)電源集成控制模塊，使電源設(shè)計(jì)、調(diào)試簡(jiǎn)化許多，所以，在大多數(shù)的電子設(shè)備(如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)及各種控制系統(tǒng))中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，開關(guān)電源自身產(chǎn)生的各種噪聲卻形成了一個(gè)很強(qiáng)的電磁干擾源。這些干擾隨著開關(guān)頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強(qiáng)，對(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅。因此，只有提高開關(guān)電源的電磁兼容性，才能使開關(guān)電源在那些對(duì)電源噪聲指標(biāo)有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合下被采用。 2021-11-202開關(guān)電源產(chǎn)生噪聲的原因開關(guān)電源產(chǎn)生噪聲的原因 開關(guān)電源的種類很多，按變換器的電

2、路結(jié)構(gòu)可分為串并聯(lián)式和直流變換式兩種；按激勵(lì)方式可分為自激和它激兩種；按開關(guān)管的組合可分為橋式、半橋式、推挽式等。但無論何種類型的開關(guān)電源都是利用半導(dǎo)體器件的開和關(guān)工作的，并以開和關(guān)的時(shí)間比來控制輸出電壓的高低。由于它通常在20kHz以上的開關(guān)頻率下工作，所以電源線路內(nèi)的dv/dt、di/dt很大，產(chǎn)生很大的浪涌電壓、浪涌電流和其它各種噪聲。它們通過電源線以共?；虿钅７绞较蛲鈧鲗?dǎo)，同時(shí)還向周圍空間輻射噪聲。圖1給出了一種典型的開關(guān)電源電路的簡(jiǎn)圖，下面以此為例分析其產(chǎn)生噪聲的主要原因。 2021-11-203 一次整流回路的噪聲一次整流回路的噪聲 l在一次整流回路中，整流二極管D1D4只有在脈動(dòng)

3、電壓超過C1的充電電壓的瞬間，電流才從電源輸入側(cè)流入。所以，一次整流回路產(chǎn)生高次畸變波，形成噪聲。 2021-11-204開關(guān)回路的噪聲開關(guān)回路的噪聲 l一是電磁輻射。電源在工作時(shí)，開關(guān)管處于高頻率通斷狀態(tài)，在由脈沖變壓器初級(jí)線圈L、開關(guān)管T和濾波器C構(gòu)成的高頻電流環(huán)路中，可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射噪聲。如果C的濾波不足，則高頻電流還會(huì)以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中去。二是感性負(fù)載引起的浪涌電壓。在開關(guān)回路中開關(guān)管T的負(fù)載是脈沖變壓器的初級(jí)線圈L，是感性負(fù)載，所以開關(guān)管在通斷時(shí)，在脈沖變壓器的初級(jí)線圈的兩端會(huì)出現(xiàn)較高的浪涌電壓，很可能造成與此同一回路的電子器件(尤其是開關(guān)管T)的損壞。 2021-1

4、1-205二次整流回路的噪聲二次整流回路的噪聲 l一是電磁輻射。電源在工作時(shí)，整流二極管D也處于高頻通斷狀態(tài)，由脈沖變壓器次級(jí)線圈L、整流二極管D和濾波電容C構(gòu)成了高頻開關(guān)電流環(huán)路，可能向空間輻射噪聲。如果電容C濾波不足，則高頻電流將以差模形式混在輸出直流電壓上，影響負(fù)載電路的正常工作。2021-11-206二次整流回路的噪聲二次整流回路的噪聲l二是浪涌電流。硅二極管在正向?qū)〞r(shí)結(jié)內(nèi)的電荷被積累，二極管加反向電壓時(shí)積累的電荷將消失并產(chǎn)生反向電流。由于二次整流回路中D在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)頻率很高，即由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟臅r(shí)間很短，在短時(shí)間內(nèi)要讓存儲(chǔ)電荷消失就產(chǎn)生反電流的浪涌。由于直流輸出線路中的分布電容、分

5、布電感的存在，使因浪涌引起的干擾成為高頻衰減振蕩。2021-11-207控制回路的噪聲控制回路的噪聲 l控制回路中的脈沖控制信號(hào)是主要的噪聲源。l分布電容引起的噪聲 一是Ci的作用。散熱片K與開關(guān)管T的集電極間雖然有絕緣墊片，但由于其接觸面較大，絕緣墊較薄，因此兩者之間的分布電容Ci在高頻時(shí)不能忽略。因此高頻電流會(huì)通過Ci流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，最終流到與機(jī)殼地相連的交流電源的保護(hù)地線PE中，以產(chǎn)生共模輻射。二是Cd的作用。脈沖變壓器的初、次級(jí)之間存在的分布電容Cd，可能會(huì)將原邊高頻電壓直接耦合到副邊上去，在副邊用作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生同相位的共模噪聲。 2021-11-208開關(guān)電

6、源的電磁兼容性設(shè)計(jì)開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì) l抑制開關(guān)電源的噪聲可采取三方面的技術(shù)。l一是減小干擾源的干擾能量；l二是破壞干擾路徑；l三是采用屏蔽。 2021-11-209減小干擾源能量減小干擾源能量 l由于開關(guān)電源的干擾源是不可能消除的，所以減小干擾源的能量就顯得非常必要。一般采取的措施有：(1)并接RC電路。在開關(guān)管T兩端加RC吸收電路；在二次整流回路中的整流二極管D兩端加RC吸收電路，抑制浪涌電壓。(2)串接可飽和磁芯線圈。在二次整流回路中，與整流二極管D串接帶可飽和磁芯的線圈，可飽和磁芯線圈在通過正常電流時(shí)磁芯飽和，電感量很小，不會(huì)影響電路正常工作；一旦電流要反向流過時(shí)，磁芯線圈將產(chǎn)生

7、很大的反電勢(shì)，阻止反向電流的上升，因此將它與二極管D串聯(lián)就能有效地抑制二極管D的反向浪涌電流。目前已有超小型非晶型磁環(huán)成品，可以直接套在二極管的正極引線上，使用方便。 2021-11-2010破壞干擾路徑破壞干擾路徑 l一是針對(duì)開關(guān)電源中分布電容引起的電場(chǎng)噪聲采取措施。主要抗干擾措施有：(1)減少開關(guān)管集電極和散熱片之間的耦合電容Ci。選用低介電常數(shù)的材料作絕緣墊，加厚墊片的厚度，并采用靜電屏蔽的方法，。 一般開關(guān)管的外殼是集電極，在集電極和散熱片之間墊上一層夾心絕緣物，即絕緣物中間夾一層銅箔，作為靜電屏蔽層，接在輸入直流0V地上，散熱片仍接在機(jī)殼地上，這樣將大大減少集電極與散熱片之間的耦合電

8、容Ci，也就減少了它們之間的電場(chǎng)耦合。 (2)減少脈沖變壓器的分布電容Cd。在一次側(cè)和二次側(cè)間加靜電屏蔽層，屏蔽層應(yīng)盡量靠近發(fā)射極并接地，這樣將耦合電容Cd也分成Cd1和Cd2的串聯(lián)形式。2021-11-2011破壞干擾路徑破壞干擾路徑l減少了一、二次側(cè)的電場(chǎng)的耦合干擾。二是針對(duì)開關(guān)電源通過電源線向外傳輸噪聲的特點(diǎn)采取措施，即采用濾波技術(shù)破壞干擾。采用的濾波技術(shù)有：(1)交流側(cè)濾波。開關(guān)電源的交流電源線輸入端插入共模和差模濾波器，防止開關(guān)電源的共模和差模噪聲傳遞到電源線中，影響電網(wǎng)中其它用電設(shè)備，同時(shí)也抑制來自電網(wǎng)的噪聲。交流側(cè)濾波器，其中LD、CD用于抑制差模噪聲，一般LD取100700H，

9、CD取110F，對(duì)抑制10150kHz的噪聲比較有效。LC、CC抑制共模噪聲，一般LC取13mH，CC取20006800pF，對(duì)抑制150kHz以上的共模噪聲有效。對(duì)于具體的開關(guān)電路要對(duì)其上述元件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試確定。(2)直流側(cè)濾波。在開關(guān)電源的直流輸出側(cè)插入電源濾波器，它由共模扼流圈L1、L2，扼流圈L3和電容C1、C2組成。為了防止磁芯在較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度下飽和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度大的恒磁芯。 2021-11-2012屏蔽屏蔽 l抑制輻射噪聲的有效方法是屏蔽。用導(dǎo)電良好的材料對(duì)電場(chǎng)屏蔽，用導(dǎo)磁率高的材料對(duì)磁場(chǎng)屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場(chǎng)泄露，可利用

10、閉合磁環(huán)形成磁屏蔽，對(duì)整個(gè)開關(guān)電源要進(jìn)行屏蔽。在屏蔽時(shí)應(yīng)考慮散熱和通風(fēng)問題，屏蔽盒上的通風(fēng)孔最好為圓形，接縫處最好焊接，以保證電磁的連續(xù)性。開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)考慮的因素還很多，如印制板的制作、元器件的布局以及各種電源線、信號(hào)線的捆扎、配置等，有許多工作要做。全面抑制開關(guān)電源的各種噪聲會(huì)大大提高開關(guān)電源的電磁兼容性，使開關(guān)電源得到更廣泛的應(yīng)用。 2021-11-2013EMI濾波器的設(shè)計(jì)原理l在開關(guān)電源中，主要的EMI騷擾源是功率半導(dǎo)體器件開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的dv/dt和di/dt，因而電磁發(fā)射EME(Electromagnetic Emission)通常是寬帶的噪聲信號(hào)，其頻率范圍從開關(guān)工作頻

11、率到幾MHz。所以，傳導(dǎo)型電磁環(huán)境（EME）的測(cè)量，正如很多國際和國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定，頻率范圍在0.1530MHz。設(shè)計(jì)EMI濾波器，就是要對(duì)開關(guān)頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減。基于上述標(biāo)準(zhǔn)，通常情況下只要考慮將頻率高于150kHz的EME衰減至合理范圍內(nèi)即可。 2021-11-2014常用電源濾波類型常用電源濾波類型l通常有四種技術(shù)可進(jìn)行電源濾波，以便抑制干擾噪聲。在實(shí)際使用中，經(jīng)常是混合使用其中的兩種，甚至多種技術(shù)。它們是：l正負(fù)極電源線之間添加電容，即X電容； l每根電源線和地線之間添加電容，即Y電容；l 共模抑制(兩根電源線上的抑制線圈同向繞線)；l 差模抑制(每根電源線有它自己的抑

12、制線圈)。2021-11-2015電磁干擾濾波器的基本電路電磁干擾濾波器的基本電路2021-11-2016電磁干擾濾波器的構(gòu)造原理電磁干擾濾波器的構(gòu)造原理l構(gòu)造原理圖： 2021-11-2017構(gòu)造原理說明構(gòu)造原理說明l電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz30MHz，最高可達(dá)150MHz。根據(jù)傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類：一類是從電源進(jìn)線引入的外界干擾，另一類是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導(dǎo)出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號(hào)，電子設(shè)備既是噪聲干擾的對(duì)象，又是一個(gè)噪聲源。若從形成特點(diǎn)看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。串模干擾是兩條電源線之間（簡(jiǎn)稱線對(duì)線）的噪聲

13、。共模干擾則是兩條電源線對(duì)大地（簡(jiǎn)稱線對(duì)地）的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應(yīng)符合電磁兼容性（EMC）的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器就對(duì)串模、共模干擾都起到抑制作用。 2021-11-2018電感量范圍與額定電流的關(guān)系電感量范圍與額定電流的關(guān)系 額定電流（A）136101215電感量（L）823240.40.80.20.30.10.1500.082021-11-2019基本電路及其典型應(yīng)用基本電路及其典型應(yīng)用1 l電磁干擾濾波器的基本電路如圖

14、1所示。該五端器件有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，使用時(shí)外殼應(yīng)接通大地。電路中包括共模扼流圈（亦稱共模電感）L、濾波電容C1C4。L對(duì)串模干擾不起作用，但當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于兩個(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，當(dāng)有電流通過時(shí)，兩個(gè)線圈上的磁場(chǎng)就會(huì)互相加強(qiáng)。L的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關(guān)，參見表1。需要指出，當(dāng)額定電流較大時(shí)。 2021-11-2020基本電路及其典型應(yīng)用基本電路及其典型應(yīng)用2l共模扼流圈的線徑也要相應(yīng)增大，以便能承受較大的電流。此外

15、，適當(dāng)增加電感量， 可改善低頻衰減特性。C1和C2采用薄膜電容器，容量范圍大致是0.01F0.47F,主要用來濾除串模干擾。C3和C4跨接在輸出端，并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效地抑制共模干擾。C3和C4亦可并聯(lián)在輸入端，仍選用陶瓷電容，容量范圍是2200pF0.1F。為減小漏電流，電容量不得超過0.1F，并且電容器中點(diǎn)應(yīng)與大地接通。C1C4的耐壓值均為630VDC或250VAC。 圖2示出一種兩級(jí)復(fù)合式EMI濾波器的內(nèi)部電路，由于采用兩級(jí)（亦稱兩節(jié)）濾波，因此濾除噪聲的效果更佳。針對(duì)某些用戶現(xiàn)場(chǎng)存在重復(fù)頻率為幾千赫茲的快速瞬態(tài)群脈沖干擾的問題，國內(nèi)外還開發(fā)出群脈沖濾波器（亦稱群脈沖對(duì)抗器），能

16、對(duì)上述干擾起到抑制作用。 2021-11-2021EMI濾波器濾波器圖圖1 2021-11-2022EMI濾波器濾波器圖圖22021-11-2023EMI濾波前后的波形比較濾波前后的波形比較2021-11-2024計(jì)算計(jì)算EMI濾波器對(duì)地漏電流濾波器對(duì)地漏電流l計(jì)算EMI濾波器對(duì)地漏電流的公式為： ILD=2fCVc （3） 式中，ILD為漏電流，f是電網(wǎng)頻率。以圖1為例，f=50Hz，C=C3+C4=4400pF，Vc是C3、C4上的壓降，亦即輸出端的對(duì)地電壓，可取Vc220V/2=110V。由（3）式不難算出，此時(shí)漏電流ILD=0.15mA。C3和C4若選4700pF，則C=4700pF2

17、=9400pF，ILD=0.32mA。顯然，漏電流與C成正比。對(duì)漏電流的要求是愈小愈好，這樣安全性高，一般應(yīng)為幾百微安至幾毫安。在電子醫(yī)療設(shè)備中對(duì)漏電流的要求更為嚴(yán)格。2021-11-2025高頻電源高頻電源EMC的設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)要求l使用條件 ： 使用條件包括兩方面內(nèi)容：可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現(xiàn)在由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，必須注意電磁兼容性。2021-11-2026高頻電源高頻電源EMC可靠性可靠性1 可靠性是指在具體的使用條件下，高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件對(duì)高頻電源變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。有些軟磁材料，居里點(diǎn)比較低，對(duì)溫度敏感。例如：錳鋅軟磁鐵氧體

18、，居里點(diǎn)只有215，其磁通密度，磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化，故除正常溫度25外，還要給出60，80，100時(shí)的各種參考數(shù)據(jù)。因此，將錳鋅軟磁鐵氧體磁芯的工作溫度限制在100以下，也就是環(huán)境溫度為40時(shí)，溫升只允許低于60，相當(dāng)于A級(jí)絕緣材料溫度。2021-11-2027高頻電源高頻電源EMC可靠性可靠性2 與錳鋅軟磁鐵氧體磁芯相配套的電磁線和絕緣件，一般都采用E級(jí)和B級(jí)絕緣材料，采用H級(jí)絕緣的三重絕緣電磁線和聚酰胺薄膜，是不是大材小用？成本增加多少？是不是因?yàn)镠級(jí)絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，可以使體積減少1/21/3的緣故?如果是，請(qǐng)舉具體實(shí)例數(shù)據(jù)。作者曾開發(fā)H級(jí)絕緣工頻50Hz，1

19、0kVA干式變壓器，與B級(jí)絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器相比，體積減小15到20，已經(jīng)相當(dāng)可觀了。本來體積就比較小的高頻100kHz10VA高頻電源變壓器，如次級(jí)繞組采用三重絕緣線，能把體積減小1/21/3，那一定是很寶貴的經(jīng)驗(yàn)。請(qǐng)有關(guān)作者詳細(xì)介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以便廣大讀者學(xué)習(xí)。2021-11-2028高頻電源高頻電源EMC電磁兼容性電磁兼容性1 電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)生對(duì)外界的電磁干擾，又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括可聞的音頻噪聲和不可聞的高頻噪聲。高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮大的軟磁材料，產(chǎn)生的電磁干擾大。例如，錳鋅軟磁鐵氧體

20、，磁致伸縮系數(shù)S為21106，是取向硅鋼的7倍以上，是高磁導(dǎo)坡莫合金和非晶合金的20倍以上，是微晶納米晶合金的10倍以上。因此錳鋅軟磁鐵氧體磁芯產(chǎn)生的電磁干擾大。 2021-11-2029高頻電源高頻電源EMC電磁兼容性電磁兼容性2 高頻電源變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導(dǎo)線之間的斥力。這些力的變化頻率與高頻電源變壓器的工作頻率一致。因此，工作頻率為100kHz左右的高頻電源變壓器，沒有特殊原因是不會(huì)產(chǎn)生20kHz以下音頻噪聲的。既然提出10W以下單片開關(guān)電源的音頻噪聲頻率，約為10kHz20kHz，一定有其原因。由于沒有畫出噪聲頻譜圖，具體原因說不清楚，但是由高頻電源變

21、壓器本身產(chǎn)生的可能性不大，沒有必要采用玻璃珠膠合劑粘合磁芯。至于采用這種粘合工藝可將音頻噪聲降低5dB，請(qǐng)給出實(shí)例與數(shù)據(jù)以及對(duì)噪聲原因的詳細(xì)說明，才會(huì)令人可信。2021-11-2030高頻電源高頻電源EMC電磁兼容性電磁兼容性3 屏蔽是防止電磁干擾，增加高頻電源變壓器電磁兼容性的好辦法。但是為了阻止高頻電源變壓器的電磁干擾傳播，在設(shè)計(jì)磁芯結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)繞組結(jié)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施，只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案，因?yàn)樗荒茏柚馆椛涓蓴_，不能阻止傳導(dǎo)干擾。2021-11-2031電子產(chǎn)品安規(guī)要求l安規(guī)的含義安規(guī)的含義 以法規(guī)的形式實(shí)現(xiàn)電在應(yīng)用中的安全；是安全規(guī)范（法律法規(guī)）和安全標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)稱。l執(zhí)行安規(guī)的目的執(zhí)行安規(guī)的目的 降低電氣產(chǎn)品對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)的各種傷害，包括電擊、起火、過熱、機(jī)械傷害等，降低公司運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。l電子產(chǎn)品設(shè)備可能存在的危險(xiǎn)電子產(chǎn)品設(shè)備可能存在的危險(xiǎn)1）電擊； 2）能量危險(xiǎn)（如電池的正負(fù)極短路）；3）著火； 4）與熱有關(guān)的危險(xiǎn)；5）機(jī)械危險(xiǎn)； 6）化學(xué)危險(xiǎn)； 7）輻射危險(xiǎn)。2021-11-2032電子產(chǎn)品安全的基本原則l設(shè)備在正常使用及單一故障條件下，防止引起人身傷害和著火等危險(xiǎn)；l制造商應(yīng)提供足夠的資料，說明一切必須具備的條件，以保