設計開關電源電磁兼容性的原理
現代技術的快速發展，電氣和電子設備的種類不斷增加，使得電磁環境日益復雜。在復雜的電磁環境中，各種設備或系統能否正常工作，成為一個急待解決的問題。作為各種設備或系統的重要部分——開關電源，既是騷擾源，同時又是被干擾者。大功率開關電源往往是騷擾源。各種開關電源在工作時，往往要產生一些有用或無用的電磁能量，這些電磁能量會影響其他設備或系統的正常工作，這就是電磁騷擾。電磁騷擾有可能使開關電源的工作性能下降，甚至使開關電源的使用壽命縮短，或根本無法正常工作。可見，電磁兼容性設計在開關電源中是非常重要的和不可缺少的。
在開關電源中，電磁兼容性設計的目的是使開關電源在預期的電磁環境中實現電磁兼容，其要求是使開關電源滿足有關EMC標準的規定并具有如下兩方面的能力：①能在預期的電磁環境中正常工作，不出現性能下降或故障;②對電磁環境無污染。
1 關于電磁兼容的幾個重要概念
1.1 電磁環境
電磁環境(Electromagnetic Environment)
是指設備或系統在正常工作時，可能遇到的輻射或傳導電磁發射電平在不同頻率范圍內功率和時間的分布。
1.2 電磁騷擾
電磁騷擾(Electromagnetic Disturbance)是指任何可能引起裝置、設備或系統性能下降，或者對有生命或無生命物產生損害作用的電磁現象。電磁騷擾是客觀存在的一種物理現象，其產生原因可能是外界因素，也可能是本身的變化。
電磁騷擾根據其來源，可分為自然騷擾和人為騷擾兩大類。自然騷擾以其發生源不可控為特點，例如電子噪聲、天電噪聲、地球外噪聲、沉積靜電等。人為騷擾以其發生源可知并且可控為特點。例如：高頻及微波設備、高壓設備、開關設備、火花設備、核電磁脈沖等。
1.3 電磁干擾
電磁干擾(Electromagnetic Interference, 簡寫為EMI)是指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降。電磁干擾是電磁騷擾的后果，引起電磁干擾的可能是另一設備或系統的有用電磁信號，也可能是某種電磁噪聲。
電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, 簡寫為EMC)是指器件、設備或系統在所處的電磁環境中正常工作，并不對其環境產生任何難以承受的電磁騷擾的能力。按上述定義，電磁兼容性包含以下兩方面的含義：
1.4.1 設備或系統應具有抵抗給定電磁騷擾的能力
即它應不會受到處于同一電磁環境中的其設備或系統發射的電磁騷擾而產生不允許的工作性能下降。
1.4.2 設備或系統不產生超過規定限度的電磁騷擾
即它不會產生使處于同一電磁環境中的其他設備或系統出現超過規定限度的工作性能降低的電磁騷擾。
2 電磁騷擾傳播的一般途徑
從干擾源把電磁能量傳到干擾對象有兩種方式：傳導方式和輻射方式。從接收器的角度看，耦合可分為兩類：傳導耦合和輻射耦合。
傳導耦合又分為直接傳導耦合、公共阻抗耦合和轉移阻抗耦合，輻射耦合又分為場(天線)對天線耦合、場對電纜耦合和電纜對電纜的耦合。
在實際情況中，傳導耦合和輻射耦合并不是截然不同的，它們可以相互轉化。例如在金屬傳導線中傳導的電流很大時，輻射也會很嚴重。
3 開關電源的電磁兼容性設計
根據電磁騷擾的傳播途徑，開關電源的電磁兼容性設計包括：完善電路設計、接地設計、濾波設計、屏蔽設計。
3.1 完善電路設計
所選擇開關電源電路拓撲不宜產生過高的電壓和過大的電流，以避免高電壓電場干擾和大電流磁場干擾。在滿足要求的情況下，放大器的頻帶盡量窄，使其不易受干擾。適當增加緩沖電路。
印刷電路板設計時應注意以下幾點：①高、中、低速邏輯電路同時應用時，高速應設計在電路板的入口處;②信號入口加RC去耦濾波，消除長線傳輸干擾;③ 電路中的電流環路應保持最小;④信號線和回線應盡可能接近;⑤使用較大的地平面以減小地線阻抗;⑥電源線和地線應相互接近;⑦在多層電路板中，應把電源面和地平面分開;⑧圓弧布線，不突變;⑨盡量縮短連線;⑩模擬電路和數字電路分開，功率電路和控制電路分開。
3.2 接地設計
接地是開關電源設備抑制電磁噪聲的重要方法。
接地的作用：①提高系統工作的穩定性，若不與大地相接，易受地電容的干擾; ②泄放靜電感應在機箱上的靜電，避免高壓放電;③操作安全。
不考慮安全接地，僅從電路參考點的角度考慮，接地可分為懸浮地、單點接地、多點接地和混合接地。
懸浮地：使開關電源中的參考地與機殼隔離，可以避免機殼中的干擾電流直接耦合到電源電路中。當浮地系統靠近高壓時，可能堆積靜電荷，形成危害，或引起靜電放電，形成干擾電流。在雷電環境下，在機箱和單元電路間產生電弧。所以開關電源中不宜采用懸浮地。
單點接地：又分為單點串聯接地和單點并聯接地。單點串聯接地的優點是比較簡單，其缺點是各電路會通過接地線，相互影響。在采用這種接地方式時必須注意把最高電平電路放在最靠近接地點的A處，以使B點和C點的電位升高最小。相對單點串聯接地，單點并聯接地無公共地阻抗干擾，但地線數量多，在高頻(MHz 以上)時效果差。
多點接地：各接地點就近接地，其優點是：接線簡單，引線短，高頻駐波現象顯著減少。其缺點是：接地阻抗隨頻率升高而增大。
混合接地：實際情況比較復雜，很難僅通過一種簡單的接地方式來解決，而是常常采用單點接地和多點接地組合成混合接地。
3.3 濾波設計
濾波是消除干擾經常采用的措施。
在設計和選用濾波器時應注意以下幾個問題：①明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率，如兩者非常接近，則需要應用頻率特性非常陡峭的濾波器，才能把兩種頻率分開;②保證濾波器在高壓情況下能夠可靠地工作;③濾波器連續通以最大額定電流時，其溫升要低，以保證在該額定電流連續工作時，不破壞濾波器中器件的工作性能;④為使工作時的濾波器頻率特性與設計值相符合，要求與它連接的信號源阻抗和負載阻抗的數值等于設計時的規定值;⑤ 濾波器必須具有屏蔽結構，屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸，濾波器的電容引線應盡量短，最好選用低引線短電感的穿心電容。
安裝濾波器時應注意以下幾點：①電源線路濾波器應安裝在離設備電源入口盡量靠近的地方，不要讓未經過濾波器的電源線在設備框內迂回;②濾波器中的電容器引線應盡可能短，以免因引線感抗和容抗在較低頻率上諧振;③濾波器的接地導線上有很大的短路電流通過，會引起附加的電磁輻射，故應對濾波器元件本身進行良好的屏蔽和接地處理;④濾波器的輸入和輸出線不能交叉，否則會因濾波器的輸入—輸出電容耦合通路引起串擾，從而降低濾波特性，通常的辦法是輸入和輸出端之間加隔板或屏蔽層。
3.4 屏蔽設計
屏蔽有兩個目的，一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出該內部區域，二是防止外來的輻射干擾進入該內部區域。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導作用，而這些作用是與屏蔽結構表面上和屏蔽體內感生的電荷、電流與極化現象密切相關的。
屏蔽體的設計原則：①首先確定電磁環境，包括電磁場的類型、場的強度、頻率及屏蔽體至源的距離等;②確定接收機的敏感度以及對屏蔽體的屏蔽要求;③根據電磁屏蔽的要求及電磁場的性質，適當選擇材料的電導率、磁導率和厚度;④在確定屏蔽材料之后，進行屏蔽結構的設計，對于電場屏蔽主要選擇高電導率材料 (如銅)，對于磁場屏蔽，特別是低頻磁場屏蔽;主要選擇鐵或其他高磁導率材料。若達不到要求，在允許的條件下，可以采用增大厚度的辦法;⑤如果單層屏蔽不能滿足屏蔽要求，可用雙層以上的屏蔽，以獲得更好的屏蔽效果; ⑥當屏蔽室需要透明時，可采用金屬網屏蔽，金屬網屏蔽的效能顯然比不上金屬實壁屏蔽體，所以一般采用雙層屏蔽;⑦對于通風孔、探測器的開口屏蔽殼體、電纜進出口接插件等開口處均按特殊要求進行設計。
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