如何解決直流穩(wěn)壓電源設(shè)計中的EMI難題?
2017-8-10 9:09:58??????點擊：
電磁干擾（直流穩(wěn)壓電源EMI）是指任何在傳導(dǎo)或電磁場伴隨著電壓、電流的作用而產(chǎn)生會降低某個裝置、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)計等。
對于設(shè)計直流穩(wěn)壓電源的工程師來說，電磁干擾問題是一直存在于設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。如何能解決這個問題？
要解決驅(qū)動直流穩(wěn)壓電源的電磁干擾問題，可從以下幾個方面入手。
1.減少直流穩(wěn)壓電源本身的干擾
①軟開關(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)器件開通時電壓的下降先于電流的上升，或關(guān)斷時電流的下降先于電壓的上升，來消除電壓和電流的重疊。
②開關(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，以降低各個頻點上的直流穩(wěn)壓電源EMI幅值。
③直流穩(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。
④ 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)壓電源一般采用簡易式單級直流穩(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，由于L中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，使之不容易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導(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)壓電源的進線端L、N不帶電，保證使用的安全性。
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。
測量加入損耗的電路如圖3所示。e是噪聲信號發(fā)生器，Zi是信號源的內(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計算出每個頻點的插入損耗值，最后匯出插入損耗曲線。
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)壓電源干擾信號的傳播途徑
①直流穩(wěn)壓電源線干擾可以使用直流穩(wěn)壓電源線濾波器濾除。一個合理有效的直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器應(yīng)該對直流穩(wěn)壓電源線上差模和共模干擾都有較強的抑制作用。
②改善直流穩(wěn)壓電源PCB板的電磁兼容性設(shè)計
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)計的好壞對直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大。
實踐證實，即使電路原理圖設(shè)計正確，印刷電路板設(shè)計不當(dāng)，也會對直流穩(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，強、弱信號地線嚴(yán)格區(qū)分開，在總接地點匯總。
因此，在設(shè)計印刷電路板的時候，應(yīng)留意采用正確的方法，遵守直流穩(wěn)壓電源PCB設(shè)計的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾的設(shè)計要求。
3.增強受干擾體的抗干擾能力
在直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中輸進/輸出也是干擾源的傳導(dǎo)線，和接收射頻直流穩(wěn)壓電源干擾信號的拾檢源，我們設(shè)計時一般要采取有效的措施：
①采用必要的共模/差模抑制電路，同時也要采取一定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小干擾的進進。
②在條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。
③防雷擊措施
室外使用的直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)或從室外排擠引進室內(nèi)的直流穩(wěn)壓電源線、信號線，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，通常為數(shù)十V或數(shù)百V，氣體擊穿放電，將直流穩(wěn)壓電源線上強沖擊脈沖導(dǎo)進大地。TVS可以看成兩個并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)兩端電壓高于某一值時導(dǎo)通。其特點是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃上千A的電流。
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