- 常用電磁兼容設(shè)計(jì)方法介紹
- 對電子設(shè)備進(jìn)行電磁屏蔽,屏蔽的壞處是有可能產(chǎn)生電磁反射乃至電磁振蕩
- 不可過于追求開關(guān)電源的效率以避免加重開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾
- 通過在電路中并聯(lián)Y電容和X電容減少傳導(dǎo)干擾,但此類電容電容,不可隨便替代
- 還要選用多個(gè)電感濾波器一起組合對電磁干擾進(jìn)行濾波,其中共膜電感濾波器的使用越來越多
電磁兼容EMC設(shè)計(jì)
電磁兼容EMC設(shè)計(jì)的目的就是想辦法使自己設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的電子設(shè)備產(chǎn)生各種干擾信號的幅度符合別人的要求;同時(shí)還要想辦法讓自己設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的電子設(shè)備在受到其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾的情況下還能正常工作。因此,EMC標(biāo)準(zhǔn)一般都是強(qiáng)制性的。
防止電子設(shè)備產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾最好的方法,是采金屬機(jī)殼對電磁場進(jìn)行屏蔽,以及對電源輸入電路用變壓器進(jìn)行隔離,并且還要對變壓器也進(jìn)行靜電感應(yīng)和磁感應(yīng)屏蔽。但由于金屬機(jī)殼比較笨重,并且成本很高,另外50周的電源變壓器體積很大,并且對其進(jìn)行靜電感應(yīng)和磁感應(yīng)屏蔽也比較麻煩,因此,這兩種方法只有一些要求特別高的場合才會使用,例如:精密測試儀表,對于一般的普通電器設(shè)備,目前已很少使用。
在塑料機(jī)殼內(nèi)表面噴涂導(dǎo)電材料也是一種對電磁屏蔽很有效的方法,比如,在塑料機(jī)殼內(nèi)表面噴涂石墨,對超高頻電磁屏蔽效果就非常好,因?yàn)?,石墨既?dǎo)電又有電阻,是吸收電磁波的良好材料,它不容易對電磁波產(chǎn)生反射,并對電磁波產(chǎn)生衰減作用。如果只從屏蔽效果來比較,石墨對電磁場屏蔽的效果的確不如導(dǎo)電良好的金屬,但金屬屏蔽也有缺點(diǎn),它最大的缺點(diǎn)就是產(chǎn)生電磁波反射,并使電磁反射波相互迭加,嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生電磁振蕩。
當(dāng)被屏蔽干擾信號的波長正好與金屬機(jī)殼的某個(gè)尺寸接近的時(shí)候,金屬機(jī)殼很容易會變成一個(gè)大諧振腔,即:電磁波會在金屬機(jī)殼內(nèi)來回反射,并會產(chǎn)生互相迭加,其工作原理與圖13基本相同。這種情況在電腦機(jī)殼內(nèi)最容易實(shí)現(xiàn),當(dāng)電腦機(jī)殼的邊長正好等于某干擾信號的半個(gè)波長,且干擾信號源正好位于電腦機(jī)殼的中央位置的時(shí)候,干擾信號很容易就會在機(jī)殼內(nèi)部產(chǎn)生電磁振蕩。當(dāng)某一干擾信號頻率正好在諧振腔中產(chǎn)生諧振的時(shí)候,電磁波的能量反而會被加強(qiáng)。被加強(qiáng)了的干擾信號,一方面會破壞設(shè)備自身的正常工作,另一方面干擾信號也會從金屬機(jī)殼的裂縫逃逸出去,產(chǎn)生輻射干擾,雷達(dá)設(shè)備經(jīng)常使用的裂縫天線就是這個(gè)工作原理。特別指出,電磁波在金屬機(jī)殼中產(chǎn)生輻射或諧振,與外殼接地或不接地?zé)o關(guān)。
大多數(shù)電器設(shè)備傳導(dǎo)干擾都是由開關(guān)電源引起的,為了提高開關(guān)電源的工作效率,一般都希望開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷速度越高越好,即:方波的前、后沿越陡越好,這樣的結(jié)果會使開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾更加嚴(yán)重,要進(jìn)行抑制更加困難。因此,在對開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),不要無條件地追求開關(guān)電源的工作效率為越高越好。
不管采用什么樣的濾波電路來抑制電子設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾,其主要目的都是要把圖6中的V1、V2、V3等三個(gè)干擾信號的幅度降到最低。例如:要抑制V1干擾信號,最有效的方法是在V1的兩端并聯(lián)一個(gè)電容,由于這個(gè)電容連接的位置比較特殊,需要符合安全標(biāo)準(zhǔn),因此,一般人們都稱他為Y電容;同理,要抑制V2干擾信號,最有效的方法也是在V2的兩端并聯(lián)一個(gè)Y電容。由于Y電容會引起設(shè)備漏電或機(jī)殼帶電,容易危及人身安全,所以這兩個(gè)Y電容都是屬于安全電容,其容量不能大,并且要求耐壓很高,否則,機(jī)器將會漏電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,一般在亞熱帶機(jī)器對地漏電電流不能超過0.7mA,在溫帶機(jī)器對地漏電電流不能超過0.35mA,因此,Y電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^4700P。
特別提示,Y電容為安全電容,必須經(jīng)過安全檢測部門人證過后才能使用。Y電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V或AC275V字樣,但其真正的直流耐壓高達(dá)5000V以上,因此,Y電容不能隨便用AC250V,或DC400V之類的電容來代用。
抑制V3干擾信號最有效的方法,同樣也是在V3的兩端并聯(lián)一個(gè)電容,由于這個(gè)電容連接的位置比較特殊,也需要符合安全標(biāo)準(zhǔn),因此,一般人們都稱他為X電容。X電容同樣也屬于安全電容,其容量可以比Y電容大,但必須在X電容的兩端并聯(lián)一個(gè)安全電阻,用于防止電源線拔插時(shí)電源線插頭長時(shí)間帶電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)正在工作之中的機(jī)器電源線被拔掉時(shí),在兩秒鐘內(nèi),電源線插頭兩端帶電的電壓(或?qū)Φ仉娢唬┍仨毿∮谠瓉黼妷旱?0%。
X電容也是安全電容,必須經(jīng)過安全檢測部門認(rèn)證過后才能使用。X電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V或AC275V字樣,但其真正的直流耐壓達(dá)2000V以上,使用的時(shí)候不要隨便用AC250V,或DC400V之類的電容來代用。
X電容一般都選用紋波電流比較大的聚脂薄膜安全電容,這種電容體積一般都很大,但其允許瞬間充放電的電流也很大,即:內(nèi)阻比較小。普通電容紋波電流的指標(biāo)一般都很小,動態(tài)內(nèi)阻比較大,用普通電容代替X電容,除了耐壓條件不能滿足以外,一般紋波電流指標(biāo)也是難以滿足要求的。
實(shí)際上,光靠用Y電容和X電容就想把傳導(dǎo)干擾信號完全濾除是不可能的。因?yàn)楦蓴_信號的頻譜非常寬,基本覆蓋了幾十KHz到幾百M(fèi)Hz甚至上千MHz的頻率范圍。對低端干擾信號的濾除需要很大容量的濾波電容,但受到安全條件的限制,Y電容和X電容的容量都不能用大;對高端干擾信號的濾除,大容量電容的濾波性能又極差,特別是聚脂薄膜電容的高頻性能一般都比較差,因?yàn)樗怯镁砝@工藝生產(chǎn)的,并且聚脂薄膜介質(zhì)高頻響應(yīng)特性與陶瓷或云母相比相差很遠(yuǎn),一般聚脂薄膜介質(zhì)都具有吸附效應(yīng),它會降低電容器的工作頻率,聚脂薄膜電容工作頻率范圍大約都在1MHz左右,超過1MHz其阻抗將顯著增加。
因此,抑制電子設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾除了選用Y電容和X電容進(jìn)行濾波以外,一般還要同時(shí)選用多個(gè)電感濾波器一起組合對干擾除進(jìn)行濾波。電感濾波器屬于低通濾波器,但電感濾波器也有很多種類和無數(shù)多種規(guī)格,例如有:差模、共模,以及高頻、低頻等,每種電感主要都是針對某一小段頻率的干擾信號濾除而起作用,對其它頻率的干擾信號的濾除起作用不大。因?yàn)椋姼辛亢艽蟮碾姼?,其線圈匝數(shù)很多,分布電容也很大,高頻信號會通過分布電容旁路掉,另外,導(dǎo)磁率很高的磁芯,其工作頻率也不高。目前,國內(nèi)大量使用的電感濾波器磁芯的工作頻率大多數(shù)都在75MHz以下,對于工作頻率要求比較高的場合,必須選用高頻環(huán)形磁芯,高頻環(huán)形磁芯導(dǎo)磁率一般都不高,但漏感特別小。
圖14是根據(jù)上面分析而設(shè)計(jì)的EMC(電磁兼容)濾波電路,EMC濾波電路如虛線框內(nèi)所示。
圖14中,C1、C2是Y安全電容,其主要作用是對V1、V2進(jìn)行旁路,V1、V2屬于共模干擾信號,因此C1、C2的功能主要是對共模干擾信號進(jìn)行抑制,同時(shí)C1、C2對V3也有一定的旁路作用,但因兩個(gè)電容串聯(lián)起來的容量很小,因此,其主要功能是高頻差模干擾信號進(jìn)行抑制;C3是X安全電容,其主要作用是對V3進(jìn)行旁路,V3屬于差模干擾信號,因此,C3的主要功能是對差模干擾信號進(jìn)行抑制;C4也是X安全電容,雖然它沒有對V3直接進(jìn)行旁路,但它也是差模干擾信號抑制的濾波電容;R1是殘余電壓釋放電阻,其阻值要與C3、C4等配合使用,使時(shí)間常數(shù)τ = R1●(C3+C4)小于2秒,但R1不能用得太小,太小會損耗電源功率。當(dāng)電容充放電時(shí)間等于τ時(shí),電容器兩端的電壓上升或下降的值是最大值的63%。
圖14中,L1、L2是電感濾波器,L1為差模干擾信號電感濾波器,L2為共模干擾信號電感濾波器,由于差模干擾信號電感濾波器很容易產(chǎn)生磁飽和,以及電感濾波器的體積也比較大,因此目前很少人使用,基本上都是用共模電感濾波器來代替。實(shí)際應(yīng)用中共模電感濾波器的兩個(gè)線圈之間也存在很大的漏感,因此,它對差模干擾信號也具有一定的濾波作用。