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关注电源引起的电磁干扰

发布时间:2020-07-21 18:52:03 阅读: 来源:齿轮泵厂家

2004年10月B版

本文引用地址:电磁干扰是电子设备和系统设计当中不能回避的问题。电源是把电子设备和电源网络联系起来的部分,因此电源引起的电磁干扰是电子设备值得认真关注的问题。实际上,电子设备均要求降低电源的电磁干扰(EMI)到规定的限值内,并保持电磁兼容(EMC)。忽略这个要求,电子设备将不可能通过强制性标准测试,并拖延电子设备投放市场的时间。

个体与系统的问题设计人员应该明白:一个电源即使自身符合电磁兼容要求,但当它被整合到设备中时,也可能会出现问题。ITS(世界上最大的消费品和工业品检测与认证机构之一)的EMC和电信总工程师Roland Gubisch最近接到一个电源公司工程师打来的电话。电源工程师想知道为什么他的电源受到指责。他的电源通过了所有生效的EMI测试,并且获得了所有必要的认可标志。Gubisch说通常设备内部产生的有害噪声信号直接穿过电源,返回到供电线上,这是一种不利的状况。如果在电源直流输出端添加一个射频滤波器,则可以去除供电线上的噪声。这是设计工程师必须注意的问题,但往往被忽略。Kimmel-Gerke Associates公司的Daryl Gerke 说:“工程技术人员购买带有CE标记的设备,当用它们组成系统或设备时,却不能通过EMI和EMC测试,工程师们感到非常困惑。”电源销售商已经测试了他们设备在传导和辐射两方面的发射指标,但这些是使用一个静态电阻负载进行的测试。可是大多数情况,设计人员需要的是动态负载。虽然销售商设计他们的电源产品符合标准,但他们不可能设计产品满足每一种类型的动态电路。Gerke解释到:“这就是CE标记加CE标记不一定等于一个CE标记的原因。”XpiQ公司医用器件销售主管Peter Blyth说,“工程技术人员希望产品服从一定等级的EMI标准,则可以解决系统里的所有EMI和EMC问题。”通常一个电源滤波器可以充分削弱电源产生的开关频率,但滤波器并不一定可以衰减供电设备产生的超过电源频率的EMI信号。当Blyth还是一名工程师的时候,他接到大约一半的求助电话都来自于消费者,他们的设备正在测试,并且需要马上减小传导发射以便能够通过测试。Blyth说:“在英国,在美国,我们提供实验室,在那里消费者可以对他们的产品执行一个快速传导发射测试。测试结果可以指出产品哪部分通过了测试、哪部分没有,以便设计人员能够知道哪个部分需要使用滤波器,以及如何使用滤波器。因此,当去标准校准测试实验室的时候,他们的产品已经解决了传导发射问题。”

开关频率带来的问题设计人员还应该把开关电源视为噪声源,它产生的噪声也可以耦合到敏感的设备中。一般一个电源具有一个开关电路,它给电容器充电。滤波器可以用来阻止开关信号流入电源线和其它设备。对滤波的要求,不同行业有不同的规定,军事上对开关频率衰减的要求是最严格的。在发射测试方面,商业测试存在着另一个问题,直到几年前工程师们才开始关注。Gerke注释说:“我们进行传导发射测试是从30MHz开始向下测试,辐射发射测试是从30MHz开始向上测试。在大部分电源中,切换发生在50 kHz 和 500 kHz之间,因而30MHz以上的谐波不包含太多的能量,并且辐射信号几乎不引起什么问题。”为了提高电源的功效,设计人员提高开关频率,并使开关信号的脉冲边缘变得更陡。Gerke解释说:这些变化增大了在30MHz到100MHz范围里的辐射。Gerke说:“为了满足EMI要求,我们将铁氧体磁环添加到FET(场效应晶体管)驱动电路中,以便略微降低晶体管开关速度(图2)。但是电源设计人员不希望我们减小开关速度,因为他们努力达到这个速度,以便电源有效运转。”实际上,减小开关信号的谐波并不影响多少效率-通常少于1%。“如果我们在一个50kHz工作的电源中发现一个50MHz的EMI信号,我们需要去掉50MHz附近的谐波(第1000次谐波)。在这种情况下,去除这些高次谐波不会损失效率。” Gerke说。但,如果有一个开关电源工作在500kHz,发现在30MHz上存在一个它引起的EMI问题,这时滤除谐波则会损失效率稍微多一些。SynQor公司的创始人和CEO Martin Schlecht说,在DC/DC转换器中更高频率的噪声不只从转换器开关频率中产生。当关掉一个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管),由于内部寄生电容和电感的存在,它也会形成环路。典型情况下,这个环路频率产生在20 MHz 和30 MHz之间(根据电路的组成而定)。给MOSFET电路添加一个门电阻可以减缓开关转换,并降低源上的环路噪声。设计人员为了开关频率的降低要付出一定代价,转换器工作效率要下降一个百分点,而且MOSFET要消耗更多的功率。一个好的转换器设计者应该知道如何减小高频环路发射,又不增加过多的热耗散。设计人员也可使用一个缓冲电路减小环路噪声,但这样做需要添加元器件,并且缓冲器也必定会消耗“缓冲”能量。Schlecht说:“我想还是通过减缓MOSFET作为减小EMI的方法,并且要观察电源是否需要消耗额外的热量。”设计人员也可以尝试消除电源的开关频率以便减小EMI。

散热片与共模噪声常用来散热的散热片也可以增加共模噪声——噪声电流在隔离DC输出和电源输入端的地之间流动。在半导体设备和散热片(散热片通常接地)之间存在一个微小的电容(图3)。非常微弱的耦合通过一个小的寄生电容器就可以产生共模噪声,这是因为半导体中开关信号有相当高的幅度。并且独立散热片吸收电源中所有半导体能量,它可以使问题恶化:散热片可以在电源次级和初级之间提供一个寄生连接,而它们本应保持隔离。在电源设计中,应该保持散热片与地断开,或悬浮。或在半导体和散热片之间放入静电屏蔽板(Faraday shield)绝缘体,也可以减小耦合。寄生耦合也会产生在变压器的初级线圈和次级线圈之间。完全隔离开线圈将使这种形式的耦合最小,这样就要使用静电屏蔽板,但这种方法不能完全消除耦合,而且还会增加电源消耗。Daryl Gerke也推荐在开关电源变压器的次级到输入整流器和电容器上的低电压节点间,使用一个“净化电容(scavenger capacitor)”。因为这个电容器起到“安全屏障”的作用,它隔断电源的次级和主级电路,因此在这种应用中设计者必须使用高安全性的电容器。许多销售商已经开始致力于解决寄生耦合问题,但是,当连接电源散热片或金属框架到底盘地的时候,仍会产生共摸噪声问题。Schlecht说:“许多工程技术人员都是以上次使用过的设计模式开始新的设计。而且,幸运地是新的系统与前一个系统没有太多的不同,因此所有老的设计应该仍能使用。”但实际上,很难透彻地分析共模网络,它不是一组物理器件。由于底板接地的布局、变压器绕组和元器件之间耦合的存在,就会存在寄生“元件”。(解决共模噪声问题可以不局限于这篇文章所提到的内容。许多由EMC专家、电源销售商和专业组织维护的网站提供许多应用信息和帮助内容。)在高频端,这些寄生产物不容易准确预测,因此工程技术人员说,“存在问题,我将插入元件直到噪声消失。” Schlecht说:“他们不说‘我分析过了这个问题,我知道发生了什么,并且我提前解决了它。’” 医疗仪器的设计人员(这些医疗器械需要接触患者)还需要最小化泄漏电流,它将流过病人的身体。虽然商业规范可以允许几毫安的泄漏电流,但医疗设备只可以有10微安。(如果设备没有连接地线-绿色金属线,泄漏指的是流过患者身体的电流。)降低泄漏限制要求会影响信号到地的滤除作用。因为泄漏将通过滤波器电容产生,例如,医疗设备设计人员不能通过添加更多的电容器来简单地解决共模噪声。因此,为医疗设备设计的EMI滤波器一定要提供低泄漏电容器。■

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