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電子電氣設(shè)備的“心臟”,全面剖析通信開(kāi)關(guān)電源EMC

發(fā)布時(shí)間:2016-03-30 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】如今,手機(jī)、電話、電腦等通信工具已深入人們的生活,而通信電源在通信設(shè)備中具有不可比擬的重要地位。通信設(shè)備的不斷更新,使得對(duì)于通信開(kāi)關(guān)電源的要求也越來(lái)越高。通信開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于光數(shù)據(jù)傳輸、程控交換、無(wú)線基站、有線電視系統(tǒng)及IP網(wǎng)絡(luò)中,是電子電氣設(shè)備正常運(yùn)作的“心臟”。
 
一.國(guó)內(nèi)外電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)
 
電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。國(guó)內(nèi)外已有大量的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn),為系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備相互達(dá)到電磁兼容性制訂了約束條件。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24構(gòu)成了信息技術(shù)設(shè)備包通信開(kāi)關(guān)電源設(shè)備的電磁兼容性測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試方法要求,是目前通信開(kāi)關(guān)電源電磁兼容性設(shè)計(jì)的最基本要求。
 
二.通信開(kāi)關(guān)電源的干擾
 
通信開(kāi)關(guān)電源要穩(wěn)定工作就要有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力,對(duì)于電場(chǎng),磁場(chǎng)及電磁波等要有足夠的抗干擾能力,保證自身能夠正常工作以及通信設(shè)備供電的穩(wěn)定且不間斷,同時(shí)也要不受通信系統(tǒng)本身因通信時(shí)電磁波帶來(lái)的干擾。一般來(lái)講,開(kāi)關(guān)電源受到的干擾源有電壓電流快速變化造成的干擾,傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。
 
開(kāi)關(guān)電源的干擾來(lái)源有:開(kāi)關(guān)電源的大功率開(kāi)關(guān)管工作在高壓大電流的切換狀態(tài),由導(dǎo)通切換為關(guān)斷狀態(tài)時(shí)形成浪涌電壓,或由關(guān)斷切換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)形成的浪涌電流,它們的高次諧波成分會(huì)通過(guò)空間向外發(fā)射或通過(guò)電源線的傳導(dǎo)構(gòu)成干擾源。由關(guān)斷切換為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),開(kāi)關(guān)變壓器副方的整流二極管受反方向恢復(fù)特性的限制,產(chǎn)生尖峰狀的反向電流,它與二極管結(jié)電容以及引線電感等形成阻尼正弦振蕩,也含有大量的諧波成分,構(gòu)成干擾。
 
通信開(kāi)關(guān)電源電磁干擾特點(diǎn):
 
1.整流或續(xù)流二極管及主功率變壓器在高壓、大電流及高頻開(kāi)關(guān)的方式下工作,其電流電壓快速變化會(huì)造成干擾,從而造成開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部工作的不穩(wěn)定,使電源的性能降低。
 
2.收發(fā)天線的極化,方向特性EMC輻射。通信開(kāi)關(guān)電源受到:9 kHz~30 MHz的射頻磁場(chǎng)干擾;30~1 000 MHz的射頻電場(chǎng)干擾。
 
3.部分電磁場(chǎng)通過(guò)開(kāi)關(guān)電源機(jī)殼的縫隙,向周圍空間輻射,與通過(guò)電源線、直流輸出線產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng),一起通過(guò)空間傳播的方式,對(duì)其他高頻設(shè)備及對(duì)電磁場(chǎng)比較敏感的設(shè)備造成干擾,引起其他設(shè)備工作異常。
 
因此,對(duì)通信開(kāi)關(guān)電源,要限制由負(fù)載線、電源線產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾圾空間傳播時(shí)產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)干擾量,使它們能與處于同一環(huán)境中的其他電信設(shè)備均能夠正常工作,互不產(chǎn)生干擾。
 
三.開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性問(wèn)題分析
 
通信開(kāi)關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下,其引起電磁兼容性問(wèn)題的原因是相當(dāng)復(fù)雜的。有通信系統(tǒng)的高頻信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾;同 時(shí),開(kāi)關(guān)電源由于本身的電路設(shè)計(jì),PCB布線,元器件的性能等也會(huì)對(duì)通信,或其他電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。其中,按耦合通路來(lái)分,可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干 擾兩種;按照干擾信號(hào)對(duì)于電路作用的形態(tài)不同,可將電源系統(tǒng)內(nèi)的干擾分為共模干擾和差模干擾兩種。通常,線路電源線上的任何傳導(dǎo)干擾信號(hào),都可表示成共模 和差模干擾兩種方式。
 
在開(kāi)關(guān)電源中,主功率開(kāi)關(guān)管在高電壓、大電流或以高頻開(kāi)關(guān)方式工作下,開(kāi)關(guān)電壓及開(kāi)關(guān)電流的波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為方波,波信號(hào)含有豐富的高次 諧波,該高次諧波的頻譜可達(dá)方波頻率的1 000次以上。由于電壓差可以產(chǎn)生電場(chǎng)、電流的流動(dòng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng),以及豐富的諧波電壓電流的高頻部分在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生電磁場(chǎng),從而造成設(shè)備內(nèi)部工作的不穩(wěn) 定,使設(shè)備的性能降低。同時(shí),由于電源變壓器的漏電感及分布電容,以及主功率開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)并不是理想的,在高頻開(kāi)或關(guān)時(shí),常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波 振蕩,該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波,通過(guò)開(kāi)關(guān)管與散熱器問(wèn)的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過(guò)散熱器及變壓器向空間輻射。
 
通信開(kāi)關(guān)電源采用了有源功率因數(shù)校正,雖然控制復(fù)雜,但效果與負(fù)載無(wú)關(guān),提高了功率因數(shù),使性能更佳。同時(shí),開(kāi)關(guān)電源采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)降低電路 開(kāi)關(guān)功耗,減少噪聲,提高電路的效率及可靠性。但是,軟開(kāi)關(guān)無(wú)損吸收電路多利用L,C進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移,利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐?shí)現(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)換,因而, 該諧振電路中的二極管成為電磁干擾的一大干擾源。
 
通信開(kāi)關(guān)電源中,一般利用儲(chǔ)能電感及電容器組成L,C濾波電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)差模及共模干擾信號(hào)的濾波,以及交流方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為平滑的直流信號(hào)。由于 電感線圈的分布電容,導(dǎo)致了電感線圈的自諧振頻率降低,從而使大量的高頻干擾信號(hào)穿過(guò)電感線圈,沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。濾波電容器,隨著干擾 信號(hào)頻率的上升,由于引線電感的作用,導(dǎo)致電容量及濾波效果不斷下降,直至達(dá)到諧振頻率以上時(shí),完全失去電容器的作用而變?yōu)楦行浴2徽_地使用濾波電容及 引線過(guò)長(zhǎng),也是產(chǎn)生電磁干擾的一個(gè)原因。
 
四.電磁兼容性解決方法
 
1.解決開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的電磁兼容性
 
減小通信開(kāi)關(guān)電源本身設(shè)計(jì)時(shí)的內(nèi)部干擾:抑制高頻開(kāi)關(guān)變壓器的噪聲,吸收緩沖,降低漏感;在電路設(shè)計(jì)時(shí)PCB的合理布線,盡量不走環(huán)線;干擾比 較重的放在一起,低頻,低壓干擾小的遠(yuǎn)離;盡可能減小回路包容的面積;正負(fù)導(dǎo)線盡可能接近;增強(qiáng)輸入/輸出濾波電路的設(shè)計(jì),改善APFC電路的性能,消除 或者減小二極管的電流快速變化。其中常用的電路是零電壓開(kāi)關(guān)ZVS、零電流開(kāi)關(guān)ZCS和準(zhǔn)諧振ZVS/ZCS電路。該技術(shù)極大地降低了開(kāi)關(guān)器件所產(chǎn)生的電 磁干擾。利用組合軟開(kāi)關(guān)技術(shù)結(jié)合的無(wú)損耗吸收技術(shù)與諧振式零電壓技術(shù)、零電流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),解決在電路中因并聯(lián)或串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)生的諧振損耗。對(duì)功率開(kāi)關(guān) 管波形整形;模擬與數(shù)字,高壓與低壓等的隔離。
 
2.消除電磁干擾,提高開(kāi)關(guān)電源的工作性能
 
消除通信開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾傳導(dǎo)干擾主要是由于信號(hào)經(jīng)電網(wǎng)傳播,會(huì)對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾,往往引起更嚴(yán)重的問(wèn)題。常用的抑制方 法有:緩沖器法,減少耦合路徑法,減少寄生元件法等。而傳導(dǎo)干擾的極限值,可參考國(guó)標(biāo)中的電磁兼容規(guī)范GB9254-1988, (386833.9-87,GB6833.4-1987,GB6833-1987。
 
在輻射研究中天線是電磁輻射源,在開(kāi)關(guān)電源電路中,主電路中的元器件、連線等都可認(rèn)為是天線,同時(shí)手機(jī)電話等的MCU與LCD的數(shù)據(jù)線、地址線 工作頻率高,也是產(chǎn)生輻射干擾的主要干擾源。可以通過(guò)增加提高抗干擾能力的器件提高易受外界干擾的小信號(hào)電路的抗干擾能力;并綜合考慮各種接地措施,提高 整體的電磁兼容性。
 
開(kāi)關(guān)電源在輸入電路中容易受到共模/差模干擾,此時(shí),可以利用EMI濾波電路抑制此干擾。EMI濾波電路如圖1(a)所示。其中,L1,L2為 共模抑制電感,與C1~C7組成線路低通濾波器:C1,C4,C5用于抑制差模噪聲,這里選用0.33μF的聚丙烯薄膜電容器;C2,C3和C6,C7用 于抑制共模噪聲,因?yàn)樗鼈儼惭b在機(jī)殼和端子間,會(huì)有漏電電流流向機(jī)殼,為防止觸電,這里選用漏電流小,不易擊穿和損壞的云母電容器,容量為3.300 pF和0.1μF;C1~C7耐壓值均選為交流250 V。
 
開(kāi)關(guān)電源對(duì)內(nèi)、外的干擾及抗干擾中,共模信號(hào)與開(kāi)關(guān)器件的工作方式、散熱器的安裝及整機(jī)PCB板與機(jī)殼的連接有相當(dāng)復(fù)雜的關(guān)系,共模信號(hào)在一定 的條件下又可轉(zhuǎn)變成差模信號(hào)。其中解決共模干擾除了上述一般的EMI濾波電路,還可按如下電路圖的思想在電路上改進(jìn),使開(kāi)關(guān)電源能夠在電路上改進(jìn)從而提高 性能。圖1(b)為共模/差模干擾濾波器典型電路,圖1(c)為在圖1(b)基礎(chǔ)上變異的共模/差模干擾濾波電路。
 
3.隔離電源與其他設(shè)備間的相互干擾,增強(qiáng)通信開(kāi)關(guān)電源的抗干擾能力。
 
在通信端口及控制端口的小信號(hào)電路中,選用具有抗靜電干擾的器件。而單位脈沖干擾的頻譜最寬,容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi),可采用吸收式濾波器消除,減小共模電感的分布電容、加強(qiáng)輸入電路的共模信號(hào)濾波來(lái)提高系統(tǒng)的抗擾性能。隔離,屏蔽其他干擾信號(hào)的干擾,以及自身對(duì)于其他設(shè)備的干擾。
 
切斷干擾信號(hào)的傳播途徑:電磁屏蔽,用金屬外殼加強(qiáng)屏蔽效果,并進(jìn)行良好的接地處理(注意大地與系統(tǒng)地不可接在一起),各控制單元間的大面積接地用接地板屏蔽,同時(shí)也可以改善開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部工作的穩(wěn)定性。
 
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