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開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計經(jīng)驗談（二）

日期：2024-10-19 08:06
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摘要：7. 接觸器、繼電器等其它開關(guān)器件電磁兼容設(shè)計 繼電器、接觸器、風(fēng)機(jī)等在掉電后，其線圈將產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而產(chǎn)生電磁干擾，為此在直流線圈兩端反并聯(lián)一個二極管或RC吸收電路，在交流線圈兩端并聯(lián)一個壓敏電阻用于吸收線圈掉電后產(chǎn)生的電壓尖峰。同時要注意如果接觸器線圈電源與輔助電源的輸入電源為同一個電源，之間*好通過一個EMI濾波器。繼電器觸頭動作時也將產(chǎn)生電磁干擾，因此要在觸頭兩端增加RC吸收回路。 8. 開關(guān)電源箱體結(jié)構(gòu)的電磁兼容設(shè)計 材料選擇：沒有“磁絕緣”材料，電磁屏蔽是利用“磁短路”的原理，來切斷電磁干...
7. 接觸器、繼電器等其它開關(guān)器件電磁兼容設(shè)計

繼電器、接觸器、風(fēng)機(jī)等在掉電后，其線圈將產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而產(chǎn)生電磁干擾，為此在直流線圈兩端反并聯(lián)一個二極管或RC吸收電路，在交流線圈兩端并聯(lián)一個壓敏電阻用于吸收線圈掉電后產(chǎn)生的電壓尖峰。同時要注意如果接觸器線圈電源與輔助電源的輸入電源為同一個電源，之間*好通過一個EMI濾波器。繼電器觸頭動作時也將產(chǎn)生電磁干擾，因此要在觸頭兩端增加RC吸收回路。

8. 開關(guān)電源箱體結(jié)構(gòu)的電磁兼容設(shè)計

材料選擇：沒有“磁絕緣”材料，電磁屏蔽是利用“磁短路”的原理，來切斷電磁干擾在設(shè)備內(nèi)部與外界空氣中的傳播路徑。在進(jìn)行開關(guān)電源的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要充分考慮對電磁干擾的屏蔽效能，對于屏蔽材料的選擇原則是，當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時，選用高電導(dǎo)率的金屬材料，屏蔽效果較好;當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時，要采用高導(dǎo)磁率的金屬材料，屏蔽效果較好;在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，往往采用高電導(dǎo)率和高導(dǎo)磁率的金屬材料組成多層屏蔽體。

孔洞、縫隙、搭接處理方法：采用電磁屏蔽方法無需重新設(shè)計電路，便可達(dá)到很好的電磁兼容效果。理想的電磁屏蔽體是一個無縫隙、無孔洞、無透入的導(dǎo)電連續(xù)體，低阻抗的金屬密封體，但是一個完全密封的屏蔽體是沒有實用價值的，因為在開關(guān)電源設(shè)備中，有輸入、輸出線過孔、散熱通風(fēng)孔等孔洞，以及箱體結(jié)構(gòu)部件之間的搭接縫隙，如果不采取措施將會產(chǎn)生電磁泄漏，使箱體的屏蔽效能降低、甚至完全喪失。因此在開關(guān)電源箱體設(shè)計時，金屬板之間的搭接*好采用焊接，無法焊接時要使用電磁密封墊或其它的屏蔽材料，箱體上的開孔要小于要屏蔽的電磁波的波長的1/2，否則屏蔽效果將大大降低;對于通風(fēng)孔，在屏蔽要求不高時可以使用穿孔金屬板或金屬化絲網(wǎng)，在要求既要屏蔽效能高，又要通風(fēng)效果好時選用截至波導(dǎo)管等方法，提高屏蔽體的屏蔽效能。如果箱體的屏蔽效能仍無法滿足要求時，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對開關(guān)電源整個箱體的屏蔽之外，還可以對電源設(shè)備內(nèi)部的元件、部件等干擾源或敏感設(shè)備進(jìn)行局部屏蔽。

在進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，針對設(shè)備上所有會受到靜電放電試驗的部分，設(shè)計出一條低阻抗的電流泄放路徑，箱體必須有可靠的接地措施，并且要保證接地線的載流能力，同時將敏感電路或元件遠(yuǎn)離這些泄放回路，或?qū)ζ洳捎秒妶銎帘未胧τ诮Y(jié)構(gòu)件的表面處理，一般主要電鍍銀、鋅、鎳、鉻、錫，這需要從導(dǎo)電性能、電化學(xué)反應(yīng)、成本及電磁兼容性等多方面考慮后做出選擇。
9. 元器件布局與布線中的電磁兼容設(shè)計：

對于開關(guān)電源設(shè)備內(nèi)部元器件的布局必須整體考慮電磁兼容性的要求，設(shè)備內(nèi)部的干擾源會通過輻射和串?dāng)_等途徑影響其它元件或部件的工作，研究表明，在離干擾源一定距離時，干擾源的能量將大大衰減，因此合理的布局有利于減小電磁干擾的影響。
EMI輸入輸出濾波器*好安裝在金屬機(jī)箱的入口處，并保證其輸入線與輸出線電磁環(huán)境的屏蔽隔離。

敏感電路或元件要遠(yuǎn)離發(fā)熱源。

對于開關(guān)電源產(chǎn)品，我們一般須遵守以下布線原則：
9.1 主電路輸入線與輸出線分開走線。
9.2 EMI濾波器輸入線與輸出線分開走線。
9.3 主電路線與控制信號線分開走線。
9.4 高壓脈沖信號線*好分開單獨(dú)走線。
9.5 分開布線的原則是避免平行走線，可以垂直交叉，線束之間距離在20mm以上。
9.6 電纜不要貼著金屬外殼和散熱器走線，保證一定距離。
9.7 雙絞線、同軸電纜及帶狀電纜在EMC設(shè)計中的使用


雙絞線的使用

雙絞線、同軸電纜都能有效的抑制電磁干擾。在脈沖信號傳輸線路中常使用雙絞線，控制輔助電源線和傳感器信號線*好用雙絞屏蔽線。因為雙絞線兩根線之間有很小的回路面積，而且雙絞線的每兩個相鄰的回路上感應(yīng)出的電流具有大小相等、方向相反，產(chǎn)生的磁場相互抵消，這樣就可以減小因輻射引起的差模干擾，不過雙絞線絞合的圈數(shù)*好為偶數(shù)，且每單位波長所絞合的圈數(shù)愈多，消除耦合的效果愈好。使用時注意雙絞線和同軸電纜兩端不能同時接地，只能單端接地，而對屏蔽線，屏蔽層兩端接地能既能屏蔽電場還能屏蔽磁場，單端接地只能屏蔽電場。使用同軸電纜時還要注意，其屏蔽層必須完全包覆信號線接地，即接頭與電纜屏蔽層必須 3600搭接，才能有效屏蔽電磁場，如圖所示，信號線裸露部分仍可以與外界形成互容耦合，降低屏蔽效能。

帶狀電纜適合于短距離的信號傳輸，我們知道為了降低差模信號的電磁輻射，必須減小信號線和信號回流線所形成的回路面積，因此在設(shè)計帶狀電纜布局時，*好將信號線與接地線間隔排列。如圖所示，其中S為信號線，G為信號地線。


信號線與接地線間隔排列

10.元器件的選擇

熱傳播的方式有傳導(dǎo)、對流和輻射，熱輻射是以電磁波的形式向空中傳播的，熱傳導(dǎo)也會向周圍其它元件傳導(dǎo)熱量，這些都會影響其它元器件或電路的正常工作，因此從元器件熱設(shè)計方面考慮要盡量留有較大余量，以降低元器件的溫升及器件表面的溫度，除元器件對溫升有特殊要求外，一般開關(guān)電源要求內(nèi)部元件溫度小于 90℃，內(nèi)部環(huán)境溫度不超過65℃，以減小熱輻射干擾。

對數(shù)字集成電路，從電磁兼容性角度看應(yīng)多選用高噪聲容限的CMOS器件代替低噪聲容限的TTL器件。

盡量使用低速、窄帶元件和電路。

選用分布電感較小的SMP元件，選用高頻特性好、等效串聯(lián)電感低的陶瓷介質(zhì)電容器、高頻無感電容器、三端電容器和穿心電容器等作濾波電容。

11.控制電路及PCB的電磁兼容設(shè)計

信號地是指信號電流流回信號源的一條低阻抗路徑。在設(shè)計中往往由于接地方法不恰當(dāng)而產(chǎn)生地環(huán)路干擾和公共阻抗耦合干擾。因此要合理選用接地方式，接地的方式有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。

地環(huán)路干擾：常發(fā)生在通過較長電纜連接，地相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間。原因是由于地環(huán)路電流的存在，使兩個設(shè)備的地電位不同。通常用光電耦合器或隔離變壓器進(jìn)行“地”隔離，消除地環(huán)路干擾。由于隔離變壓器繞組之間寄生電容較大，即使采取屏蔽措施的隔離變壓器通常也只用于1MHZ以下的信號隔離，超過1MHZ時多采用光電耦合器隔離。

公共阻抗耦合：當(dāng)兩個電路的地電流流過一個公共阻抗時，就會發(fā)生公共阻抗耦合。由于地線是信號回流線，一個電路的工作狀態(tài)必然會影響地線電壓，當(dāng)兩個電路共用一段地線時，地線的電壓就會同時受到兩個電路工作狀態(tài)的影響。

可見無論是地環(huán)路干擾還是公共阻抗耦合問題都是由于地線阻抗引起的，因此在設(shè)計時一定要考慮盡量降低地線阻抗與感抗。

如何減小控制電源噪聲：電源線上有電流突變，就會產(chǎn)生噪聲電壓。在靠近芯片的位置增加解耦電容，能有效減小噪聲。如果是高頻電流負(fù)載，則采用多個同容量的高頻電容和無感電容并聯(lián)能獲得更好的效果。注意電容容量并非越大越好，主要根據(jù)其諧振頻率、提供脈沖電流頻率來選擇。

印制板合理的布置地線將能有效的減小印制板的輻射以及提高其抗輻射干擾能力，請注意

  • 布置地線網(wǎng)絡(luò)：在雙面板的兩面布置*多的平行地線。

  • 對于一些關(guān)鍵信號(如脈沖信號和對外界較敏感的電平信號)的地線的布置必須盡量縮小引線長度，減小信號的回流面積。如果是雙面板，地線和信號線可以在印制板兩面并聯(lián)平行走線。

  • 若是多層線路板，且既有數(shù)字地又有模擬地，則數(shù)字地和模擬地必須布置在同一層，減小它們之間的耦合干擾。

  • 在實際電路中常發(fā)生公共阻抗耦合，因此要根據(jù)實際情況選擇正確的接地方式。



12.其它方法

12.1.IGBT，MOSFET等開關(guān)元件的驅(qū)動脈沖信號增加一個-5V～-10V的負(fù)電平，提高驅(qū)動信號的抗干擾能力?；蝌?qū)動信號采用光纖傳輸技術(shù)，光纖適宜于遠(yuǎn)距離傳輸，具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

12.2.通過軟件的編程技術(shù)，提高開關(guān)電源的抗干擾能力，為了防止電平信號中的毛刺，引起軟件的誤判斷及誤動作，可以通過多次采樣等數(shù)字濾波方法來濾除干擾信號。


五 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了隔離式DC/DC變換器存在的電磁干擾源及其產(chǎn)生機(jī)理，并詳細(xì)介紹了針對其主電路和控制電路的電磁兼容設(shè)計方法，這些方法對其它電子產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。


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