開關電源中電磁兼容性設計原理

    現(xiàn)代技術的快速發(fā)展，電氣和電子設備的種類不斷增加，使得電磁環(huán)境日益復雜。在復雜的電磁環(huán)境中，各種設備或系統(tǒng)能否正常工作，成為一個急待解決的問題。作為各種設備或系統(tǒng)的重要部分——開關電源，既是騷擾源，同時又是被干擾者。大功率開關電源往往是騷擾源。各種開關電源在工作時，往往要產生一些有用或無用的電磁能量，這些電磁能量會影響其他設備或系統(tǒng)的正常工作，這就是電磁騷擾。電磁騷擾有可能使開關電源的工作性能下降，甚至使開關電源的使用壽命縮短，或根本無法正常工作。可見，電磁兼容性設計在開關電源中是非常重要的和不可缺少的。

    在開關電源中，電磁兼容性設計的目的是使開關電源在預期的電磁環(huán)境中實現(xiàn)電磁兼容，其要求是使開關電源滿足有關EMC標準的規(guī)定并具有如下兩方面的能力：①能在預期的電磁環(huán)境中正常工作，不出現(xiàn)性能下降或故障;②對電磁環(huán)境無污染。

    1 關于電磁兼容的幾個重要概念

    1.1 電磁環(huán)境

    電磁環(huán)境(Electromagnetic Environment)是指設備或系統(tǒng)在正常工作時，可能遇到的輻射或傳導電磁發(fā)射電平在不同頻率范圍內功率和時間的分布。

    1.2 電磁騷擾

    電磁騷擾(Electromagnetic Disturbance)是指任何可能引起裝置、設備或系統(tǒng)性能下降，或者對有生命或無生命物產生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾是客觀存在的一種物理現(xiàn)象，其產生原因可能是外界因素，也可能是本身的變化。

    電磁騷擾根據(jù)其來源，可分為自然騷擾和人為騷擾兩大類。自然騷擾以其發(fā)生源不可控為特點，例如電子噪聲、天電噪聲、地球外噪聲、沉積靜電等。人為騷擾以其發(fā)生源可知并且可控為特點。例如：高頻及微波設備、高壓設備、開關設備、火花設備、核電磁脈沖等。

    1.3 電磁干擾

    電磁干擾(Electromagnetic Interference, 簡寫為EMI)是指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。電磁干擾是電磁騷擾的后果，引起電磁干擾的可能是另一設備或系統(tǒng)的有用電磁信號，也可能是某種電磁噪聲。

    電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, 簡寫為EMC)是指器件、設備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中正常工作，并不對其環(huán)境產生任何難以承受的電磁騷擾的能力。按上述定義，電磁兼容性包含以下兩方面的含義：

    1.4.1 設備或系統(tǒng)應具有抵抗給定電磁騷擾的能力

    即它應不會受到處于同一電磁環(huán)境中的其設備或系統(tǒng)發(fā)射的電磁騷擾而產生不允許的工作性能下降。

    1.4.2 設備或系統(tǒng)不產生超過規(guī)定限度的電磁騷擾

    即它不會產生使處于同一電磁環(huán)境中的其他設備或系統(tǒng)出現(xiàn)超過規(guī)定限度的工作性能降低的電磁騷擾。

    2 電磁騷擾傳播的一般途徑

    從干擾源把電磁能量傳到干擾對象有兩種方式：傳導方式和輻射方式。從接收器的角度看，耦合可分為兩類：傳導耦合和輻射耦合。傳導耦合又分為直接傳導耦合、公共阻抗耦合和轉移阻抗耦合，輻射耦合又分為場(天線)對天線耦合、場對電纜耦合和電纜對電纜的耦合。

    在實際情況中，傳導耦合和輻射耦合并不是截然不同的，它們可以相互轉化。例如在金屬傳導線中傳導的電流很大時，輻射也會很嚴重。

    3 開關電源的電磁兼容性設計

    根據(jù)電磁騷擾的傳播途徑，開關電源的電磁兼容性設計包括：完善電路設計、接地設計、濾波設計、屏蔽設計。

    3.1 完善電路設計

    所選擇開關電源電路拓撲不宜產生過高的電壓和過大的電流，以避免高電壓電場干擾和大電流磁場干擾。在滿足要求的情況下，放大器的頻帶盡量窄，使其不易受干擾。適當增加緩沖電路。

    印刷電路板設計時應注意以下幾點：①高、中、低速邏輯電路同時應用時，高速應設計在電路板的入口處;②信號入口加RC去耦濾波，消除長線傳輸干擾;③ 電路中的電流環(huán)路應保持最小;④信號線和回線應盡可能接近;⑤使用較大的地平面以減小地線阻抗;⑥電源線和地線應相互接近;⑦在多層電路板中，應把電源面和地平面分開;⑧圓弧布線，不突變;⑨盡量縮短連線;⑩模擬電路和數(shù)字電路分開，功率電路和控制電路分開。

    3.2 接地設計

    接地是開關電源設備抑制電磁噪聲的重要方法。

    接地的作用：①提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，若不與大地相接，易受地電容的干擾;　②泄放靜電感應在機箱上的靜電，避免高壓放電;③操作安全。

    不考慮安全接地，僅從電路參考點的角度考慮，接地可分為懸浮地、單點接地、多點接地和混合接地。

    懸浮地：使開關電源中的參考地與機殼隔離，可以避免機殼中的干擾電流直接耦合到電源電路中。當浮地系統(tǒng)靠近高壓時，可能堆積靜電荷，形成危害，或引起靜電放電，形成干擾電流。在雷電環(huán)境下，在機箱和單元電路間產生電弧。所以開關電源中不宜采用懸浮地。