開關電源EMC必須掌握的幾個概念

1。電磁干擾的產生和傳播

有兩種傳播電磁干擾的方法：一種是傳導傳輸，另一種是輻射傳輸。傳導傳輸是干擾源和敏感設備之間的完整電路連接。 干擾信號沿連接電路傳輸到接收器，并發生電磁干擾。

輻射傳輸是一種干擾形式，其中干擾信號以電磁波的形式通過介質向外傳播。輻射耦合有三種常見類型：1）一個天線發射的電磁波被另一根天線意外接收，這稱為天線間耦合； 2）空間電磁場通過導線感應耦合，這稱為場對線耦合。3）通過在兩條相等的導線之間感應高頻信號而形成的耦合稱為線對線電感耦合。

2。電磁干擾的機理

從對干擾敏感的設備的角度來看，干擾耦合可以分為傳導耦合和輻射耦合。

●導電耦合模型

導電耦合根據其原理可分為三種基本耦合模式：電阻耦合，電容耦合和電感耦合。

●輻射耦合模型

輻射耦合是干擾耦合的另一種方式。 除了從干擾源發出的有意輻射外，還存在大量無意輻射。同時，PCB板上的布線，無論是電源線，信號線，時鐘線，數據線還是操縱線，都可以起到天線的作用，可以輻射干擾波，還可以起到接收作用。

3。電磁干擾操縱技術

①傳輸通道抑制

●濾波：設計和選擇濾波器時，應注意頻率特性，電壓電阻，額定電流，阻抗特性，屏蔽和可靠性。濾波器的正確安裝對其插入損耗特性有很大影響。 僅當安裝位置正確且安裝方法正確時，才能發揮預期的過濾干擾效果。安裝過濾器時，應考慮安裝位置。 輸入和輸出側的布線以及高頻接地和連接方法都必須進行屏蔽和隔離。

●屏蔽：根據原理，電磁屏蔽可分為電場屏蔽，磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種。電場屏蔽包含靜電屏蔽和交變電場屏蔽。 磁場屏蔽包含低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽。不同類型的電磁屏蔽對屏蔽的要求不同。在實際的屏蔽中，電磁屏蔽的有效性在很大程度上取決于屏蔽的結構，即導電性的連續性。由于制造，組裝，維護，散熱，觀看和接口連接的要求，實際的屏蔽通常具有不同形狀和尺寸的孔。 這些孔在屏蔽的屏蔽效果中起重要作用。因此，必須采取措施抑制孔的電磁泄漏。

●接地：有兩種接地方式：安全接地和信號接地。同時，接地還會引入接地阻抗和接地環路干擾。接地技術包含選擇接地點，電路組合，接地設計以及合理使用接地抑制措施。

●搭接：搭接用于引導車身之間的低阻抗連接。 只有良好的重疊才能使電路完成其設計功能，因此各種干擾抑制措施都可以發揮作用。搭接方法可分為永久搭接和半永久搭接，搭接類型分為直接搭接和間接搭接。

●接線：接線是設計印刷電路板電磁兼容性的關鍵。 應選擇合理的線寬，并采納正確的接線策略。 例如，加粗接地線并將其封閉成環以減少斷線。貨架等

②空間分別

空間分隔是抑制空間輻射干擾和電感耦合干擾的有效方法。 通過增加干擾源和接收機的敏感設備之間的空間距離，使到達敏感設備的騷擾電磁場的強度衰減到低于接收設備的敏感度閾值，從而達到抑制干擾的目的。 電磁干擾。根據電磁場理論，近場感應場中的場強衰減1 / r3，遠場輻射場的場強分布減小1 / r3。因此，為了滿足系統的電磁兼容性要求，應完可能增加組成系統的各種設備之間的空間距離。在設備和系統布線中，限制并行電纜的小間距以減少串擾。在PCB設計中，規定了導向桿之間的小間距。其它，空間分別還包含在空間受限時調節干擾源的輻射方向的方向以及操縱干擾源的電場矢量和磁場矢量的空間方向。

③時間間隔

當騷擾的來源特別強烈且不易使用其他方法可靠地抑制騷擾時，通常使用時間分別方法來使有用信號能夠在騷擾信號停止發送的中斷或當如果發送了強烈的騷擾信號，則簡單受到騷擾的敏感設備將在短時間內關閉以幸免損壞。時間分別操縱有兩種形式，一種是主動時間分別，適用于有用信號的出現時間和干擾信號之間存在肯定關系的情況。 另一個是被動時間間隔。 根據干擾信號和有用信號的出現特性，迅速關閉其中一個信號，以滿足非重合和非重疊時間的操縱要求。

④頻譜治理

頻譜規劃是將每個頻段分配給各種無線電服務，并為特定用戶開發頻段。國家標準的制定是預防干擾的基礎，在某些情況下還可以確保通信系統達到所需的通信性能。這包含無線電設備批準程序，以及批準無線電發射機，接收機和其他設備類型所需的低性能標準。

⑤電氣隔離

電氣隔離是幸免電路中傳導干擾的可靠方法，同時，它還可以正常耦合和傳輸有用信號。電隔離耦合的常見形式包含機械耦合，電磁耦合和完電耦合。DC / DC轉換器是一種廣泛使用的電氣隔離設備，它將一個DC電壓轉換為另一個DC電壓，以預防多個設備共享電源并造成公共電源內部電阻干擾，請檢查每個DC / DC轉換器應用單獨的電源 電路以確保電路不受電源中信號的干擾。

1。 開關電源引起的干擾原因

開關電源首先將工頻AC整流為DC，然后將其逆變為高頻，后通過整流濾波電路輸出以獲得穩定的DC電壓，因此它包含許多諧波干擾。同時，由于變壓器的漏感和由輸出二極管的反向恢復電流引起的尖峰，會形成潛在的電磁干擾。開關電源的干擾源主要集中在電壓和電流變化較大的組件上，并且主要顯示在開關管，二極管和高頻變壓器中。

①開關電路產生的電磁干擾

開關電路是開關電源的主要干擾源之一。開關電路是開關電源的核心，它主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的du / dt具有較大的振幅脈沖，較寬的頻帶和豐富的諧波。產生這種脈沖干擾的主要原因是，開關負載是高頻變壓器的初級線圈，并且是感性負載。在開關接通的時刻，初級線圈產生大的浪涌電流，并且在初級線圈的兩端出現高的浪涌峰值電壓。 在開關管分段的剎那，由于初級線圈的漏磁通，一部分能量沒有從初級線圈到次級線圈，存儲在電感器中的這部分能量將形成逐漸衰減并隨著電容器和電阻在集電極電路中的振蕩疊加在截止電壓上以形成截止電壓尖峰。電源電壓的中斷將產生和初級線圈斷開時相同的勵磁涌流瞬變。 這種瞬變是一種傳導性電磁干擾，不僅會影響變壓器的初級繞組，而且還會將傳導的干擾返回給配電系統，從而導致電網諧波。電磁干擾會影響其他設備的安全和經濟運行。

②整流電路產生的電磁干擾

在整流器電路中，當輸出整流器二極管關閉時會產生反向電流。 回零所需的時間取決于結電容等因素。其中，反向電流迅速恢復為零的二極管可以稱為硬恢復特性二極管。 二極管在變壓器漏感和其他分布參數的影響下會產生強烈的高頻干擾，其頻率可以達到數十MHz。當高頻整流電路中的整流二極管在正向導通時，大的正向電流流動。 當通過反向偏置電壓將其關閉時，更多的載流子將積存在PN結中。在消逝之前的一段時間內，電流將以相反的方向流動，從而使用于載流子消逝的反向恢復電流急劇減小，并且將發生大的電流變化（di / dt）。

③高頻變壓器

由高頻變壓器的初級線圈，開關管和濾波電容器組成的高頻開關電流回路可能會產生較大的空間輻射，從而形成輻射干擾。如果電容器的濾波容量不足或高頻特性不好，則電容器上的高頻阻抗將導致高頻電流以差模的形式傳導到交流電源中，從而 形成導電干擾。應當注意，在二極管整流電路產生的電磁干擾中，整流二極管的反向恢復電流的di / dt遠大于續流二極管的反向恢復電流的di / dt。作為電磁干擾源，由整流二極管形成的反向恢復電流具有較大的干擾強度和頻率帶寬。但是，整流二極管產生的電壓跳變比電源開關打開和關閉時產生的電壓跳變小得多。因此，無論整流二極管產生的dv / dt效應如何，整流電路也可以被視為電磁干擾耦合通道的一部分。

④分布電容引起的干擾

開關電源工作在高頻狀態，因此其分布電容不可忽略。一方面，絕緣片在散熱器和開關管的集電器之間的接觸面積大，并且絕緣片特別薄，因此兩者之間在高頻下的分布電容不容忽視。高頻電流通過分布式電容器流至散熱器，然后流至機箱接地，從而引起共模干擾。 另一方面，在脈沖變壓器的初級和次級之間有一個分布式電容器，可以將初級電壓直接耦合到次級側。在上面，共模干擾在兩條電源線上產生，并用于次級側的直流輸出。

⑤雜散參數影響耦合通道的特性

在傳導干擾頻帶（<30MHz）中，大多數開關電源干擾的耦合通道都可以通過電路網絡來描述。但是，開關電源中的任何實際組件（例如電阻器，電容器，電感器，甚至開關管和二極管）都包含雜散參數，并且研究的頻帶越寬，等效電路的階數就越高。因此，包含每個組件的寄生參數以及組件之間的耦合的開關電源的等效電路將更加復雜。在高頻下，雜散參數對耦合通道的特性有很大的影響，并且分布電容的存在成為電磁干擾的通道。其它，當開關管的功率較大時，集電器通常需要增加散熱器。 在高頻下，散熱器和開關管之間的分布電容不容忽視。 它將形成面向空間的輻射干擾和電源線傳導。共模干擾。

二，開關電源電磁干擾的操縱技術

為了解決開關電源的電磁干擾問題，可以從三個方面入手：1）減少干擾源產生的干擾信號； 2）切斷干擾信號的傳播路徑； 3）增強受害者的抗干擾能力。因此，開關電源電磁干擾的主要操縱技術有：電路措施，EMI濾波，元件選擇，印刷電路板的屏蔽和抗干擾設計。

①減少開關電源本身的干擾

●軟開關技術：在恒定的硬開關電路中增加電感和電容元件，在開關過程中利用電感和電容的諧振來降低du / dt和di / dt，以使開關設備導通時電壓下降在電流之前在上升或關閉期間，電流在電壓上升之前下降，以去除電壓和電流的重疊。

●開關頻率調制技術：通過調制開關頻率fc，能量集中在fc及其諧波2fc，3fc上。 將其分配到它們四周的頻帶以減小每個頻率點的EMI幅度。此方法無法減少總干擾量，但是能量分散到了頻率點的基帶，因此每個頻率點都不會超過EMI規定的限制。為了達到降低噪聲頻譜峰值的目的，通常有兩種處理方法：隨機頻率法和調制頻率法。

●針對共模干擾的有源抑制技術：嘗試從主環路中獲得補償的EMI噪聲電壓，這將完全反轉引起電磁干擾的主開關電壓的波形，并使用其來平衡原始開關電壓。

●減少電磁干擾的緩沖電路：由線性阻抗穩定網絡組成。 它的功能是去除電源線中的潛在干擾，包含電源線干擾，快速的電氣瞬變，電涌，電壓電平變化和電源線諧波。這些干擾對通用穩壓電源影響不大，但會對高頻開關電源產生重大影響。

●濾波：EMI濾波器的主要目的之一是在150kHz至30MHz的頻率范圍內獲得較高的插入損耗，但不會衰減50Hz的工頻信號，因此可以平穩地通過額定電壓和電流。必須滿足肯定的尺寸要求。任何電源線上的傳導干擾信號都可以用差模和共模信號表示。正常情況下，差模干擾的幅度較小，頻率較低，幾乎不會產生干擾。 共模干擾具有較大的幅度和高頻，并且還會通過導線產生輻射，從而導致較大的干擾。因此，為了減少傳導干擾并將EMI信號操縱在相關EMC標準規定的極限水平以下，有效的方法是在開關電源的輸入和輸出電路中安裝電磁干擾濾波器。

●PCB設計：PCB抗干擾設計主要包含PCB布局，布線和接地，其目的是減少PCB的電磁輻射以及PCB上電路之間的串擾。切換電源布局的佳方法類似于其電氣設計。確定PCB的大小和形狀后，確定特別組件（例如各種發生器，晶體振蕩器等）的位置。）。）。后，根據電路的功能單元，布置電路的全部組件。

●元件選擇：選擇不易產生噪聲，難以傳導和輻射的元件。應非常注意繞組組件的選擇，例如二極管和變壓器。具有反向恢復電流小且恢復時間短的快速恢復二極管是用于開關電源高頻整流的理想設備。

②切斷干擾信號的傳播-共模和差模電源線濾波器設計

電源線濾波器可用于過濾電源線干擾。合理有效的開關電源EMI濾波器應對電源線差模和共模干擾具有很強的抑制作用。

③提高敏感電路的抗干擾能力

這主要包含屏蔽和接地。

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