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陶老師談技術(shù)之三:電子線路與電磁兼容設(shè)計(jì)(二)

發(fā)布時(shí)間:2009-03-25

中心議題:
  • 幾種電磁干擾類型的抑制方法
解決方案:
  • 振鈴電壓抑制方法介紹
  • 傳導(dǎo)干擾信號(hào)抑制方法介紹
  • 輻射干擾信號(hào)抑制方法介紹
  • 對高壓的靜電的消除方法
對振鈴電壓的抑制
由于變壓器的初級有漏感,當(dāng)電源開關(guān)管V1由飽和導(dǎo)通到截止關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢,反電動(dòng)勢又會(huì)對變壓器初級線圈的分布電容進(jìn)行充放電,從而產(chǎn)生阻尼振蕩,即產(chǎn)生振鈴,如圖4所示。變壓器初級漏感產(chǎn)生反電動(dòng)勢的電壓幅度一般都很高,其能量也很大,如不采取保護(hù)措施,反電動(dòng)勢一般都會(huì)把電源開關(guān)管擊穿,同時(shí)反電動(dòng)勢產(chǎn)生的阻尼振蕩還會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射,不但對機(jī)器本身造成嚴(yán)重干擾,對機(jī)器周邊環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。

圖2 中的D1、R2、C6 是抑制反電動(dòng)勢和振鈴電壓幅度的有效電路,當(dāng)變壓器初級漏感產(chǎn)生反電動(dòng)勢時(shí),反電動(dòng)勢通過二極管D1對電容器C6進(jìn)行充電,相當(dāng)于電容器把反電動(dòng)勢的能量吸收掉,從而降低了反電動(dòng)勢和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿電后,又會(huì)通過R2放電,正確選擇RC放電的時(shí)間常數(shù),使電容器在下次充電時(shí)的剩余電壓剛好等于方波電壓的幅度,此時(shí)電源的工作效率最高。



對傳導(dǎo)干擾信號(hào)的抑制
圖1 中,當(dāng)電源開關(guān)管V1導(dǎo)通或者關(guān)斷時(shí),在電容器C5、變壓器T1的初級和電源開關(guān)管V1 組成的電路中會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)直流i1,如果把此電流回路看成是一個(gè)“變壓器”的“初級線圈”,由于電流i1 的變化速率很高,它在“初級線圈”中產(chǎn)生的電磁感應(yīng),也會(huì)對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng),我們可以把周圍電路都看成是同一“變壓器”的多個(gè)“次級線圈”,同時(shí)變壓器T1 的漏感也同樣對各個(gè)“次級線圈”產(chǎn)生感應(yīng)作用,因此電流i1 通過電磁感應(yīng),在每個(gè)“次級線圈”中都會(huì)產(chǎn)生的感應(yīng)電流,我們分別把它們記為i2、i3、i4 •••。

其中i2 和i3 是差模干擾信號(hào),它們可以通過兩根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)的其它線路之中和干擾其它電子設(shè)備;i4 是共模干擾信號(hào),它是電流i1 回路通過電磁感應(yīng)其它電路與大地或機(jī)殼組成的回路產(chǎn)生的,并且其它電路與大地或機(jī)殼是通過電容耦合構(gòu)成回路的,共模干擾信號(hào)可以通過電源線與大地傳導(dǎo)到電網(wǎng)其它線路之中和干擾其它電子設(shè)備。

與電源開關(guān)管V1的集電極相連的電路,也是產(chǎn)生共模干擾信號(hào)的主要原因,因?yàn)樵谡麄€(gè)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,因此電源開關(guān)管V1的集電極與其它電路(也包括電源輸入端的引線)之間存在很強(qiáng)的電場,在電場的作用下,電路會(huì)產(chǎn)生位移電流,這個(gè)位移電流基本屬于共模干擾信號(hào)。
圖2 中的電容器C1、C2和差模電感器L1 對i1、i2 和i3 差模干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。由于C1、C2 在電源線拔出時(shí)還會(huì)帶電,容易觸電傷人,所以在電源輸入的兩端要接一個(gè)放電電阻R1。

對共模干擾信號(hào)i4 要進(jìn)行完全抑制,一般很困難,特別是沒有金屬機(jī)殼屏蔽的情況下,因?yàn)樵诟袘?yīng)產(chǎn)生共模干擾信號(hào)的回路中,其中的一個(gè)“元器件”是線路板與大地之間的等效電容,此“元器件”的數(shù)值一般是不穩(wěn)定的,進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)對指標(biāo)要留有足夠的余量。圖2 中L2 和C3、C4是共模干擾信號(hào)抑制電路器件,在輸入功率較大的電路中,L2 一般要用兩個(gè),甚至三個(gè),其中一個(gè)多為環(huán)形磁心電感。

根據(jù)上面分析,產(chǎn)生電磁干擾的原因主要是i1 流過的主要回路,這個(gè)回路主要由電容器C5、變壓器T1初級和電源開關(guān)管V1組成,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,這個(gè)回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為:


式中e為感應(yīng)電動(dòng)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,dt/dy為磁通變化率。由此可見,感應(yīng)電動(dòng)勢與電流回路的面積成正比。因此要減少電磁干擾,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。另外,為了減少變壓器漏感對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)的影響,一方面要求變壓器的漏感要做得小,另一方面一定要在變壓器的外圍包一層薄銅皮,以構(gòu)成一個(gè)低阻抗短路線圈,把漏感產(chǎn)生的感應(yīng)能量通過渦流損耗掉。

對輻射干擾信號(hào)的抑制
電磁輻射干擾也是通過電磁感應(yīng)的方式,由帶電體或電流回路及磁感應(yīng)回路對外產(chǎn)生電磁輻射的。任何一根導(dǎo)體都可以看成是一根電磁感應(yīng)天線,任何一個(gè)電流回路都可以看成是一個(gè)環(huán)形天線,電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應(yīng)輻射的重要器件。要想完全抑制電磁輻射是不可能的,但通過對電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì),或者采取部分屏蔽措施,可以大大減輕電磁干擾的輻射。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效方法;正確使用儲(chǔ)能濾波電容,把儲(chǔ)能濾波電容盡量近地安裝在有源器件電源引線的兩端,每個(gè)有源器件獨(dú)立供電,或單獨(dú)用一個(gè)儲(chǔ)能濾波電容供電(充滿電的電容可以看成是一個(gè)獨(dú)立電源),防止各電路中的有源器件(放大器)通過電源線和地線產(chǎn)生串?dāng)_;把電源引線的地和信號(hào)源的地嚴(yán)格分開,或?qū)π盘?hào)引線采取雙線并行對中交叉的方法,讓干擾信號(hào)互相抵消,也是一種減小電磁輻射的有效方法;利用散熱片也可以對電磁干擾進(jìn)行局部屏蔽,對信號(hào)引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法,讓信號(hào)線夾在兩條平行地線的中間,這相當(dāng)于雙回路,干擾信號(hào)也會(huì)互相抵消,屏蔽效果非常顯著;機(jī)器或敏感器件采用金屬外殼是最好的屏蔽電磁干擾方法,但非金屬外殼也可以噴涂導(dǎo)電材料(如石墨)進(jìn)行電磁干擾屏蔽。

對高壓的靜電的消除
圖1 中,如果輸出電壓高于1000V,必須考慮靜電消除。雖然大多數(shù)的開關(guān)電源都采取變壓器進(jìn)行“冷熱地”隔離,由于“熱地”,也叫“初級地”,通過電網(wǎng)可構(gòu)成回路,當(dāng)人體觸到“初級地”的時(shí)候會(huì)“觸電”,所以人們都把“初級地”叫做“熱地”,表示不能觸摸的意思。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(shí)候不會(huì)“觸電”,因此,人們都把“次級地”叫做“冷地”,表示可以觸摸的意思。但不管是“冷地”或者是“熱地”,其對大地的電位差都不可能是零,即還是會(huì)帶電。如彩色電視機(jī)中的開關(guān)電源,“熱地”對大地的電位差大約有400VP-P(峰峰值),“冷地”對大地的電位差大約有1500VP-P(峰峰值)。

“熱地”帶電大家比較好理解,而“冷地”帶電一般人是難以理解的。那么“冷地”帶電這個(gè)電壓是怎樣產(chǎn)生的呢?這個(gè)電壓是由變壓器次級產(chǎn)生的,雖然變壓器次級的一端與“冷地”連接,但真正的零電位是在變壓器次級線圈的中心,或整流輸出濾波電容器介質(zhì)的中間。這一點(diǎn)我們稱為電源的“浮地”,即它為零電位,但又不與大地相連。由此可知“冷地”帶電的電壓正好等于輸出電壓的一半,如電視機(jī)顯像管的高壓陽極需要大約3 萬伏的高壓,真正的零電位是在高壓濾波電容(顯像管石墨層之間的電容)的中間,或高壓包的中間抽頭處,由此可以求出電視機(jī)中的冷地與地之間的電壓(靜電)大約為15000V。同理,“熱地”回路的“浮地”是在儲(chǔ)能濾波電容器C5 的中間,所以“熱地”正常帶電電壓應(yīng)為整流輸出電壓的一半,約為200 VP(峰值),如把開關(guān)管導(dǎo)通或截止時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢也疊加在其之上,大約有400VP-P(峰峰值)。

圖2 中的R3 就是用來降低冷地與大地之間靜電電壓的,C8 的作用是降低“冷熱”地之間的動(dòng)態(tài)電阻。一般數(shù)字電路IC 的耐壓都很低,如果“冷地”帶電的電壓很高,通過靜電感應(yīng),或人體觸摸,很容易就會(huì)把IC 擊穿。順便指出,“冷地”帶電是屬于靜電的范疇,它只相當(dāng)于對一個(gè)小電容充電,這個(gè)小電容的一端是大地,另一端是“冷地”,電容量相當(dāng)于“冷地”對大地之間的等效電容。另外,圖2 中的C1、C2、C3、C4、C8、R1、R8、T1屬于安全器件,使用時(shí)要注意安全要求。

結(jié)束語

電磁兼容設(shè)計(jì)在我國是一門很嶄新的科學(xué),電磁兼容性EMC 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還很不完善,很多
測試方法或定量分析還需要人們進(jìn)一步去摸索和探討,很多新的電磁兼容性EMC 設(shè)計(jì)理論還需人們?nèi)?chuàng)立。本文所涉及的一些電磁兼容設(shè)計(jì)的知識(shí)極為膚淺,內(nèi)容只是冰山一角,希望我國的科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員,在這一方面能夠趕超世界水平,多為國家作貢獻(xiàn)。

EMC常用標(biāo)準(zhǔn):
EMC 通用系列標(biāo)準(zhǔn):IEC61000-4-X
工業(yè)環(huán)境抗擾度通用標(biāo)準(zhǔn):EN50082-2
脈沖電流諧波測試標(biāo)準(zhǔn):IEC61000-3-2
交流電源閃爍測試標(biāo)準(zhǔn):IEC61000-3-3

常見縮略語:
● ECD(Electric circuit design):電路設(shè)計(jì)
● EMC(Electromagnetic Compatibility):電磁兼容性
● EMCD(Electromagnetic Compatibility design):電磁兼容設(shè)計(jì)
● EMI(Electromagnetic Interference):電磁干擾
● PFC(Power Factor corrector):功率因素矯正
● EMS(Electromagnetic Susceptibility):電磁抗擾度
● CISPR:國際無線電干擾特別委員會(huì)
● IEC(International Electromagnetic Commission):國際電工委員會(huì)
● EUT(Equipment Under Test )受試設(shè)備
● FCC(Federal Communication Commission)聯(lián)邦通信委員會(huì)
● CE(Conformite′ Europe′ene")歐盟

編后記:這是陶顯芳老師2004年寫的一篇文章,建議網(wǎng)友和電子元件技術(shù)網(wǎng)上另一篇陶老師的文章(陶老師談電磁輻射與電磁兼容)對照閱讀。有任何問題也可在電子元件技術(shù)網(wǎng)上陶老師主持的“電子系統(tǒng)電磁兼容與電路保護(hù)”論壇里提問和陶老師交流。
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