開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計實例
1、對電流諧波的按捺
通常電容器C5的容量很大，其兩頭電壓紋波很小，大概只要輸入電壓的10%左右，而僅當(dāng)輸入電壓Ui大于電容器C5兩頭電壓的時分，整流二極管才導(dǎo)通，因而在輸入電壓的一個周期內(nèi)，整流二極管的導(dǎo)通時刻很短，即導(dǎo)通角很小。這么整流電路中將呈現(xiàn)脈沖尖峰電流，如圖3所示。
這種脈沖尖峰電流如用傅立葉級數(shù)打開，將被當(dāng)作由十分多的高次諧波電流構(gòu)成，這些諧波電流將會下降電源設(shè)備的運用功率，即功率因數(shù)很低，并會倒灌到電網(wǎng)，對電網(wǎng)發(fā)生污染，嚴(yán)峻時還會導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的波動，即交流電源閃耀。脈沖電流諧波和交流電源閃耀測驗規(guī)范為：IEC61000-3-2及IEC61000-3-3。通常測驗脈沖電流諧波的上限是40次諧波頻率。
處理整流電路中呈現(xiàn)脈沖尖峰電流過大的辦法是在整流電路中串聯(lián)一個功率因數(shù)校對(PFC)電路，或差模濾波電感器。PFC電路通常為一個并聯(lián)式升壓開關(guān)電源，其輸出電壓通常為直流400V，沒有經(jīng)功率因數(shù)校對之前的電源設(shè)備，其功率因數(shù)通常只要0.4~0.6，經(jīng)校對后最高可到達(dá)0.98。PFC電路盡管能夠處理整流電路中呈現(xiàn)脈沖尖峰電流過大的疑問，但又會帶來新的高頻攪擾疑問，這相同也要進(jìn)行嚴(yán)厲的EMC規(guī)劃。用差模濾波電感器能夠有用地按捺脈沖電流的峰值，然后下降電流諧波攪擾，但不能進(jìn)步功率因數(shù)。
圖2中的L1為差模濾波電感器，差模濾波電感器通常用矽鋼片資料制作，以進(jìn)步電感量，為了避免大電流流過差模濾波電感器時發(fā)生磁飽滿，通常差模濾波電感器的兩個組線圈都各自留有一個漏感磁回路。
L1差模濾波電感可依據(jù)試驗求得，也能夠依據(jù)下式進(jìn)行核算：E=L*di/dt (1)
式中E為輸入電壓Ui與電容器C5兩頭電壓的差值，即L1兩頭的電壓降，L為電感量，di/dt為電流上升率。顯然，請求電流上升率越小，則請求電感量就越大。
2、對振鈴電壓的按捺
因為變壓器的初級有漏感，當(dāng)電源開關(guān)管V1由飽滿導(dǎo)通到截止關(guān)斷時會發(fā)生反電動勢，反電動勢又會對變壓器初級線圈的分布電容進(jìn)行充放電，然后發(fā)生阻尼振蕩，即發(fā)生振鈴，如圖4所示。變壓器初級漏感發(fā)生反電動勢的電壓起伏通常都很高，其能量也很大，如不采納保護(hù)辦法，反電動勢通常都會把電源開關(guān)管擊穿，一起反電動勢發(fā)生的阻尼振蕩還會發(fā)生很強(qiáng)的電磁輻射，不但對機(jī)器自身形成嚴(yán)峻攪擾，對機(jī)器周邊環(huán)境也會發(fā)生嚴(yán)峻的電磁攪擾。
圖2中的D1、R2、C6是按捺反電動勢和振鈴電壓起伏的有用電路，當(dāng)變壓器初級漏感發(fā)生反電動勢時，反電動勢經(jīng)過二極管D1對電容器C6進(jìn)行充電，相當(dāng)于電容器把反電動勢的能量吸收掉，然后下降了反電動勢和振鈴電壓的起伏。電容器C6充滿電后，又會經(jīng)過R2放電，準(zhǔn)確挑選RC放電的時刻常數(shù)，使電容器在下次充電時的剩下電壓剛好等于方波電壓的起伏，此刻電源的工作功率最高。
3、對傳導(dǎo)攪擾信號的按捺
圖1中，當(dāng)電源開關(guān)管V1導(dǎo)通或許關(guān)斷時，在電容器C5、變壓器T1的初級和電源開關(guān)管V1構(gòu)成的電路中會發(fā)生脈動直流i1，假如把此電流回路當(dāng)作是一個變壓器的“初級線圈”，因為電流i1的變化速率很高，它在“初級線圈”中發(fā)生的電磁感應(yīng)，也會對周圍電路發(fā)生電磁感應(yīng)，咱們能夠把周圍電路都當(dāng)作是同一變壓器的多個“次級線圈”，一起變壓器T1的漏感也相同對各個“次級線圈”發(fā)生感應(yīng)效果，因而電流i1經(jīng)過電磁感應(yīng)，在每個“次級線圈”中都會發(fā)生的感應(yīng)電流，咱們分別把它們記為i2、i3、i4 ···。
其間i2和i3是差模攪擾信號，它們能夠經(jīng)過兩根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)的其它線路之中和攪擾其它電子設(shè)備；i4是共模攪擾信號，它是電流i1回路經(jīng)過電磁感應(yīng)其它電路與大地或機(jī)殼構(gòu)成的回路發(fā)生的，而且其它電路與大地或機(jī)殼是經(jīng)過電容耦合構(gòu)成回路的，共模攪擾信號能夠經(jīng)過電源線與大地傳導(dǎo)到電網(wǎng)其它線路之中和攪擾其它電子設(shè)備。
與電源開關(guān)管V1的集電極相連的電路，也是發(fā)生共模攪擾信號的首要原因，因為在全部開關(guān)電源電路中，數(shù)電源開關(guān)管V1集電極的電位最高，最高可達(dá)600V以上，其它電路的電位都比它低，因而電源開關(guān)管V1的集電極與其它電路(也包含電源輸入端的引線)之間存在很強(qiáng)的電場，在電場的效果下，電路會發(fā)生位移電流，這個位移電流根本歸于共模攪擾信號。
圖2中的電容器C1、C2和差模電感器L1對i1、i2和i3差模攪擾信號有很強(qiáng)的按捺能力。因為C1、C2在電源線拔出時還會帶電，簡單觸電傷人，所以在電源輸入的兩頭要接一個放電電阻R1。
對共模攪擾信號i4要進(jìn)行徹底按捺，通常很艱難，特別是沒有金屬機(jī)殼屏蔽的情況下，因為在感應(yīng)發(fā)生共模攪擾信號的回路中，其間的一個“元器材”是線路板與大地之間的等效電容，此“元器材”的數(shù)值通常是不穩(wěn)定的，進(jìn)行規(guī)劃時對指標(biāo)要留有滿足的余量。圖2中L2和C3、C4是共模攪擾信號按捺電路器材，在輸入功率較大的電路中，L2通常要用兩個，乃至三個，其間一個多為環(huán)形磁心電感。
依據(jù)上面剖析，發(fā)生電磁攪擾的原因首要是i1流過的首要回路，這個回路首要由電容器C5、變壓器T1初級和電源開關(guān)管V1構(gòu)成，依據(jù)電磁感應(yīng)原理，這個回路發(fā)生的感應(yīng)電動勢為：e=dψ/dt=S*dB/dt (2)
式中e為感應(yīng)電動勢，ψ為磁通量，S電流回路的面積，B為磁感應(yīng)密度，其值與電流強(qiáng)度成正比，dψ/dt為磁通變化率。由此可見，感應(yīng)電動勢與電流回路的面積成正比。因而要削減電磁攪擾，首先是要設(shè)法減小電流回路的面積，特別是i1電流流過的回路面積。別的，為了削減變壓器漏感對周圍電路發(fā)生電磁感應(yīng)的影響，一方面請求變壓器的漏感要做得小，另一方面必定要在變壓器的外圍包一層薄銅皮，以構(gòu)成一個低阻抗短路線圈，把漏感發(fā)生的感應(yīng)能量經(jīng)過渦流損耗掉。
4、對輻射攪擾信號的按捺
電磁輻射攪擾也是經(jīng)過電磁感應(yīng)的辦法，由帶電體或電流回路及磁感應(yīng)回路對外發(fā)生電磁輻射的。任何一根導(dǎo)體都能夠當(dāng)作是一根電磁感應(yīng)天線，任何一個電流回路都能夠當(dāng)作是一個環(huán)形天線，電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應(yīng)輻射的主要器材。要想徹底按捺電磁輻射是不可能的，但經(jīng)過對電路進(jìn)行合理規(guī)劃，或許采納有些屏蔽辦法，能夠大大減輕電磁攪擾的輻射。
例如，盡量縮短電路引線的長度和減小電流回路的面積，是減小電磁輻射的有用辦法；準(zhǔn)確運用儲能濾波電容，把儲能濾波電容盡量近地裝置在有源器材電源引線的兩頭，每個有源器材獨立供電，或單獨用一個儲能濾波電容供電(充滿電的電容能夠當(dāng)作是一個獨立電源)，避免各電路中的有源器材(放大器)經(jīng)過電源線和地線發(fā)生串?dāng)_；把電源引線的地和信號源的地嚴(yán)厲分隔，或?qū)π盘栆�采納雙線并行對中交叉的辦法，讓攪擾信號互相抵消，也是一種減小電磁輻射的有用辦法；使用散熱片也能夠?qū)﹄姶艛嚁_進(jìn)行部分屏蔽，對信號引線還能夠采納雙地線并行屏蔽的辦法，讓信號線夾在兩條平行地線的基地，這相當(dāng)于雙回路，攪擾信號也會互相抵消，屏蔽效果十分顯著；機(jī)器或靈敏器材選用金屬外殼是最佳的屏蔽電磁攪擾辦法，但非金屬外殼也能夠噴涂導(dǎo)電資料(如石墨)進(jìn)行電磁攪擾屏蔽。
5、對高壓的靜電的消除
圖1中，假如輸出電壓高于1,000V，有必要思考靜電消除。盡管大多數(shù)的開關(guān)電源都采納變壓器進(jìn)行“冷熱地”阻隔，因為“熱地”，也叫“初級地”，經(jīng)過電網(wǎng)可構(gòu)成回路，當(dāng)人體接觸到“初級地”的時分會“觸電”，所以大家都把“初級地”叫做“熱地”，表明不能接觸的意思。而“冷地”也叫“次級地”，盡管電壓很高，但它與大地不構(gòu)成回路，當(dāng)人體接觸到“次級地”的時分不會“觸電”，因而，大家都把“次級地”叫做“冷地”，表明能夠接觸的意思。
但不管是"冷地"或許是"熱地"，其對大地的電位差都不可能是零，即仍是會帶電。如彩色電視機(jī)中的開關(guān)電源，"熱地"對大地的電位差大概有400VP-P(峰峰值)，"冷地"對大地的電位差大概有1500VP-P(峰峰值)。
“熱地”帶電比較好了解，而"冷地"帶電通常人是難以了解的。那么"冷地"帶電這個電壓是如何發(fā)生的呢？這個電壓是由變壓器次級發(fā)生的，盡管變壓器次級的一端與“冷地”銜接，但真實的零電位是在變壓器次級線圈的基地，或整流輸出濾波電容器介質(zhì)的基地。這一點稱為電源的“浮地”，即它為零電位，但又不與大地相連。由此可知“冷地”帶電的電壓恰好等于輸出電壓的一半，如電視機(jī)顯像管的高壓陽極需求大概3萬伏的高壓，真實的零電位是在高壓濾波電容(顯像管石墨層之間的電容)的基地，或高壓包的基地抽頭處，由此能夠求出電視機(jī)中的冷地與地之間的電壓(靜電)大概為1,5000V。同理，“熱地”回路的“浮地”是在儲能濾波電容器C5的基地，所以“熱地”正常的帶電電壓為整流輸出的一半，約為200 VP(峰值)，如把開關(guān)管導(dǎo)通或截止時發(fā)生的反電動勢也疊加在其之上，大概有400VP-P(峰峰值)。
圖2中的R3即是用來下降冷地與大地之間靜電電壓的，C8的效果是下降冷熱地之間的動態(tài)電阻。通常數(shù)字電路IC的耐壓都很低，假如“冷地”帶電的電壓很高，經(jīng)過靜電感應(yīng)，或人體接觸，很簡單就會把IC擊穿。
“冷地”帶電是歸于靜電的領(lǐng)域，它只相當(dāng)于對一個小電容充電，這個小電容的一端是大地，電容量相當(dāng)于“冷地”對大地之間的等效電容。別的，圖2中的C1、C2、C3、C4、C8、R1、R8、T1歸于安全器材，運用時要注意安全請求。
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