電源的EMC及安規(guī)設計

1、電源的EMC及安規(guī)設計開關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，且市場上已有成品開關電源集成控制模塊，使電源設計、調試簡化許多，所以，在大多數(shù)的電子設備(如計算機、電視機及各種控制系統(tǒng))中得到了廣泛的應用。然而，開關電源自身產生的各種噪聲卻形成了一個很強的電磁干擾源。這些干擾隨著開關頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強，對電子設備的正常運行構成了潛在的威脅。因此，只有提高開關電源的電磁兼容性，才能使開關電源在那些對電源噪聲指標有嚴格要求的場合下被采用。開關電源產生噪聲的原因開關電源的種類很多，按變換器的電路結構可分為串并聯(lián)式和直流變換式兩種；按激勵方式可分為自激和它激

2、兩種；按開關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電源都是利用半導體器件的開和關工作的，并以開和關的時間比來控制輸出電壓的高低。由于它通常在20kHz以上的開關頻率下工作，所以電源線路內的dv/dt、di/dt很大，產生很大的浪涌電壓、浪涌電流和其它各種噪聲。它們通過電源線以共模或差模方式向外傳導，同時還向周圍空間輻射噪聲。圖1給出了一種典型的開關電源電路的簡圖，下面以此為例分析其產生噪聲的主要原因。 一次整流回路的噪聲在一次整流回路中，整流二極管D1D4只有在脈動電壓超過C1的充電電壓的瞬間，電流才從電源輸入側流入。所以，一次整流回路產生高次畸變波，形成噪聲。開關回路的噪

3、聲一是電磁輻射。電源在工作時，開關管處于高頻率通斷狀態(tài)，在由脈沖變壓器初級線圈L、開關管T和濾波器C構成的高頻電流環(huán)路中，可能會產生較大的空間輻射噪聲。如果C的濾波不足，則高頻電流還會以差模方式傳導到交流電源中去。二是感性負載引起的浪涌電壓。在開關回路中開關管T的負載是脈沖變壓器的初級線圈L，是感性負載，所以開關管在通斷時，在脈沖變壓器的初級線圈的兩端會出現(xiàn)較高的浪涌電壓，很可能造成與此同一回路的電子器件(尤其是開關管T)的損壞。二次整流回路的噪聲一是電磁輻射。電源在工作時，整流二極管D也處于高頻通斷狀態(tài)，由脈沖變壓器次級線圈L、整流二極管D和濾波電容C構成了高頻開關電流環(huán)路，可能向空間輻射噪

4、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，影響負載電路的正常工作。二次整流回路的噪聲二是浪涌電流。硅二極管在正向導通時結內的電荷被積累，二極管加反向電壓時積累的電荷將消失并產生反向電流。由于二次整流回路中D在開關轉換時頻率很高，即由導通轉變?yōu)榻刂沟臅r間很短，在短時間內要讓存儲電荷消失就產生反電流的浪涌。由于直流輸出線路中的分布電容、分布電感的存在，使因浪涌引起的干擾成為高頻衰減振蕩。控制回路的噪聲控制回路中的脈沖控制信號是主要的噪聲源。分布電容引起的噪聲 一是Ci的作用。散熱片K與開關管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C

5、i在高頻時不能忽略。因此高頻電流會通過Ci流到散熱片上，再流到機殼地，最終流到與機殼地相連的交流電源的保護地線PE中，以產生共模輻射。二是Cd的作用。脈沖變壓器的初、次級之間存在的分布電容Cd，可能會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生同相位的共模噪聲。開關電源的電磁兼容性設計抑制開關電源的噪聲可采取三方面的技術。一、是減小干擾源的干擾能量；二、是破壞干擾路徑；三、是采用屏蔽。減小干擾源能量由于開關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

6、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磁芯飽和，電感量很小，不會影響電路正常工作；一旦電流要反向流過時，磁芯線圈將產生很大的反電勢，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。 破壞干擾路徑一是針對開關電源中分布電容引起的電場噪聲采取措施。主要抗干擾措施有：(1)減少開關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

7、關管的外殼是集電極，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，散熱片仍接在機殼地上，這樣將大大減少集電極與散熱片之間的耦合電容Ci，也就減少了它們之間的電場耦合。 (2)減少脈沖變壓器的分布電容Cd。在一次側和二次側間加靜電屏蔽層，屏蔽層應盡量靠近發(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。減少了一、二次側的電場的耦合干擾。二是針對開關電源通過電源線向外傳輸噪聲的特點采取措施，即采用濾波技術破壞干擾。采用的濾波技術有：(一)交流側濾波。開關電源的交流電源線輸入端插入共模和差模濾波器，防止開關電源的共模和差模噪聲傳遞

8、到電源線中，影響電網(wǎng)中其它用電設備，同時也抑制來自電網(wǎng)的噪聲。交流側濾波器，其中LD、CD用于抑制差模噪聲，一般LD取100700H，CD取110F，對抑制10150kHz的噪聲比較有效。LC、CC抑制共模噪聲，一般LC取13mH，CC取20006800pF，對抑制150kHz以上的共模噪聲有效。對于具體的開關電路要對其上述元件的參數(shù)進行調試確定。(二)直流側濾波。在開關電源的直流輸出側插入電源濾波器，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強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強度大的恒磁芯。 屏蔽抑制輻射噪聲的有效方

9、法是屏蔽。用導電良好的材料對電場屏蔽，用導磁率高的材料對磁場屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場泄露，可利用閉合磁環(huán)形成磁屏蔽，對整個開關電源要進行屏蔽。在屏蔽時應考慮散熱和通風問題，屏蔽盒上的通風孔最好為圓形，接縫處最好焊接，以保證電磁的連續(xù)性。開關電源的電磁兼容性設計考慮的因素還很多，如印制板的制作、元器件的布局以及各種電源線、信號線的捆扎、配置等，有許多工作要做。全面抑制開關電源的各種噪聲會大大提高開關電源的電磁兼容性，使開關電源得到更廣泛的應用。 EMI濾波器的設計原理在開關電源中，主要的EMI騷擾源是功率半導體器件開關動作產生的dv/dt和di/dt，因而電磁發(fā)射EME(Electroma

10、gnetic Emission)通常是寬帶的噪聲信號，其頻率范圍從開關工作頻率到幾MHz。所以，傳導型電磁環(huán)境（EME）的測量，正如很多國際和國家標準所規(guī)定，頻率范圍在0.1530MHz。設計EMI濾波器，就是要對開關頻率及其高次諧波的噪聲給予足夠的衰減。基于上述標準，通常情況下只要考慮將頻率高于150kHz的EME衰減至合理范圍內即可。常用電源濾波類型通常有四種技術可進行電源濾波，以便抑制干擾噪聲。在實際使用中，經(jīng)常是混合使用其中的兩種，甚至多種技術。它們是：正負極電源線之間添加電容，即X電容； 每根電源線和地線之間添加電容，即Y電容；共模抑制(兩根電源線上的抑制線圈同向繞線)；差模抑制(每

11、根電源線有它自己的抑制線圈)。電磁干擾濾波器的基本電路電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導噪聲的頻譜大致為10kHz30MHz，最高可達150MHz。根據(jù)傳播方向的不同，電源噪聲可分為兩大類：一類是從電源進線引入的外界干擾，另一類是由電子設備產生并經(jīng)電源線傳導出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號，電子設備既是噪聲干擾的對象，又是一個噪聲源。若從形成特點看，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（簡稱線對線）的噪聲。共模干擾則是兩條電源線對大地（簡稱線對地）的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應符合電磁兼容性（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

12、電磁干擾，另一方面還能避免本身設備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器就對串模、共模干擾都起到抑制作用。電感量范圍與額定電流的關系 基本電路及其典型應用電磁干擾濾波器的基本電路如圖1所示。該五端器件有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端，使用時外殼應接通大地。電路中包括共模扼流圈（亦稱共模電感）L、濾波電容C1C4。L對串模干擾不起作用，但當出現(xiàn)共模干擾時，由于兩個線圈的磁通方向相同，經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當有電流通過時，兩個線

13、圈上的磁場就會互相加強。L的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關，參見表1。需要指出，當額定電流較大時。 共模扼流圈的線徑也要相應增大，以便能承受較大的電流。此外，適當增加電感量，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，并且電容器中點應與大地接通。C1C4的耐壓值均為630VDC或250VAC。圖2示出一種兩級復合式EMI濾波器的內部電路，由于采用兩級

14、（亦稱兩節(jié)）濾波，因此濾除噪聲的效果更佳。針對某些用戶現(xiàn)場存在重復頻率為幾千赫茲的快速瞬態(tài)群脈沖干擾的問題，國內外還開發(fā)出群脈沖濾波器（亦稱群脈沖對抗器），能對上述干擾起到抑制作用。 EMI濾波器圖 EMI濾波前后的波形比較計算EMI濾波器對地漏電流的公式為： 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，亦即輸出端的對地電壓，可取Vc220V/2=110V。由（3）式不難算出，此時漏電流ILD=0.15mA。C3和C4若選4700pF，則C=4700pF2=9400pF，ILD=0.32mA。

15、顯然，漏電流與C成正比。對漏電流的要求是愈小愈好，這樣安全性高，一般應為幾百微安至幾毫安。在電子醫(yī)療設備中對漏電流的要求更為嚴格。使用條件 ： 使用條件包括兩方面內容：可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性，現(xiàn)在由于環(huán)境保護意識增強，必須注意電磁兼容性。高頻電源EMC可靠性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，居里點比較低，對溫度敏感。例如：錳鋅軟磁鐵氧體，居里點只有215，其磁通密度，磁導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時的各種參考數(shù)據(jù)。因此，將錳鋅軟磁鐵氧體

16、磁芯的工作溫度限制在100以下，也就是環(huán)境溫度為40時，溫升只允許低于60，相當于A級絕緣材料溫度。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級和B級絕緣材料，采用H級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？是不是因為H級絕緣的高頻電源變壓器優(yōu)化的設計方案，可以使體積減少1/21/3的緣故?如果是，請舉具體實例數(shù)據(jù)。作者曾開發(fā)H級絕緣工頻50Hz，10kVA干式變壓器，與B級絕緣工頻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，如次級繞組采用三重絕緣線，能把體積減小1/21

17、/3，那一定是很寶貴的經(jīng)驗。請有關作者詳細介紹優(yōu)化設計方案，以便廣大讀者學習。高頻電源EMC電磁兼容性電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產生對外界的電磁干擾，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，產生的電磁干擾大。例如，錳鋅軟磁鐵氧體，磁致伸縮系數(shù)S為21106，是取向硅鋼的7倍以上，是高磁導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生的電磁干擾大。高頻電源變壓器產生電磁干擾的主要原因還有磁芯之間的吸力和繞組導線之間的斥力。這些力的變化頻率與

18、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產生20kHz以下音頻噪聲的。既然提出10W以下單片開關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，但是由高頻電源變壓器本身產生的可能性不大，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，請給出實例與數(shù)據(jù)以及對噪聲原因的詳細說明，才會令人可信。 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，在設計磁芯結構和設計繞組結構也應當采取相應的措施，只靠加外屏蔽帶并不一定是最佳方案，因為它只能阻止輻射干擾，不能阻止傳導干擾。電子產品安規(guī)要求安規(guī)的含義 以法規(guī)的形式實現(xiàn)電在應用中的安全；是安全規(guī)范（法律法規(guī)）和安全標準的簡稱。執(zhí)行安規(guī)的目的 降低電氣產品對人身和財產的各種傷害，包括電擊、起火、過熱、機械傷害等，降低公司運行的風險。電子產品設備可能存在的危險1）電擊； 2）能量危險（如電池的正負極短路）；3）著火； 4）與熱有關的危險；5）機械危險； 6）化學危險； 7）輻