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开关电源适配器电磁兼容性的设计

发布时间:2021.11.11 16:00 浏览次数:45
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开关电源适配器电磁兼容性的设计
开关电源适配器是较强的电磁干扰发射源。开关电源适配器的一次整流桥,由于是非线性器件,形成电流是严重失真的正弦半波,含有丰富的高次谐波,所以多方面因素形成了谐波、电场、磁场、浪涌、电快速瞬变等传导和辐射一系列连续、脉动和瞬变干扰,因此在开关电源适配器的设计中必须考虑电磁兼容性设计。
EMI的设计主要是研究噪声滤波器的设计。采用开关电源滤波器能有效地抑制电网中的噪声进入设备,也可以抑制设备产生的噪声污染电网。噪声的传播方式有两种:一种是共模噪声;另一种是差模噪声。共模噪声是流入大地的电流,差模噪声是在线与线之间流动的电路。
在噪声滤波器的设计和应用中,目前以分散型滤波为多。在分散型滤波中使用的主要元件是共模电感线圈和线间电容器。
根据电磁骚扰的传播途径,开关电源适配器的电磁兼容性设计包括:完善电路设计、接地设计、滤波设计、屏蔽设计。
1. 完善电路设计
所选择开关电源适配器电路拓扑不宜产生过高的电压和过大的电流,以避免高电压电场干扰和大电流磁场干扰。在满足要求的情况下,放大器" target=_blank>放大器的频带应尽量窄,使其不易受干扰。适当增加缓冲电路。
印刷电路板设计时应注意以下几点:
① 高、中、低速逻辑电路同时应用时,高速应设计在电路板的人口处;
② 信号人口加RC去耦滤波,消除长线传输干扰;
③ 电路中的电流环路应保持最小;
④ 信号线和回线应尽可能接近;
⑤ 使用较大的地平面以减小地线阻抗;
⑥ 电源线和地线应相互接近;
⑦ 在多层电路板中,应把电源面和地平面分开;
⑧ 圆弧布线,不突变;
⑨ 尽量缩短连线;
⑩ 模拟电路和数字电路分开,功率电路和控制电路分开。
2.接地设计
A.接地是开关电源适配器抑制电磁噪声的重要方法。
接地的作用:
①提高系统工作的稳定性,若不与大地相接,易受地电容的干扰;
②泄放静电感应在机箱上的静电,避免高压放电;
③操作安全。
B.不考虑安全接地,仅从电路参考点的角度考虑,接地可分为悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地。
①悬浮地
开关电源适配器中的参考地与机壳隔离,可以避免机壳中的干扰电流直接耦合到电源电路中。当浮地系统靠近高压时,可能堆积静电荷,形成危害或引起静电放电,形成干扰电流。在雷电环境下,在机箱和单元电路间产生电弧。所以开关电源中不宜采用悬浮地。
②单点接地
单点接地分为单点串联接地和并联接地。单点串联接地的优点是比较简单,其缺点是各电路会通过接地线,相互影响。在采用这种接地方式时必须注意把最高电平电路放在最靠近接地点A处,以使B点和C点的电位升高最小。相对单点串联接地,单点并联接地无公共地阻抗干扰,但地线数量多,在高频(MHz以上)时效果差。
③多点接地
各接地点就近接地,其优点是:接线简单,引线短。高频阻波现象显著减少。其缺点是:接地阻抗随频率升高而增大。
④混合接地
实际情况比较复杂,很难通过一种简单的接地方式来解决,而是常常采用单点接地和多点接地组合成混合接地。
滤波设计
滤波是消除干扰经常采用的措施。在设计和选用滤波器时应注意以下几个问题:
①明确工作频率和所要抑制的干扰频率,如两者非常接近,则需要应用频率特性非常陡峭的滤波器才能把两种频率分开;
②保证滤波器在高压情况下能够可靠地工作;
③滤波器连续通过最大额定电流时,其温度要低,以保证在该额定电流连续工作时,不破坏滤波器中器件的工作性能;
④为使工作时的滤波器频率特性与设计值相符合,要求与它连接的信号源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时的规定值;
⑤滤波器必须具有屏蔽结构,屏蔽箱盖和本体要有良好的电接触,滤波器的电容引线应尽量短,最好选用低引线短电感的穿心电容; ⑥要有较高的工作可靠性,因为作防护电磁干扰用的滤波器,故障往往比其他元件的故障更难找。
安装滤波器时应注意以下几点
①电源线路滤波器应安装在离设备电源人口尽量靠近的地方,不要让未经过滤波器的电源线在设备框内迂回;
②滤波器中的电容器引线应尽可能短,以免因引线感抗和容抗在低频率上谐振;
③滤波器的接地导线上有很大的短路电流通过,会引起附加的电磁辐射,故应对滤波器元件本身进行良好的屏蔽和接地处理;
④滤波器的输入和输出线不能交叉,否则会因滤波器的输入-输出电容耦合通路引起串扰,从而降低滤波特性,通常的办法是输入和输出之间加隔板或频蔽层。
屏蔽设计
屏蔽有两个目的,一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域,二是防止外来的辐射干扰进入该内部区域。电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用,而这些作用是与屏蔽结构表面上和屏蔽体内感生的电荷、电流与极化现象密切相关的。
屏蔽体的设计原则
①首先确定电磁环境,包括电磁场的类型、场的强度、频率及屏蔽体至源的距离等;
②确定接受机的敏感度以及对屏蔽的要求;
③根据电磁屏蔽的要求及电磁场的性质,适当选择材料的导电率、磁导率和厚度;
④在确定屏蔽材料后,进行屏蔽结构的设计,对于电场屏蔽主要选择高导率材料(如铜);对于磁场屏蔽,特别是低频磁场屏蔽,主要选择铁或其他高磁导率材料。若达不到要求,在允许的条件下,可以采用增大厚度的办法;
⑤如果单层屏蔽不能满足屏蔽要求,可用双层以上的屏蔽,以获得更好的屏蔽效果;
⑥当屏蔽室需要透明时,可采用金属网屏蔽,金属网屏蔽的效能显然比不上金属实壁屏蔽体,所以一般不采用双层屏蔽;
⑦对于通风孔、探测器的慷慨屏蔽壳体、电缆进出口接插件等开口处均按特殊要求进行设计。

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