第二 章部分
開 關(guān)電 源 電 磁 騷擾 產(chǎn) 生 機(jī) 理及 抑 制 需 要 工 程 師 根 據(jù) 實 際 的 具 體 問 題 來 決 定 ， 這 是 由 于 市 面 上 通 用 的 E M I 濾 波 器 是在 5 0Ω 條 件下 測 量 的其 插 入損 耗值 ， 大 多 數(shù)時 候 它并 不能 解 決 干 擾的 問 題。 所 以 ， 為 了更 好的 進(jìn) 行電 磁 兼 容設(shè) 計 ， 需 要將 傳 導(dǎo) 干擾 的 特性 描述 準(zhǔn) 確 ， 并對 電 磁 干 擾的 特 點 具體 量化 。 由于 開關(guān) 電 源一 般 工 作在 幾 十 KH z 到 20 0K H z 的 范圍 內(nèi) ， 考慮 到 開 關(guān) 波 形的 諧 波 成分 ，騷 擾 的頻 率 也 就在 3 0M 的范 圍 ， 因 此 在 30 M 頻率 范圍 以 內(nèi)的 騷 擾為 傳導(dǎo) 騷 擾 。
2、 輻 射干 擾 EM C 輻 射干 擾 是 一 種常 見 的 空間 傳 播 的電 磁 干 擾 形式 ， 是指 電磁 能 量 （一 般 是 指干 擾 的 電 磁 能 量 ） 以 電 磁 波 的 形 式 在 空 間 中 進(jìn) 行 傳 播 ， 傳 播 的 載 體 不 僅 局 限 于 空 間 ，在 真 空 中 也 是 可 以 傳 播 的 。 電 磁 干 擾 在 空 間 傳 播 的 過 程 中 若 是 遇 到 EM C 易 感 儀 器 ，就會 耦 合 到 該 電 路 中 ， 從 而 形 成 了 對 電 路 的 EM C 干 擾 信 號 。 同 時 ， 輻 射 干 擾 也 是 一種能 量傳 遞 的過 程 。 一般 這 種 形 式的 電 磁 波干 擾 是由 一個 電 路 空 間傳 播 到 另 一個 電 路 中 ， 因 此 ， 干 擾 源 可 能 比 較 遠(yuǎn) 。 但 是 ， 在 開 關(guān) 電 路 中 ， 由 于 晶 體 開 關(guān) 管 、 濾 波 電 容 、高頻 電壓 器 等都 可 以 看做 電 磁 波 輻射 源 ， 根據(jù) 磁 場的 原理 ， 當(dāng) 電 源工 作 時 ， 它們 時 刻 都在 向周 圍 輻射 電 磁 干擾 信 號 ， 開關(guān) 電 源 的主 要 輻射 干擾 就 是 由 這些 信 號 疊 加起 來 而 形成 的 。 由 國 家 認(rèn) 證 認(rèn) 可 監(jiān) 督 管 委 會 頒 布 的“ 機(jī) 內(nèi) 開 關(guān) 電 源 的 認(rèn) 證 試 驗 項 目 一 覽 表” 中 ，列出 了 多 種 EM C 測 試 。 這 些 測 試 涵 蓋 了 各 種 商 業(yè) 、 工 業(yè) 及 實 驗 室 環(huán) 境 中 的 常 見 的 各類電 磁干 擾 測試 ， 同 時作 為 一 個 強(qiáng)制 標(biāo) 準(zhǔn) ，這 些 測試 直接 保 證 了 在國 內(nèi) 生 產(chǎn) 銷售 的 電 子設(shè) 備的 電 磁兼 容 性 。而 開 關(guān) 電 源不 僅 是 一種 電 磁易 感的 電 子 設(shè) 備， 它 對 外 發(fā)射 的 電 磁騷 擾對 其 它設(shè) 備 而 言也 是 不 易 忽視 的 。 同時 ， 開關(guān) 電源 大 多 數(shù) 是作 為 電 子 電力 設(shè) 備 的一 部 分 而非 獨 立 實 現(xiàn)功 能 ， 故 ，它 的 對 外電 磁 輻 射 程度 必 須 控制 在 一 定 范圍 內(nèi) 。
2 .2面 要素 ， 即 干 擾源 、 傳 播途 徑、 受 擾設(shè) 備 。 因此 ， 我 們 應(yīng)從 這 三 個方 面 入手 來優(yōu) 化 和 改 善開 關(guān) 電 源 的電 磁 兼 容性 能，
即 ：1 、 減 少干 擾 源產(chǎn) 生的 對 外 輻 射的 電 磁干 擾信 號 ；
2 、在 傳 播 途 徑上 切 斷 干擾 信號 的 傳播 ；
3 、對 受 擾設(shè) 備加 強(qiáng) 其 抗 電磁 干 擾的 能力 ， 即 使 其對 噪 聲 電 流的 反 應(yīng) 不靈 敏 。 因 此 ， 在 設(shè) 計 上 ，不 僅 可以 從 電 路 措施 上 或者 EM I 濾波 和關(guān) 鍵 元 件 的選 擇 上 來抑 制電 磁 干擾 ， 也可 以通 過 提 高 電路 板 的 抗干 擾 能力 或是 采 用 屏 蔽技 術(shù) 來 抑 制干 擾 。 2 、 對電 磁 干 擾傳 播 能力 的衰 減 和 阻 隔； 3 、增 強(qiáng)設(shè) 備 的 抗 電磁 干 擾 能 力， 尤 其 是電 磁 敏 感設(shè) 備 。 下面 將 分 節(jié)討 論 傳 播途 徑 和 抑 制方 法 。 2 . 1 電 磁 干 擾 的 傳 播 途 徑電磁 干 擾 的途 徑 主 要 有傳 導(dǎo) 和 輻 射兩 種 方 式。 在開 關(guān) 電源 工 作 過程 中 , 高 電壓 和 大 電 流 的 開 關(guān) 波 形 必 然 會 產(chǎn) 生 傳 導(dǎo) 和 輻 射 的 電 磁 騷 擾 發(fā) 射 , 所 以 在 電 源 設(shè) 計 中 一 定 要 考慮這 一 問 題, 設(shè) 法 衰減 或 者 吸 收 EM I 的發(fā) 射 ， 使其 不 超 過標(biāo) 準(zhǔn) 的 安 全范 圍 。 1、 傳 導(dǎo)干 擾 開關(guān) 電 源 的電 磁 騷 擾 的產(chǎn) 生 ， 主要 是 由 于開 關(guān) 管 、 高頻 變 壓 器及 輸 出 整 流濾 波 電 路 在 工 作 時 通 過 的 電 流 和 施 加 的 電 壓 短 時 變 化 率 較 大 ， 即 d u/ d t 和 di / dt 的 斜 率 較 大 ，產(chǎn)生 了較 大 的脈 沖 。 這些 脈 沖 一 部分 形 成 空間 輻 射， 另一 很 大 的 部分 以 傳 導(dǎo) 的形 式 傳 輸?shù)? 輸入 和 輸出 端 ， 這便 形 成 了 傳導(dǎo) 干 擾 。下 面 我們 來介 紹 一 下 傳導(dǎo) 干 擾 的 兩種 常 見 方式 ： 共 模 干 擾 和 差 模 干 擾 。我 們 使 用 的 電 器 大 多 都 是 兩 線 的 ， 一 根 火 線 （ L ） ，一 根 零 線 （ N ） ， 零 線 是 三 相 電 的 中 線 ， 同 時 還 有 一 根 接 地 線 叫 做 地 線 。 零線 與 火線 之間 的 干擾 ， 由 于干 擾 產(chǎn) 生 的電 流 方 向相 反 ，稱 為差 模 干 擾 ；火 線 與 地 線之 間 的 干擾 ， 由于 干 擾產(chǎn) 生 的電 流 方向 相 同， 稱 為共 模 干擾 。 由于 實 際 電路 中 ， 電 路阻 抗 不 可避 免 的 存在 不 平 衡 性， 線 路 中就 會 同 時 共存 著 兩 種干 擾 的 電壓 分 量 ， 且 這 兩種 干 擾電 壓 分 量能 相 互轉(zhuǎn) 化， 即 差 模 分量 和 共 模 分量 。 也 就 是 說 , 在 實 際 的 電 磁 兼 容 測 試 時 , 這 兩 種 干 擾 是 同 時 存 在 的 , 只 是 測 試 時 我 們 沒辦 法 區(qū) 分 它 們 , 才 將 它 們 籠 統(tǒng) 的 看 成 傳 導(dǎo) 干 擾 來 測 量 。 所 以 ， 要 很 好 的 抑 制 傳 導(dǎo)干 擾 首 要 的 是 需 要 判 斷 其 主 導(dǎo) 作 用 的 是 何 種 干 擾 ，從 而 才 能 根 據(jù) 輻 射 產(chǎn) 生 的 原 因來 確 立 合 理 的 方 法 。 一般 情 況 下 ，選 用 適 合的 EM I 濾波 器 件 是 常用 且 較 為 有效 的 解 決傳 導(dǎo) 干 擾 的 方 法 。 在 電 磁 兼 容 要 求 日 益 嚴(yán) 格 的 今 天 ， E M I 濾 波 器 對 傳 導(dǎo) 干 擾 抑制 的 有 效 性 ，使 得 其 成 為 企 業(yè) 減 少 開 發(fā) 周 期 、降 低 開 發(fā) 成 本 ，更 快 的 占 有 市 場 的首 選 器 件 。濾波 器的 自 身特 性 ， 如 自 身 阻 抗 ，最 大 瞬 時通 過 電 流 等， 是 決 定 EM I 濾 波器 干 擾 抑制 效果 的 決定 因 素 。同 時 ， 接 入電 網(wǎng) 自 身的 射 頻阻 抗、 電 力 電 子儀 器 內(nèi) 部 的各 種 干 擾源 及干 擾 電流 傳 輸 過程 中 產(chǎn) 生 的阻 抗 ， 都會 影 響 EM I 濾 波器 的 實際 濾 波 效 果。 因此 ，僅憑 對 電 路 圖 的 的 分 析 ， 對 實 際 選 擇 EM I 濾波 器 上 ， 是 有 難 度 的 。在 選 擇 時 ， 往 往 開 關(guān) 電 源 的 電 磁 騷 擾 抑 制從上 面 介 紹的 電 磁 干 擾產(chǎn) 生 的 機(jī) 理中 可 以 看到 ， 產(chǎn)生 電磁 干 擾 的干 擾 源 無 處不 在 ， 任何 小家 電 都逃 離 不 了干 擾 源 的 影響 環(huán) 境 ，其 強(qiáng) 度和 性質(zhì) 是 決 定 影響 的 因 素 之一 ， 除 此之 外， 傳 播途 徑 的 類型 和 特 性 、設(shè) 備 本 身的 敏 感度 也是 減 輕 影 響的 重 要 因 素。 換 句 話說 ， 提 高 設(shè) 備對 EM C 設(shè)計 能 力， 我 們 可 以從 三 方面 入手 ：
1 、 對 干 擾 源 發(fā) 射能 力 的 對 開關(guān) 電 源 自身 干 擾 的減 少 下面 ， 我們 主 要 以下 幾 個 方面 來 減少 開 關(guān) 電源 本 身的 電 磁 干擾 。
( 1) 增 加吸 收 電 路 在開 關(guān) 電 源中 ， E M I 的主 要 產(chǎn)生 原 因 是 晶體 管 進(jìn) 行 開關(guān) 動 作 時， 電 壓 和 電流 產(chǎn) 生 了瞬 時 的突 變， 這 種突 變可 以 體現(xiàn) 在 所謂 的 電 壓 和電 流 的變 化 率， 即 du / dt 和 d i / dt 的斜率 增大 。 因此 ， 減 少干 擾 要 從 減緩 電 流 和電 壓 的變 化率 入 手 。 常見 的 噪 聲 干擾 吸 收 電路 如 圖 2 - 5 所示 。 噪 聲 吸 收 電 路 的 原 理 是 ， 當(dāng) 晶 體 開 關(guān) 管 關(guān) 斷 時 ， 提 供 一 個 旁 路電 路， 該旁 路 電路 存 在 一定 容 值 和 感值 ， 可 吸收 電 路中 的分 布 能 量 ，從 而 降 低 了開 關(guān) 管 關(guān)斷 瞬 間的 電 流電 壓 變 化率 ， 從而 達(dá) 到 了抑 制 干擾 的 作用 。
緩沖 吸 收 電路 的 主 要 器件 有 ： 電阻 、 電 容和 二 極 管 。它 們 的 濾波 作 用 對 降低 電 壓 瞬變 尖峰 的 幅度 和 電 壓波 形 緩降 有很 好 的 效 果， 從而 就 有利 于 半 導(dǎo) 體器 件 的 使 用安 全 。 同時 ，緩 沖 吸收 電 路 可以 降 低 了 射頻 輻 射 的頻 譜 成分 ，以 達(dá) 到 降 低射 頻 輻 射 能量 的 作 用。 緩 沖 電路 可 以 分為 單 純 的電 容 緩 沖、 R C 濾 波緩 沖 和 RC D 緩 沖三 種 。 其中 ， 單 純的 電 容 濾 波緩 沖 電 路最 為 簡 單， 它 是 直 接將 電 容 跨接 在 開 關(guān) 管的 漏 極 和源 極之 間 。它 的 工 作原 理 是 ： 開關(guān) 管 到 導(dǎo)通 時 ，跨 接的 電 容 隔 直通 交 的 原 因， 放 電 為零 。開 關(guān) 管截 止 時 ，電 容 兩 端 的壓 降 慢 慢上 升 ，從 而抑 制 了 開 關(guān)管 上 的 電 壓尖 峰 的 形成 和 其 尖利 程 度 。 當(dāng) 開 關(guān)管 再 次導(dǎo) 通 時 , 電容 被 短路 ，這 時 電 容 經(jīng)過 開 關(guān) 管 直接 放 電 到零 ，并 在 開關(guān) 管 中 產(chǎn)生 很 大 的 尖峰 電 流 。因 此 ，其 增加 了 開 關(guān) 管導(dǎo) 通 時 對 導(dǎo)通 電 流 的損 耗。 電 容越 大 ， 它對 開 關(guān) 管 兩端 電 壓 的尖 峰 緩解 程度 就 越 大 ，也 就 是 對 噪音 的 音 質(zhì)作 用越 好 ，但 同 時 ，也 會 使 得 開關(guān) 管 的 導(dǎo)通 損 耗增 加。 這 就 使 得在 實 際 應(yīng) 用中 電 容 無法 取值 過 大, 這 樣 無疑 造 成吸 收效 果 不 是 很明 顯 ， 也就 使 得電 容 緩沖 吸 收 這 種模 式 受 到了 一 定 的限 制 。 RC 阻容 濾 波器 是 在 電 容緩 沖 濾 波 的基 礎(chǔ) 上 串聯(lián) 了 電阻 R， 其 電 路 如 圖 2 - 5 b) 所示 ，其工 作原 理 類似 于 電 容緩 沖 模 式 ，但 是 由 于電 阻 R 的 加入 ， 使 得 開關(guān) 晶 體 管 斷開 時 的緩沖 作用 比 電容 模 式 差了 一 些 ， 而在 開 關(guān) 管導(dǎo) 通 的瞬 間， 電 阻 限 制了 開 關(guān) 管 導(dǎo)通 時 的 電流 峰值 。 因此 ， 電 阻的 阻 值 不 同， 對 電 流峰 值 的限 制程 度 也 就 不同 ， 也 就 使得 緩 沖 吸收 的效 果 也不 同 ， 電阻 阻 值 越 大時 ， 吸 收的 效 果也 就越 差 。 因 此， 我 們 在 實際 應(yīng) 用 此電 路 時 ，電 阻 R 的 取值 都 較 小 。這 種 RC 濾 波的 緩 沖模 式 在 實際 應(yīng) 用中 非常 廣 泛 。 RC D 緩 沖 吸 收 電 路 是 在 RC 阻容 濾 波 緩 沖 電 路 的 基 礎(chǔ) 上 ， 再 串 聯(lián) 一 個 二 極 管 D ，其具 體電 路 如圖 2- 5 c ）所 示 。 它 的 工 作 原理 是 ： 當(dāng) 開 關(guān) 管 關(guān)斷 的瞬 間 ， 二 極 管 D 則正 向?qū)? 通， 此 時， 由 于 二極 管 D 的 導(dǎo)通 壓 降 很小 ， D、 C 之間 會 形 成一 個 回 路 ，使 得 電 容上 積聚 電 荷， 其 過 電壓 緩 沖 吸 收的 原 理 及效 果 與電 容緩 沖 模 式 類似 。 而 在 開關(guān) 管 導(dǎo) 通時 ，在二 極管 的 單 向 導(dǎo)電 作 用下 電 容 的 放 電只 能 經(jīng)過 電阻 R 進(jìn)行 ,這 樣 就 形 成了 一 個 與 RC 阻容 緩 沖 模 式 相 當(dāng) 的 電 路 。 根 據(jù) 以 上 工 作 原 理, RC D 緩沖 吸 收 電 路 設(shè) 計 時, 要保 證 開 關(guān) 管 兩 種 狀 態(tài) 下 符 合 它 的 特 性, 就 需 要 保 證 開 關(guān) 管 截 止 時 電 容 C 能 充 電 到 電 源 電壓 值 , 同 時 又 要 保 證 開 關(guān) 管 導(dǎo) 通 狀 態(tài) 下 電 容 上 儲 存 的 電 荷 經(jīng) 過 電 阻 完 全 放 完 。 也 就 是說， 在 每 個 開關(guān) 管 通 斷的 周 期 中 ，電 阻 R 必須 將 電容 C 上存 貯 的 能量 全 部 消 耗掉 。 所 以， 這種 緩 沖模 式 較 前兩 種 模 式 消耗 的 能 量要 大 ，但 是其 吸 收 消 耗能 力 要 強(qiáng) 。由 于 這 種電 路的 能 量損 耗 正 比于 其 電 源 的開 關(guān) 頻 率， 所 以該 電路 很 少 應(yīng) 用于 開 關(guān) 頻 率很 高 的 開關(guān) 電 源 中。 在 通 常的 設(shè) 計 中常 將 這 種緩 沖 吸 收電 路 用 于變 壓 器 的吸 收 。 除了 緩沖 吸 收電 路 以 外, 另 一種 吸收 模 式 是 箝位 吸 收電 路, 如圖 2 - 5 a ) 所 示。 該 電 路是 由兩 個 二極 管 串 聯(lián)組 成 ， 其 中一 個 二 極管 用 于半 導(dǎo)體 瞬 變 電 壓吸 收 ， 另 一個 則 需 選用 高速 、 高反 壓 二 極管 。 由 于 該電 路 的 內(nèi)部 結(jié) 構(gòu)， 使得 其 無 法 吸收 晶 體 管 開關(guān) 過 程 中的 瞬間 電 壓突 變 。 所以 ， 該 電 路不 是 用 作電 磁 干擾 的抑 制 ， 而 是用 來 防 止 半導(dǎo) 體 器 件和 電容 器 件被 擊 穿 。 因此 ， 不 論采 用 哪 種 吸收 緩 沖 濾波 電 路 ，都 必 須 滿 足一 個 要 求： 吸 收 電 路必 須 盡 可能 的靠 近 主開 關(guān) 管 和高 頻 變 壓 器， 使 其 所有 的 線路 都盡 可 能 的 短， 包 括 器 件的 引 腳 在內(nèi) 。
( 2) EM I 濾波 典 型 的 EM I 濾 波 技 術(shù) 對 于 抑 制 開 關(guān) 電 源 的 干 擾 ， 特 別 是 電 磁 傳 導(dǎo) 干 擾 （C S ） 方面有 非常 明 顯的 效 果 。我 們 從開 關(guān)電 源 的 基 本電 路 結(jié)構(gòu) 可以 得 出， E M I 濾波 技術(shù) 首 先 是在 電源 的 輸入 端 接 入 EM I 濾 波器 ， 盡 可 能的 早 的在 源頭 上 抑 制 電磁 干 擾， 這 是 抑 制 傳導(dǎo) 電磁 干 擾的 重 要 方法 。 因 為 電源 的 輸 入端 是 直接 與電 網(wǎng) 相 連 接的 ， 電 網(wǎng) 由于 接 入 設(shè)備 較多 從 而引 起 快 速瞬 變 脈沖 和其 它 設(shè) 備 對電 網(wǎng) 的輻 射干 擾 ，E M I 濾波 技 術(shù)對 上 述 兩種 干擾 都 有很 強(qiáng) 的 抑制 作 用 。 一般 情 況 下， 在 開關(guān) 電源 中 傳 入 的干 擾 信 號 同時 存 在 著兩 種分 量 ：1 . 差 模 干擾 ： 兩 線 間電 流 方 向 不同 的 干擾 ；2 . 共模 干擾 ： 兩 線 間電 流 方 向 相同 的 干 擾。 因 此 ， E M I 濾波 電路 需 要 充 分考 慮 這兩 種不 同 分 量 干擾 的 抑 制 方式 。 在 實際 的產(chǎn) 品 設(shè)計 中 ， 為了 得 到 更 好的 實 現(xiàn) 抑制 效 果， 我們 還 需 要 針對 的 電 磁 兼容 標(biāo) 準(zhǔn) 和實 際中 的 超標(biāo) 信 號 的 幅值 和 頻 帶 來設(shè) 計 和 選擇 EM I 濾波 器 。 下 面 ， 通 過 圖 2- 6 為例 來分 析下 濾 波電 路 的 工作 原 理： 其中 L1 、 L2 為 兩個 匝數(shù) 相 等 的 線圈 ， 在理 想狀 況 下 ，差模 電流 和 主電 流 在 電感 上 產(chǎn) 生 等量 反 向 的磁 通 ，它 們之 間 相 互 抵消 ， 使 得 其對 差 模 信號 沒有 濾 波效 果 ， 而共 模 干 擾 信號 使 得 其電 感 量很 大， 此 時 的 電感 相 當(dāng) 于 一個 高 阻 抗， 因此 它 對方 向 相 同的 共 模 干 擾信 號 有 很好 的 抑制 作用 ， 因 此 ，一 般 稱 這 兩個 線 圈 為共 模扼 流 圈。 但 是 ，實 際 上 由 于磁 環(huán) 材 料和 繞 制工 藝等 原 因 ， 沒辦 法 做 到 電感 量 的 完全 相等 ， 使得 它 們 之間 存 在 一 個電 感 量 差， 這 個差 值形 成 差 模 電感 。 此 外 ，對 于 電 源線 上 的 差模 信 號 ， 常 用 的 EM I 濾 波技 術(shù) 是通 過 低通 濾波 器 來 實 現(xiàn)的 ， 這 個 濾波 器 由 線圈 L1 和 L2 間的 電 感感 量 差值 、L3 與 L4 組成 的獨 立差 模 抑 制 器以 及 X 電 容三 部 分 構(gòu)成 。
學(xué)了一招，原理圖那個變壓器，用圈圈當(dāng)同名端。收下
