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開(kāi)關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(kāi)關(guān)器件電磁兼容設(shè)計(jì) 繼電器、接觸器、風(fēng)機(jī)等在掉電后，其線(xiàn)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(xiàn)圈兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管或RC吸收電路，在交流線(xiàn)圈兩端并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻用于吸收線(xiàn)圈掉電后產(chǎn)生的電壓尖峰。同時(shí)要注意如果接觸器線(xiàn)圈電源與輔助電源的輸入電源為同一個(gè)電源，之間*好通過(guò)一個(gè)EMI濾波器。繼電器觸頭動(dòng)作時(shí)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(kāi)關(guān)電源箱體結(jié)構(gòu)的電磁兼容設(shè)計(jì) 材料選擇：沒(méi)有“磁絕緣”材料，電磁屏蔽是利用“磁短路”的原理，來(lái)切斷電磁干...
7. 接觸器、繼電器等其它開(kāi)關(guān)器件電磁兼容設(shè)計(jì)

繼電器、接觸器、風(fēng)機(jī)等在掉電后，其線(xiàn)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(xiàn)圈兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管或RC吸收電路，在交流線(xiàn)圈兩端并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻用于吸收線(xiàn)圈掉電后產(chǎn)生的電壓尖峰。同時(shí)要注意如果接觸器線(xiàn)圈電源與輔助電源的輸入電源為同一個(gè)電源，之間*好通過(guò)一個(gè)EMI濾波器。繼電器觸頭動(dòng)作時(shí)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(kāi)關(guān)電源箱體結(jié)構(gòu)的電磁兼容設(shè)計(jì)

材料選擇：沒(méi)有“磁絕緣”材料，電磁屏蔽是利用“磁短路”的原理，來(lái)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(kāi)關(guān)電源的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮對(duì)電磁干擾的屏蔽效能，對(duì)于屏蔽材料的選擇原則是，當(dāng)干擾電磁場(chǎng)的頻率較高時(shí)，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(shí)，要采用高導(dǎo)磁率的金屬材料，屏蔽效果較好;在某些場(chǎng)合下，如果要求對(duì)高頻和低頻電磁場(chǎng)都具有良好的屏蔽效果時(shí)，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(wú)需重新設(shè)計(jì)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(gè)無(wú)縫隙、無(wú)孔洞、無(wú)透入的導(dǎo)電連續(xù)體，低阻抗的金屬密封體，但是一個(gè)完全密封的屏蔽體是沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的，因?yàn)樵陂_(kāi)關(guān)電源設(shè)備中，有輸入、輸出線(xiàn)過(guò)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(huì)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(kāi)關(guān)電源箱體設(shè)計(jì)時(shí)，金屬板之間的搭接*好采用焊接，無(wú)法焊接時(shí)要使用電磁密封墊或其它的屏蔽材料，箱體上的開(kāi)孔要小于要屏蔽的電磁波的波長(zhǎng)的1/2，否則屏蔽效果將大大降低;對(duì)于通風(fēng)孔，在屏蔽要求不高時(shí)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(shí)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(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對(duì)開(kāi)關(guān)電源整個(gè)箱體的屏蔽之外，還可以對(duì)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(jì)時(shí)，針對(duì)設(shè)備上所有會(huì)受到靜電放電試驗(yàn)的部分，設(shè)計(jì)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(xiàn)的載流能力，同時(shí)將敏感電路或元件遠(yuǎn)離這些泄放回路，或?qū)ζ洳捎秒妶?chǎng)屏蔽措施。對(duì)于結(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(xiàn)中的電磁兼容設(shè)計(jì)：

對(duì)于開(kāi)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(huì)通過(guò)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(shí)，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(xiàn)與輸出線(xiàn)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(duì)于開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，我們一般須遵守以下布線(xiàn)原則：
9.1 主電路輸入線(xiàn)與輸出線(xiàn)分開(kāi)走線(xiàn)。
9.2 EMI濾波器輸入線(xiàn)與輸出線(xiàn)分開(kāi)走線(xiàn)。
9.3 主電路線(xiàn)與控制信號(hào)線(xiàn)分開(kāi)走線(xiàn)。
9.4 高壓脈沖信號(hào)線(xiàn)*好分開(kāi)單獨(dú)走線(xiàn)。
9.5 分開(kāi)布線(xiàn)的原則是避免平行走線(xiàn)，可以垂直交叉，線(xiàn)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(xiàn)，保證一定距離。
9.7 雙絞線(xiàn)、同軸電纜及帶狀電纜在EMC設(shè)計(jì)中的使用


雙絞線(xiàn)的使用

雙絞線(xiàn)、同軸電纜都能有效的抑制電磁干擾。在脈沖信號(hào)傳輸線(xiàn)路中常使用雙絞線(xiàn)，控制輔助電源線(xiàn)和傳感器信號(hào)線(xiàn)*好用雙絞屏蔽線(xiàn)。因?yàn)殡p絞線(xiàn)兩根線(xiàn)之間有很小的回路面積，而且雙絞線(xiàn)的每?jī)蓚€(gè)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(chǎng)相互抵消，這樣就可以減小因輻射引起的差模干擾，不過(guò)雙絞線(xiàn)絞合的圈數(shù)*好為偶數(shù)，且每單位波長(zhǎng)所絞合的圈數(shù)愈多，消除耦合的效果愈好。使用時(shí)注意雙絞線(xiàn)和同軸電纜兩端不能同時(shí)接地，只能單端接地，而對(duì)屏蔽線(xiàn)，屏蔽層兩端接地能既能屏蔽電場(chǎng)還能屏蔽磁場(chǎng)，單端接地只能屏蔽電場(chǎng)。使用同軸電纜時(shí)還要注意，其屏蔽層必須完全包覆信號(hào)線(xiàn)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(chǎng)，如圖所示，信號(hào)線(xiàn)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(hào)傳輸，我們知道為了降低差模信號(hào)的電磁輻射，必須減小信號(hào)線(xiàn)和信號(hào)回流線(xiàn)所形成的回路面積，因此在設(shè)計(jì)帶狀電纜布局時(shí)，*好將信號(hào)線(xiàn)與接地線(xiàn)間隔排列。如圖所示，其中S為信號(hào)線(xiàn)，G為信號(hào)地線(xiàn)。


信號(hào)線(xiàn)與接地線(xiàn)間隔排列

10.元器件的選擇

熱傳播的方式有傳導(dǎo)、對(duì)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(huì)向周?chē)渌鲗?dǎo)熱量，這些都會(huì)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(jì)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(duì)溫升有特殊要求外，一般開(kāi)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(guò)65℃，以減小熱輻射干擾。

對(duì)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(wú)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(jì)

信號(hào)地是指信號(hào)電流流回信號(hào)源的一條低阻抗路徑。在設(shè)計(jì)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(guò)較長(zhǎng)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(gè)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(hào)隔離，超過(guò)1MHZ時(shí)多采用光電耦合器隔離。

公共阻抗耦合：當(dāng)兩個(gè)電路的地電流流過(guò)一個(gè)公共阻抗時(shí)，就會(huì)發(fā)生公共阻抗耦合。由于地線(xiàn)是信號(hào)回流線(xiàn)，一個(gè)電路的工作狀態(tài)必然會(huì)影響地線(xiàn)電壓，當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線(xiàn)時(shí)，地線(xiàn)的電壓就會(huì)同時(shí)受到兩個(gè)電路工作狀態(tài)的影響。

可見(jiàn)無(wú)論是地環(huán)路干擾還是公共阻抗耦合問(wèn)題都是由于地線(xiàn)阻抗引起的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮盡量降低地線(xiàn)阻抗與感抗。

如何減小控制電源噪聲：電源線(xiàn)上有電流突變，就會(huì)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(gè)同容量的高頻電容和無(wú)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(lái)選擇。

印制板合理的布置地線(xiàn)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(qǐng)注意

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

  • 對(duì)于一些關(guān)鍵信號(hào)(如脈沖信號(hào)和對(duì)外界較敏感的電平信號(hào))的地線(xiàn)的布置必須盡量縮小引線(xiàn)長(zhǎng)度，減小信號(hào)的回流面積。如果是雙面板，地線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)可以在印制板兩面并聯(lián)平行走線(xiàn)。

  • 若是多層線(xiàn)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(shí)際電路中常發(fā)生公共阻抗耦合，因此要根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的接地方式。



12.其它方法

12.1.IGBT，MOSFET等開(kāi)關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)增加一個(gè)-5V～-10V的負(fù)電平，提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的抗干擾能力?；蝌?qū)動(dòng)信號(hào)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(guò)軟件的編程技術(shù)，提高開(kāi)關(guān)電源的抗干擾能力，為了防止電平信號(hào)中的毛刺，引起軟件的誤判斷及誤動(dòng)作，可以通過(guò)多次采樣等數(shù)字濾波方法來(lái)濾除干擾信號(hào)。


五 結(jié)語(yǔ)

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(duì)其主電路和控制電路的電磁兼容設(shè)計(jì)方法，這些方法對(duì)其它電子產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。


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