電磁干擾是人們早就發現的電磁現象,它幾乎和電磁效應的現象同時被發現,1981年英國科學家發表“論干擾”的文章,標志著研究干擾問題的開始。1989年英國郵電部門研究了通信中的干擾問題,使干擾問題的研究開始走向工程化和產業化。
自從電子系統降噪技術在70 年代中期出現以來,主要由于美國聯邦通訊委員會在1990 年和歐盟在1992 提出了對商業數碼產品的有關規章,這些規章要求各個公司確保它們的產品符合嚴格的磁化系數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。
1.電磁兼容性
在很多場合的電源適配器,特別是通信用電源適配器要有很強的抗電磁干擾能力,如對浪涌、電網電壓波動的適應能力,對靜電干擾、電場、磁場及電磁波等的抗干擾能力,以保證自身能夠正常工作以及對設備供電的穩定性。
一方面,電源適配器內部的功率開關管、整流或續流二極管及主功率變壓器是在高頻開關的模式下工作的,它的電壓、電流波形是脈沖方波。在高壓大電流的脈沖方波切換過程中,將產生嚴重的諧波電壓及電流。這些諧波電壓及電流一方面通過電源輸入線或者電源適配器適配器的輸出線傳播出去,對于此電源適配器在同一電網上的其他設備及電網產生干擾,使其他設備不能正常工作。另一方面,嚴重的諧波電壓及電流在電源適配器內部產生電磁干擾,從而造成電源適配器內部工作的不穩定,使電源適配器性能降低。還有部分電磁場通過電源適配器機殼的縫隙,向周圍空間輻射。 與通過輸入電源線、直流輸出DC線產生的輻射電磁場一起通過空間傳播出去的方式,對其他高頻設備及對電磁場比較敏感的設備造成干擾,引起其他設備工作異常。
因此,對電源適配器要限制由輸入電源線、輸出負載DC線產生的傳導干擾和空間輻射的傳播的電磁場干擾,使得處于同一電磁環境中的設備均能夠正常工作,互不干擾。
2.電磁兼容性問題產生的要素
電磁兼容性問題產生的三個要素是:干擾源、傳播途徑及受干擾體。
電源適配器因工作在開關模式狀態下,其引起的電磁兼容性問題是比較復雜的。從整機的電磁兼容性來講,主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合和電磁波耦合幾種。
a.共阻抗耦合主要是干擾源與受干擾體在電氣上存在共同阻抗,通過該阻抗使干擾信號進入受干擾對象。
b.線間耦合主要是產生干擾電壓及干擾電流的導線或者PCB板上的并行布線而產生的相互耦合。
c.電場耦合主要是由于電位差的存在而產生的感應電場對受干擾體產生的耦合。
d.磁場耦合主要是大電流的脈沖在電源線附近產生的低頻磁場對干擾對象產生的耦合。
e.電磁波耦合主要是由于脈沖的電壓或者電流產生的高頻電磁波,通過空間向外輻射,對相應的受干擾體產生的耦合。
實際上每一種耦合方式是不能嚴格區分的,僅是側重點不同而已。在電源適配器中,主功率開關管在很高的電壓下以高頻開關方式工作,開關電壓及開關電流均為方波,該方波所含的高次諧波的頻譜可達到方波頻率的1000次以上,同時,由于電源變壓器的漏電感及分布電容,以及主功率開關器件的工作狀態并非理想,因此在高頻開或關時,常常產生高頻高壓的尖峰諧波振蕩。該諧波振蕩產生的高次諧波通過開關管與散熱器間的分布電容傳入內部電路,或通過散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續流的開關二極管也是產生高頻干擾的一個重要原因。整流及續流二極管工作在高頻開關狀態下,由于二極管的引線寄生電感、結電容的存在以反向恢復電流的影響,使其工作在很高的電壓及電流變化率下而產生高頻振蕩。整流及續流二極管一般離電源輸出線較近,其產生的高頻干擾最容易通過直流輸出線傳出去。
大功率的電源適配器為了提高功率因數,均采用了有源功率因數校正電路。同時,為了提高電源適配器的效率及可靠性,減小功率器件的電應力,大量采用了軟開關技術。其中零電壓、零電流開關技術應用最為廣泛。這些技術極大的降低了開關器件所產生的電磁干擾。軟開關無損吸收電路多利用L、C進行能量轉移,利用二極管的單向導電性能現實能量的單向轉換,因此,該電路中的二極管成為電磁干擾的一大干擾源。
電源適配器中一般利用儲能電感及電容器組成LC濾波電路,實現對差模及共模干擾信號的濾波,以及將交流方波信號轉換為平滑的直流信號。由于電感線圈分布電容,因此導致了電感線圈的自諧振頻率降低,從而使大量的高頻干擾信號穿過電感線圈,沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。濾波電容器隨著干擾信號頻率的上升,由于引線電感的作用,導致電容量及濾波效果不斷下降,直至達到諧振頻率以上時,完全失去電容器的作用而變為感性。不正確的使用濾波電容及引線過長,也是產生電磁干擾的一個原因。
電源適配器PCB板布線、結構設計、電源線輸入濾波、輸入/輸出電源線布線以及檢測電路的設計等不合理,均會導致系統工作不穩定,降低對靜電放電、點快速瞬變脈沖群、雷擊、浪涌及傳導干擾、輻射干擾及輻射電磁場等的抗擾性能力。
一般運用CISPR16及IEC61000中規定的電磁場檢測儀器及各種干擾信號模擬器、輔助設備,在標準測試場地或實驗室內部,通過詳盡的測試分析,結合對電路性能的理解來分析研究電源適配器的電磁兼容性。