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電子線路與電磁干擾/電磁相容設計分析

上網時間: 2004年10月15日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電磁干擾  電磁相容設計  EMI  EMC  開關電源 

一個好的電子產品,除了產品自身的功能以外,電路設計和電磁相容性(EMC)設計技術水準,對產品的品質和技術性能指標起到非常關鍵的作用。本文透過舉例對開關電源電磁相容設計,介紹了一般電子產品中電磁干擾的解決方法。

現代的電子產品,功能越來越強大,電子線路也越來越複雜,電磁干擾(EMI)和電磁相容性問題變成了主要問題,電路設計對設計師的技術水準要求也越來越高。先進的電腦輔助設計(CAD)在電子線路設計方面很大程度地拓寬了電路設計師的工作能力,但對於電磁相容設計幫助卻很有限。

電磁相容設計實際上就是針對電子產品中產生的電磁干擾進行最佳化設計,使之能成為符合各國或地區電磁相容性標準的產品。EMC的定義是:在同一電磁環境中,設備能夠不因為其它設備的干擾影響正常工作,同時也不對其它設備產生影響工作的干擾。

電磁干擾一般都分為兩種,傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指透過導電介質把一個電網路上的訊號耦合(干擾)到另一個電網路。輻射干擾是指干擾源透過空間把其訊號耦合(干擾)到另一個電網路。因此對EMC問題的研究就是對干擾源、耦合途徑、感應設備三者之間關係的研究。

美國聯邦通訊委員會在1990年、歐盟在1992提出了對商業數位產品的有關規章,這些規章要求各個公司確保他們的產品符合嚴格的磁化係數和發射準則。符合這些規章的產品稱為具有電磁相容性。

目前全球各地區基本都設置了EMC相應的市場準入認証,用以保護本地區的電磁環境和本土產品的競爭優勢。如:北美的FCC、NEBC認証、歐盟的CE認証、日本的VCCEI認証、澳洲的C-tick人証、台灣地區的BSMI認証、中國的3C認証等都是進入這些市場的‘通行証’。

電磁感應與電磁干擾

很多人從事電子線路設計時候,都是從認識電子零組件開始,但從事電磁相容設計實際上應從電磁場理論開始,即從電磁感應認識開始。

一般電子線路都是由電阻器、電容器、電感器、變壓器、主動元件和導線組成,當電路中有電壓存在的時候,在所有帶電的零組件周圍都會產生電場,當電路中有電流流過的時候,在所有載流體的周圍都存在磁場。

電容器是電場最集中的元件,流過電容器的電流是位移電流,這個位移電流是由於電容器的兩個極板帶電,並在兩個極板之間產生電場,透過電場感應,兩個極板會產生充放電,形成位移電流。實際上電容器迴路中的電流並沒有真正流過電容器,而只是對電容器進行充放電。當電容器的兩個極板張開時,可以把兩個極板看成是一組電場輻射天線,此時在兩個極板之間的電路都會對極板之間的電場產生感應。在兩極板之間的電路不管是閉合迴路,或者是開路,在與電場方向一致的導體中都會產生位移電流(當電場的方向不斷改變時),即電流一會兒向前跑,一會兒向後跑。

電場強度的定義是電位梯度,即兩點之間的電位差與距離之比。一根數米長的導線,當其流過數安培的電流時,其兩端電壓最多也只有零點幾伏,即幾十毫伏/米的電場強度,就可以在導體內產生數安培的電流,可見電場作用效力之大,其干擾能力之強。

電感器和變壓器是磁場最集中的元件,流過變壓器次級線圈的電流是感應電流,這個感應電流是因為變壓器初級線圈中有電流流過時,產生磁感應而產生的。在電感器和變壓器周邊的電路,都可看成是一個變壓器的感應線圈,當電感器和變壓器漏感產生的磁力線穿過某個電路時,此電路作為變壓器的‘次級線圈’就會產生感應電流。兩個相鄰迴路的電路,也同樣可以把其中的一個迴路看成是變壓器的‘初級線圈’,而另一個迴路可以看成是變壓器的‘次級線圈’,因此兩個相鄰迴路同樣產生電磁感應,即互相產生干擾。

在電子線路中只要有電場或磁場存在,就會產生電磁干擾。在高速PCB及系統設計中,高頻訊號線、積體電路的接腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源,能發射電磁波並影響其它系統或本系統內其他子系統的正常工作。

開關電源EMC設計實例

目前大多數電子產品都選用開關電源供電,以節省能源和提高工作效率;同時越來越多的產品也都含有數位電路,以提供更多的應用功能。開關電源電路和數位電路中的時脈電路是目前電子產品中最主要的電磁干擾源,它們是電磁相容設計主要內容。下面我們以一個開關電源的電磁相容設計過程來進行分析。

圖1是一個普遍應用的反激式(或稱為回掃式)開關電源工作原理圖,50Hz或60Hz交流電網電壓首先經整流堆整流,並向儲能濾波電容器C5充電,然後向變壓器T1與開關管V1組成的負載迴路供電。圖2是進行過電磁相容設計後的電氣原理圖。

1、對電流諧波的抑制

一般電容器C5的容量很大,其兩端電壓紋波很小,大約只有輸入電壓的10%左右,而僅當輸入電壓Ui大於電容器C5兩端電壓的時候,整流二極體才導通,因此在輸入電壓的一個周期內,整流二極體的導通時間很短,即導通角很小。這樣整流電路中將出現脈衝尖峰電流,如圖3所示。

這種脈衝尖峰電流如用傅立葉級數展開,將被看成由非常多的高次諧波電流組成,這些諧波電流將會降低電源設備的使用效率,即功率因子很低,並會倒灌到電網,對電網產生污染,嚴重時還會引起電網頻率的波動,即交流電源閃爍。脈衝電流諧波和交流電源閃爍測試標準為:IEC61000-3-2及IEC61000-3-3。一般測試脈衝電流諧波的上限是40次諧波頻率。

解決整流電路中出現脈衝尖峰電流過大的方法是在整流電路中串聯一個功率因子校正(PFC)電路,或差模濾波電感器。PFC電路一般為一個並聯式升壓開關電源,其輸出電壓一般為直流400V,沒有經功率因子校正之前的電源設備,其功率因子一般只有0.4~0.6,經校正後最高可達到0.98。PFC電路雖然可以解決整流電路中出現脈衝尖峰電流過大的問題,但又會帶來新的高頻干擾問題,這同樣也要進行嚴格的EMC設計。用差模濾波電感器可以有效地抑制脈衝電流的峰值,因而降低電流諧波干擾,但不能提高功率因子。

圖2中的L1為差模濾波電感器,差模濾波電感器一般用矽鋼片材料製作,以提高電感量,為了防止大電流流過差模濾波電感器時產生磁飽和,一般差模濾波電感器的兩個組線圈都各自留有一個漏感磁迴路。

L1差模濾波電感可根據試驗求得,也可以根據下式進行運算:


E=L*di/dt (1)


式中E為輸入電壓Ui與電容器C5兩端電壓的差值,即L1兩端的電壓降,L為電感量,di/dt為電流上升率。顯然,要求電流上升率越小,則要求電感量就越大。

2、對振鈴電壓的抑制

由於變壓器的初級有漏感,當電源開關管V1由飽和導通到截止切斷時會產生反電動勢,反電動勢又會對變壓器初級線圈的分佈電容器進行充放電,因而產生阻尼振盪,即產生振鈴,如圖4所示。變壓器初級漏感產生反電動勢的電壓幅度一般都很高,其能量也很大,如不採取保護措施,反電動勢一般都會把電源開關管擊穿,同時反電動勢產生的阻尼振盪還會產生很強的電磁輻射,不但對機器本身造成嚴重干擾,對機器周邊環境也會產生嚴重的電磁干擾。

圖2中的D1、R2、C6是抑制反電動勢和振鈴電壓幅度的有效電路,當變壓器初級漏感產生反電動勢時,反電動勢透過二極體D1對電容器C6進行充電,相當於電容器把反電動勢的能量吸收掉,因而降低了反電動勢和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿電後,又會透過R2放電,正確選擇RC放電的時間常數,使電容器在下次充電時的剩餘電壓剛好等於方波電壓的幅度,此時電源的工作效率最高。

3、對傳導干擾訊號的抑制

圖1中,當電源開關管V1導通或者切斷時,在電容器C5、變壓器T1的初級和電源開關管V1組成的電路中會產生脈動直流i1,如果把此電流迴路看成是一個變壓器的‘初級線圈’,由於電流i1的變化速率很高,它在‘初級線圈’中產生的電磁感應,也會對周圍電路產生電磁感應,我們可以把周圍電路都看成是同一變壓器的多個‘次級線圈’,同時變壓器T1的漏感也同樣對各個‘次級線圈’產生感應作用,因此電流i1透過電磁感應,在每個‘次級線圈’中都會產生的感應電流,我們分別把它們記為i2、i3、i4...。

其中i2和i3是差模干擾訊號,它們可以透過兩根電源線傳導到電網的其它線路之中和干擾其它電子設備;i4是共模干擾訊號,它是電流i1迴路透過電磁感應其它電路與大地或機殼組成的迴路產生的,並且其它電路與大地或機殼是透過電容器耦合構成迴路的,共模干擾訊號可以透過電源線與大地傳導到電網其它線路之中和干擾其它電子設備。

與電源開關管V1的集電極相連的電路,也是產生共模干擾訊號的主要原因,因為在整個開關電源電路中,數電源開關管V1集電極的電位最高,最高可達600V以上,其它電路的電位都比它低,因此電源開關管V1的集電極與其它電路(也包括電源輸入端的接腳)之間存在很強的電場,在電場的作用下,電路會產生位移電流,這個位移電流基本屬於共模干擾訊號。

圖2中的電容器C1、C2和差模電感器L1對i1、i2和i3差模干擾訊號有很強的抑制能力。由於C1、C2在電源線拔出時還會帶電,容易觸電傷人,所以在電源輸入的兩端要接一個放電電阻R1。

對共模干擾訊號i4要進行完全抑制,一般很困難,特別是沒有金屬機殼屏蔽的情況下,因為在感應產生共模干擾訊號的迴路中,其中的一個‘零組件’是線路板與大地之間的等效電容器,此‘零組件’的數值一般是不穩定的,進行設計時對指標要留有足夠的餘量。圖2中L2和C3、C4是共模干擾訊號抑制電路元件,在輸入功率較大的電路中,L2一般要用兩個,甚至三個,其中一個多為環形磁心電感。

根據上面分析,產生電磁干擾的原因主要是i1流過的主要迴路,這個迴路主要由電容器C5、變壓器T1初級和電源開關管V1組成,根據電磁感應原理,這個迴路產生的感應電動勢為:

e=dψ/dt=S*dB/dt (2)

式中e為感應電動勢,ψ為磁通量,S電流迴路的面積,B為磁感應密度,其值與電流強度成正比,dψ/dt為磁通變化率。由此可見,感應電動勢與電流迴路的面積成正比。因此要減少電磁干擾,首先是要設法減少電流迴路的面積,特別是i1電流流過的迴路面積。另外,為了減少變壓器漏感對周圍電路產生電磁感應的影響,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周邊包一層薄銅皮,以構成一個低阻抗短路線圈,把漏感產生的感應能量透過渦流損耗掉。

4、對輻射干擾訊號的抑制

電磁輻射干擾也是透過電磁感應的方式,由帶電體或電流迴路及磁感應迴路對外產生電磁輻射的。任何一根導體都可以看成是一根電磁感應天線,任何一個電流迴路都可以看成是一個環形天線,電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應輻射的重要元件。要想完全抑制電磁輻射是不可能的,但透過對電路進行合理設計,或者採取部份屏蔽措施,可以大幅減輕電磁干擾的輻射。

例如,盡量縮短電路接腳的長度和減少電流迴路的面積,是減少電磁輻射的有效方法;正確使用儲能濾波電容器,把儲能濾波電容器盡量近地安裝在主動元件電源接腳的兩端,每個主動元件獨立供電,或單獨用一個儲能濾波電容器供電(充滿電的電容器可以看成是一個獨立電源),防止各電路中的主動元件(放大器)透過電源線和地線產生串擾;把電源接腳的地和訊號源的地嚴格分開,或對訊號接腳採取雙線平行對中交叉的方法,讓干擾訊號互相抵銷,也是一種減少電磁輻射的有效方法;利用散熱片也可以對電磁干擾進行局部屏蔽,對訊號接腳還可以採取雙地線平行屏蔽的方法,讓訊號線夾在兩條平行地線的中間,這相當於雙迴路,干擾訊號也會互相抵銷,屏蔽效果非常顯著;機器或感應元件採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塗導電材料(如石墨)進行電磁干擾屏蔽。

5、對高壓的靜電的消除

圖1中,如果輸出電壓高於1,000V,必須考慮靜電消除。雖然大多數的開關電源都採取變壓器進行‘冷熱地’隔離,由於‘熱地’也叫初級地,透過電網可構成迴路,當人體接觸到初級地的時候會觸電,所以人們都把初級地叫做熱地,表示不能觸控的意思。而冷地也叫次級地,儘管電壓很高,但它與大地不構成迴路,當人體接觸到次級地的時候不會觸電,因此,人們都把次級地叫做冷地,表示可以觸控的意思。

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,即還是會帶電。如彩色電視機中的開關電源,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’帶電比較好理解,而‘冷地’帶電一般人是難以理解的。那麼冷地帶電這個電壓是怎樣產生的呢?這個電壓是由變壓器次級產生的,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的中間。這一點稱為電源的‘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於輸出電壓的一半,如電視機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器(顯像管石墨層之間的電容器)的中間,或高壓包的中間抽頭處,由此可以求出電視機中的冷地與地之間的電壓(靜電)大約為1,5000V。同理,熱地迴路的浮地是在儲能濾波電容器C5的中間,所以熱地正常的帶電電壓為整流輸出的一半,約為200 VP(峰值),如把開關管導通或截止時產生的反電動勢也疊加在其之上,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態電阻。一般數位電路IC的耐壓都很低,如果冷地帶電的電壓很高,透過靜電感應,或人體觸控,很容易就會把IC擊穿。

冷地帶電是屬於靜電的範疇,它只相當於對一個小電容器充電,這個小電容器的一端是大地,電容器量相當於冷地對大地之間的等效電容器。另外,圖2中的C1、C2、C3、C4、C8、R1、R8、T1屬於安全元件,使用時要注意安全要求。

EMC常用標準:


EMC通用系列標準:IEC61000-4-X


產業環境抗擾度通用標準:EN50082-2


脈衝電流諧波測試標準:IEC61000-3-2


交流電源閃爍測試標準:IEC61000-3-3

作者:陶顯芳


康佳集團




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