開關電源適配器電磁兼容性的設計
開關電源適配器是較強的電磁干擾發(fā)射源。開關電源適配器的一次整流橋,由于是非線性器件,形成電流是嚴重失真的正弦半波,含有豐富的高次諧波,所以多方面因素形成了諧波、電場、磁場、浪涌、電快速瞬變等傳導和輻射一系列連續(xù)、脈動和瞬變干擾,因此在開關電源適配器的設計中必須考慮電磁兼容性設計。
EMI的設計主要是研究噪聲濾波器的設計。采用開關電源濾波器能有效地抑制電網中的噪聲進入設備,也可以抑制設備產生的噪聲污染電網。噪聲的傳播方式有兩種:一種是共模噪聲;另一種是差模噪聲。共模噪聲是流入大地的電流,差模噪聲是在線與線之間流動的電路。
在噪聲濾波器的設計和應用中,目前以分散型濾波為多。在分散型濾波中使用的主要元件是共模電感線圈和線間電容器。
根據(jù)電磁騷擾的傳播途徑,開關電源適配器的電磁兼容性設計包括:完善電路設計、接地設計、濾波設計、屏蔽設計。
1. 完善電路設計
所選擇開關電源適配器電路拓撲不宜產生過高的電壓和過大的電流,以避免高電壓電場干擾和大電流磁場干擾。在滿足要求的情況下,放大器" target=_blank>放大器的頻帶應盡量窄,使其不易受干擾。適當增加緩沖電路。
印刷電路板設計時應注意以下幾點:
① 高、中、低速邏輯電路同時應用時,高速應設計在電路板的人口處;
② 信號人口加RC去耦濾波,消除長線傳輸干擾;
③ 電路中的電流環(huán)路應保持最?。?br/>④ 信號線和回線應盡可能接近;
⑤ 使用較大的地平面以減小地線阻抗;
⑥ 電源線和地線應相互接近;
⑦ 在多層電路板中,應把電源面和地平面分開;
⑧ 圓弧布線,不突變;
⑨ 盡量縮短連線;
⑩ 模擬電路和數(shù)字電路分開,功率電路和控制電路分開。
2.接地設計
A.接地是開關電源適配器抑制電磁噪聲的重要方法。
接地的作用:
①提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性,若不與大地相接,易受地電容的干擾;
②泄放靜電感應在機箱上的靜電,避免高壓放電;
③操作安全。
B.不考慮安全接地,僅從電路參考點的角度考慮,接地可分為懸浮地、單點接地、多點接地和混合接地。
①懸浮地
開關電源適配器中的參考地與機殼隔離,可以避免機殼中的干擾電流直接耦合到電源電路中。當浮地系統(tǒng)靠近高壓時,可能堆積靜電荷,形成危害或引起靜電放電,形成干擾電流。在雷電環(huán)境下,在機箱和單元電路間產生電弧。所以開關電源中不宜采用懸浮地。
②單點接地
單點接地分為單點串聯(lián)接地和并聯(lián)接地。單點串聯(lián)接地的優(yōu)點是比較簡單,其缺點是各電路會通過接地線,相互影響。在采用這種接地方式時必須注意把最高電平電路放在最靠近接地點A處,以使B點和C點的電位升高最小。相對單點串聯(lián)接地,單點并聯(lián)接地無公共地阻抗干擾,但地線數(shù)量多,在高頻(MHz以上)時效果差。
③多點接地
各接地點就近接地,其優(yōu)點是:接線簡單,引線短。高頻阻波現(xiàn)象顯著減少。其缺點是:接地阻抗隨頻率升高而增大。
④混合接地
實際情況比較復雜,很難通過一種簡單的接地方式來解決,而是常常采用單點接地和多點接地組合成混合接地。
濾波設計
濾波是消除干擾經常采用的措施。在設計和選用濾波器時應注意以下幾個問題:
①明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率,如兩者非常接近,則需要應用頻率特性非常陡峭的濾波器才能把兩種頻率分開;
②保證濾波器在高壓情況下能夠可靠地工作;
③濾波器連續(xù)通過最大額定電流時,其溫度要低,以保證在該額定電流連續(xù)工作時,不破壞濾波器中器件的工作性能;
④為使工作時的濾波器頻率特性與設計值相符合,要求與它連接的信號源阻抗和負載阻抗的數(shù)值等于設計時的規(guī)定值;
⑤濾波器必須具有屏蔽結構,屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸,濾波器的電容引線應盡量短,最好選用低引線短電感的穿心電容; ⑥要有較高的工作可靠性,因為作防護電磁干擾用的濾波器,故障往往比其他元件的故障更難找。
安裝濾波器時應注意以下幾點
①電源線路濾波器應安裝在離設備電源人口盡量靠近的地方,不要讓未經過濾波器的電源線在設備框內迂回;
②濾波器中的電容器引線應盡可能短,以免因引線感抗和容抗在低頻率上諧振;
③濾波器的接地導線上有很大的短路電流通過,會引起附加的電磁輻射,故應對濾波器元件本身進行良好的屏蔽和接地處理;
④濾波器的輸入和輸出線不能交叉,否則會因濾波器的輸入-輸出電容耦合通路引起串擾,從而降低濾波特性,通常的辦法是輸入和輸出之間加隔板或頻蔽層。
屏蔽設計
屏蔽有兩個目的,一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出該內部區(qū)域,二是防止外來的輻射干擾進入該內部區(qū)域。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導作用,而這些作用是與屏蔽結構表面上和屏蔽體內感生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關的。
屏蔽體的設計原則
①首先確定電磁環(huán)境,包括電磁場的類型、場的強度、頻率及屏蔽體至源的距離等;
②確定接受機的敏感度以及對屏蔽的要求;
③根據(jù)電磁屏蔽的要求及電磁場的性質,適當選擇材料的導電率、磁導率和厚度;
④在確定屏蔽材料后,進行屏蔽結構的設計,對于電場屏蔽主要選擇高導率材料(如銅);對于磁場屏蔽,特別是低頻磁場屏蔽,主要選擇鐵或其他高磁導率材料。若達不到要求,在允許的條件下,可以采用增大厚度的辦法;
⑤如果單層屏蔽不能滿足屏蔽要求,可用雙層以上的屏蔽,以獲得更好的屏蔽效果;
⑥當屏蔽室需要透明時,可采用金屬網屏蔽,金屬網屏蔽的效能顯然比不上金屬實壁屏蔽體,所以一般不采用雙層屏蔽;
⑦對于通風孔、探測器的慷慨屏蔽殼體、電纜進出口接插件等開口處均按特殊要求進行設計。
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