許傳發(fā)
(山東省青島市92635部隊,山東 青島266041)
電磁兼容是指電子、電氣以及組成的系統(tǒng)在一個共同的電磁環(huán)境中同時完成各自的功能且共存的狀態(tài),即系統(tǒng)中的這些電子設(shè)備不會因為內(nèi)部或者彼此之間的電磁干擾而導致系統(tǒng)異常。其主要的內(nèi)涵有:設(shè)備或者系統(tǒng)具備電磁兼容的功能;設(shè)備或者系統(tǒng)不會產(chǎn)生超過標準的電磁干擾。
電磁兼容性就是電子產(chǎn)品、設(shè)備、系統(tǒng)在預期的電磁環(huán)境中按照設(shè)計功能進行正常工作,且不會對系統(tǒng)中的其他設(shè)備或者事物產(chǎn)生電磁干擾。電磁兼容技術(shù)的發(fā)展是伴隨著無線電、電子技術(shù)等發(fā)展起來的一門實用性工程類學科,具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
電磁兼容本質(zhì)是抗干擾問題。電磁干擾是特定的干擾源發(fā)出的干擾電磁能量,經(jīng)過耦合途徑將此能量傳輸?shù)矫舾械脑O(shè)備,使得該設(shè)備正常工作受到影響。干擾的種類有很多,主要的有大氣、雷電、宇宙等自然干擾;而系統(tǒng)中的某一個部分正常工作時發(fā)出的能量與無用能量對其他部分的干擾則是人為干擾。電磁兼容就通過對這些電磁干擾進行控制來實現(xiàn)的,所以電磁兼容技術(shù)是在認知干擾的基礎(chǔ)上,從對抗電磁干擾而形成的。其具體要求:在設(shè)計好的電磁環(huán)境中設(shè)備功能正常,各項性能沒有下降或者延緩;對電磁環(huán)境不會造成污染。
印制電路是各種電路的支撐基礎(chǔ),開關(guān)電源也是如此。電路板是電路與電氣件的連接平臺,即PCB。在開關(guān)電源中這個元件是控制電磁干擾源的重要基礎(chǔ)。因為印制電路的線路布置沒有特殊規(guī)定,也沒有專門的規(guī)則指導其布線,因此一些產(chǎn)品在設(shè)計中往往重視密度,縮小器件的體積,簡化了制作工藝,或者為了美感與均勻忽視了對其電磁兼容性能的考慮,這樣就會導致信號輻射,形成元件內(nèi)部干擾。設(shè)計不良的PCB會直接引發(fā)電磁干擾,部分問題通過增加濾波器和抑制器件都不能解決。
在設(shè)計中為了保證變壓器的體積適應(yīng)開關(guān)電源的優(yōu)化,就會利用提高功率器件的性能來優(yōu)化。如提高功率晶體管開關(guān)頻率,但是會導致電流變化頻率增加,從而導致不易控制的電磁信號。另外,高頻率的晶體管必須有散熱元件作保證,此時就會導致寄生電容的出現(xiàn),并產(chǎn)生了電壓頻率改變而增加了干擾。
在電源中功率變壓器是一個不可缺少的器件,在工作中也會產(chǎn)生電磁干擾。在變壓器的多個繞組之間必然會產(chǎn)生寄生電容,導致脈沖電流,從而導致電磁干擾,且向周圍輻射。同時變壓器兩側(cè)的配合差異會導致漏磁,且激增了功率晶體管的電壓,擴大了電磁干擾。
設(shè)計中先考慮的是PCB的體積。電路板的最佳形狀應(yīng)是矩形,且比例相對固定,以3:2或4:3為主。電路板過大則印制線條長,需要的抗阻也就增加,抗噪能力也就減弱,也帶來成本增加。過小則散熱性差,器件安裝緊密不利于兼容;在確定PCB的大小后,應(yīng)重點確定關(guān)鍵元件的位置;最后根據(jù)電路的功能單元來對所需要的電氣元件進行合理布局。
電子設(shè)備中數(shù)字電路、模擬電路、電源電路布局和布線特點是沒有一定規(guī)律的,不同的開關(guān)電源所用的方式也不同,在設(shè)計中利用措施對干擾進行控制是存在適應(yīng)性的。在開關(guān)電源中高頻和低頻電路的差異會直接導致電磁干擾的產(chǎn)生,且影響兼容方式的不同。在開關(guān)元件布置的時候應(yīng)對數(shù)字性、模擬性、電源控制等電路進行區(qū)分,對高頻電路與低頻電路進行人為的隔離。并在設(shè)計中應(yīng)將強弱干擾元件劃分開,設(shè)置特定的路徑。
開關(guān)電路中設(shè)計的最佳思路就是將無用的信號耦合降至最低或者消除,這樣就可以提高電磁兼容性。
(1)為了保證降低耦合性,就應(yīng)將低電平與高電平信號進行分開設(shè)計,保證其不直接與高電平信號元件接觸,并保證其與過沖電路進行隔離;
(2)將低電平的模擬電路與數(shù)字電路分開布置,避免模擬電路和數(shù)字電路公共回路之間產(chǎn)生較大的阻抗耦合;
(3)高中低速的邏輯運算電路應(yīng)在PCB的不同位置上;
(4)設(shè)置電路應(yīng)選擇信號線路最短;保證相鄰板、同一個板相鄰層面之間、同一層相鄰線之間不能存在過長的平行信號線路;
(5)電磁干擾濾波元件應(yīng)盡量靠近較強的信號干擾源,并設(shè)置在同一個線路板上;采用的DC/DC變換器、開關(guān)元件、整流器應(yīng)與變壓器設(shè)置在一個區(qū)域內(nèi),保證其導線的長度最短;將調(diào)壓元件和濾波電容器設(shè)置在靠近整流二極管;
(6)印制電路應(yīng)與頻率、電路開關(guān)等具有明顯特征的元件分開,電磁干擾和不會干擾的元件拉大距離;
(7)對電磁干擾相對敏感的電路或者元件應(yīng)與干擾源保持平行。
針對前面分析,晶體管中的電流變化率增加就會直接產(chǎn)生較大的電涌電壓和切換噪聲。比較常用的對電涌進行控制的措施就是對電壓進行防護,利用電磁珠的合理設(shè)置等措施對電涌進一步控制,當然是被動措施。另外,可以利用電源的拓撲技術(shù)對其進行主動的控制,如:零轉(zhuǎn)換PWM軟開關(guān)轉(zhuǎn)換,可以從根本上改變此類情況的出現(xiàn)。功率晶體管利用散熱向周圍輸出噪聲輻射,可以利用減少寄生電容的措施進行控制,因為寄生電容的容量和介質(zhì)相關(guān),與介電常數(shù)成正比,所以選擇絕緣材料應(yīng)利用導熱性好、介電常數(shù)小的,如陶瓷墊片就是很好的選擇。
功率變壓器的電磁兼容性改進,首先應(yīng)對其幾何形狀進行合理選擇,其中罐狀結(jié)構(gòu)是一種適應(yīng)低電磁干擾或者射頻干擾,因為骨架結(jié)構(gòu)的中心線圈幾乎是被鐵氧體材料包裹,從而有效降低了輻射。繞組結(jié)構(gòu)對變壓器的性能也有重要的影響,為了降低漏感的程度,功率變壓器通常要采用一種三文治式的繞組結(jié)構(gòu),如圖1(a)所示,簡單的繞組邊緣和副邊繞組構(gòu)成了磁動勢m.m.f。而圖1(b)是三層設(shè)計的繞組形式,原邊與副邊的相對磁動勢的變換曲線。如果利用簡單的繞組構(gòu)成,磁動勢會在原邊繞組的匝數(shù)增加的時候卻出現(xiàn)上升,很快就會達到兩邊繞組出現(xiàn)峰值時最大。在副邊繞組的外面,磁動勢會出現(xiàn)降低且歸零。磁動勢增加直接導致的就是電磁干擾。三層繞組的方式可以有效地降低最大峰值的出現(xiàn),在原邊的繞組中心位置歸零。三層繞組可以將原邊劃分為兩個部分,讓副邊繞組在中間。這就更好地實現(xiàn)電磁兼容,變壓器內(nèi)部的原邊、副邊之間需要增加電磁屏蔽層,以此更好地抑制電磁輻射干擾。

圖1 變壓器的繞組磁動勢分析
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備的形式不斷增加且功能也趨于復雜,應(yīng)用電子設(shè)備的領(lǐng)域也越來越廣,電磁環(huán)境也隨之變得復雜起來,電磁干擾的問題日益突出。因此電磁兼容技術(shù)也成為電子領(lǐng)域的研究重點。綜上所述,開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計應(yīng)從源頭進行控制,即切斷系統(tǒng)耦合途徑,保證設(shè)計的合理性,利用器件改進提高兼容性等,采用各種措施綜合防治才能獲得較好的兼容性。
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