開(kāi)關(guān)電源電磁兼容技術(shù)探討

許傳發(fā)

（山東省青島市92635部隊(duì)，山東 青島266041）

1 電磁兼容技術(shù)的內(nèi)涵

電磁兼容是指電子、電氣以及組成的系統(tǒng)在一個(gè)共同的電磁環(huán)境中同時(shí)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(huì)因?yàn)閮?nèi)部或者彼此之間的電磁干擾而導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(yù)期的電磁環(huán)境中按照設(shè)計(jì)功能進(jìn)行正常工作，且不會(huì)對(duì)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(wú)線電、電子技術(shù)等發(fā)展起來(lái)的一門(mén)實(shí)用性工程類(lèi)學(xué)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(wèn)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(guò)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(lèi)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(gè)部分正常工作時(shí)發(fā)出的能量與無(wú)用能量對(duì)其他部分的干擾則是人為干擾。電磁兼容就通過(guò)對(duì)這些電磁干擾進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以電磁兼容技術(shù)是在認(rèn)知干擾的基礎(chǔ)上，從對(duì)抗電磁干擾而形成的。其具體要求：在設(shè)計(jì)好的電磁環(huán)境中設(shè)備功能正常，各項(xiàng)性能沒(méi)有下降或者延緩；對(duì)電磁環(huán)境不會(huì)造成污染。

2 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的形成

2.1 印制電路中的電磁噪聲

印制電路是各種電路的支撐基礎(chǔ)，開(kāi)關(guān)電源也是如此。電路板是電路與電氣件的連接平臺(tái)，即PCB。在開(kāi)關(guān)電源中這個(gè)元件是控制電磁干擾源的重要基礎(chǔ)。因?yàn)橛≈齐娐返木€路布置沒(méi)有特殊規(guī)定，也沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的規(guī)則指導(dǎo)其布線，因此一些產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中往往重視密度，縮小器件的體積，簡(jiǎn)化了制作工藝，或者為了美感與均勻忽視了對(duì)其電磁兼容性能的考慮，這樣就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)輻射，形成元件內(nèi)部干擾。設(shè)計(jì)不良的PCB會(huì)直接引發(fā)電磁干擾，部分問(wèn)題通過(guò)增加濾波器和抑制器件都不能解決。

2.2 晶體管電磁干擾

在設(shè)計(jì)中為了保證變壓器的體積適應(yīng)開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)化，就會(huì)利用提高功率器件的性能來(lái)優(yōu)化。如提高功率晶體管開(kāi)關(guān)頻率，但是會(huì)導(dǎo)致電流變化頻率增加，從而導(dǎo)致不易控制的電磁信號(hào)。另外，高頻率的晶體管必須有散熱元件作保證，此時(shí)就會(huì)導(dǎo)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。

2.3 開(kāi)關(guān)變壓器

在電源中功率變壓器是一個(gè)不可缺少的器件，在工作中也會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在變壓器的多個(gè)繞組之間必然會(huì)產(chǎn)生寄生電容，導(dǎo)致脈沖電流，從而導(dǎo)致電磁干擾，且向周?chē)椛洹Ｍ瑫r(shí)變壓器兩側(cè)的配合差異會(huì)導(dǎo)致漏磁，且激增了功率晶體管的電壓，擴(kuò)大了電磁干擾。

3 開(kāi)關(guān)電源電磁兼容技術(shù)的應(yīng)用

3.1 印制電路設(shè)計(jì)改進(jìn)

設(shè)計(jì)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(duì)固定，以3：2或4：3為主。電路板過(guò)大則印制線條長(zhǎng)，需要的抗阻也就增加，抗噪能力也就減弱，也帶來(lái)成本增加。過(guò)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(diǎn)確定關(guān)鍵元件的位置；最后根據(jù)電路的功能單元來(lái)對(duì)所需要的電氣元件進(jìn)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(diǎn)是沒(méi)有一定規(guī)律的，不同的開(kāi)關(guān)電源所用的方式也不同，在設(shè)計(jì)中利用措施對(duì)干擾進(jìn)行控制是存在適應(yīng)性的。在開(kāi)關(guān)電源中高頻和低頻電路的差異會(huì)直接導(dǎo)致電磁干擾的產(chǎn)生，且影響兼容方式的不同。在開(kāi)關(guān)元件布置的時(shí)候應(yīng)對(duì)數(shù)字性、模擬性、電源控制等電路進(jìn)行區(qū)分，對(duì)高頻電路與低頻電路進(jìn)行人為的隔離。并在設(shè)計(jì)中應(yīng)將強(qiáng)弱干擾元件劃分開(kāi)，設(shè)置特定的路徑。

開(kāi)關(guān)電路中設(shè)計(jì)的最佳思路就是將無(wú)用的信號(hào)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(hào)進(jìn)行分開(kāi)設(shè)計(jì)，保證其不直接與高電平信號(hào)元件接觸，并保證其與過(guò)沖電路進(jìn)行隔離；

（2）將低電平的模擬電路與數(shù)字電路分開(kāi)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(yùn)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(hào)線路最短；保證相鄰板、同一個(gè)板相鄰層面之間、同一層相鄰線之間不能存在過(guò)長(zhǎng)的平行信號(hào)線路；

（5）電磁干擾濾波元件應(yīng)盡量靠近較強(qiáng)的信號(hào)干擾源，并設(shè)置在同一個(gè)線路板上；采用的DC／DC變換器、開(kāi)關(guān)元件、整流器應(yīng)與變壓器設(shè)置在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，保證其導(dǎo)線的長(zhǎng)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(kāi)關(guān)等具有明顯特征的元件分開(kāi)，電磁干擾和不會(huì)干擾的元件拉大距離；

（7）對(duì)電磁干擾相對(duì)敏感的電路或者元件應(yīng)與干擾源保持平行。

3.2 功率晶體管的設(shè)計(jì)

針對(duì)前面分析，晶體管中的電流變化率增加就會(huì)直接產(chǎn)生較大的電涌電壓和切換噪聲。比較常用的對(duì)電涌進(jìn)行控制的措施就是對(duì)電壓進(jìn)行防護(hù)，利用電磁珠的合理設(shè)置等措施對(duì)電涌進(jìn)一步控制，當(dāng)然是被動(dòng)措施。另外，可以利用電源的拓?fù)浼夹g(shù)對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)的控制，如：零轉(zhuǎn)換PWM軟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，可以從根本上改變此類(lèi)情況的出現(xiàn)。功率晶體管利用散熱向周?chē)敵鲈肼曒椛洌梢岳脺p少寄生電容的措施進(jìn)行控制，因?yàn)榧纳娙莸娜萘亢徒橘|(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(dǎo)熱性好、介電常數(shù)小的，如陶瓷墊片就是很好的選擇。

3.3 功率變壓器的兼容設(shè)計(jì)

功率變壓器的電磁兼容性改進(jìn)，首先應(yīng)對(duì)其幾何形狀進(jìn)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?yàn)楣羌芙Y(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(duì)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(jiǎn)單的繞組邊緣和副邊繞組構(gòu)成了磁動(dòng)勢(shì)m.m.f。而圖1（b）是三層設(shè)計(jì)的繞組形式，原邊與副邊的相對(duì)磁動(dòng)勢(shì)的變換曲線。如果利用簡(jiǎn)單的繞組構(gòu)成，磁動(dòng)勢(shì)會(huì)在原邊繞組的匝數(shù)增加的時(shí)候卻出現(xiàn)上升，很快就會(huì)達(dá)到兩邊繞組出現(xiàn)峰值時(shí)最大。在副邊繞組的外面，磁動(dòng)勢(shì)會(huì)出現(xiàn)降低且歸零。磁動(dòng)勢(shì)增加直接導(dǎo)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(gè)部分，讓副邊繞組在中間。這就更好地實(shí)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(dòng)勢(shì)分析

4 結(jié)束語(yǔ)

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(fù)雜，應(yīng)用電子設(shè)備的領(lǐng)域也越來(lái)越廣，電磁環(huán)境也隨之變得復(fù)雜起來(lái)，電磁干擾的問(wèn)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(diǎn)。綜上所述，開(kāi)關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)從源頭進(jìn)行控制，即切斷系統(tǒng)耦合途徑，保證設(shè)計(jì)的合理性，利用器件改進(jìn)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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