淺談電路的EMC干擾
E=Ldi/dt
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/256059.htm式中:E為輸入電壓Uin與電容器C5兩端電壓的差值,即L1兩端的電壓降,L為電感量,di/dt為電流上升率。顯然,要求電流上升率越小,則要求電感量就越大。
(2)對振鈴電壓的抑制。由于變壓器的初級有漏感,當(dāng)電源開關(guān)管V1由飽和導(dǎo)通到截止關(guān)斷時會產(chǎn)生反電動勢,反電動勢又會對變壓器初級線圈的分布電容進行充放電,從而產(chǎn)生阻尼振蕩,即產(chǎn)生振鈴,如圖4所示。
變壓器初級漏感產(chǎn)生反電動勢的電壓幅度一般都很高,其能量也很大,如不采取保護措施,反電動勢一般都會把電源開關(guān)管擊穿,同時反電動勢產(chǎn)生的阻尼振蕩還會產(chǎn)生很強的電磁輻射,不但對機器本身造成嚴(yán)重干擾,對機器周邊環(huán)境也會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。
圖2中的D1,R2,C6是抑制反電動勢和振鈴電壓幅度的有效電路,當(dāng)變壓器初級漏感產(chǎn)生反電動勢時,反電動勢通過二極管D1對電容器C6進行充電,相當(dāng)于電容器吸收反電動勢的能量,從而降低了反電動勢和振鈴電壓的幅度。電容器C6充滿電后,又會通過R2放電,正確選擇RC放電的時間常數(shù),使電容器在下次充電時,其剩余電壓剛好等于方波電壓幅度,此時電源的工作效率最高。
(3)對傳導(dǎo)干擾信號的抑制。圖1中,當(dāng)電源開關(guān)管V1導(dǎo)通或者截止時,在電容器C5、變壓器T1的初級和電源開關(guān)管V1組成的電路中會產(chǎn)生脈動直流 i1,如果把此電流回路看成是一個變壓器的“初級線圈”。由于電流i1的變化速率很高,它在“初級線圈”中產(chǎn)生的電磁感應(yīng),也會對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)。可以把周圍電路都看成是同一變壓器的多個“次級線圈”,同時變壓器T1的漏感也同樣對各個“次級線圈”產(chǎn)生感應(yīng)作用。因此電流i1通過電磁感應(yīng),在每個 “次級線圈”中都會產(chǎn)生的感應(yīng)電流,分別把它們記為i2,i3,…,in。其中,i2和i3是差模干擾信號,它們可以通過兩根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)的其他線路之中和干擾其他電子設(shè)備。i4是共模干擾信號,它是電流i1回路通過電磁感應(yīng)其他電路與大地或機殼組成的回路產(chǎn)生的,并且其他電路與大地或機殼是通過電容耦合構(gòu)成回路的,共模干擾信號可以通過電源線與大地傳導(dǎo)到電網(wǎng)其他線路之中和干擾其他電子設(shè)備。
與電源開關(guān)管V1的集電極相連的電路,也是產(chǎn)生共模干擾信號的主要原因。因為在整個開關(guān)電源電路中,數(shù)電源開關(guān)管V1集電極的電位最高,最高可達 600 V以上,其他電路的電位都比它低,因此電源開關(guān)管V1的集電極與其他電路(也包括電源輸入端的引線)之間存在很強的電場,在電場的作用下,電路會產(chǎn)生位移電流,這個位移電流基本屬于共模干擾信號。
圖2中的電容器C1,C2和差模電感器L1對i1,i2和i3差模干擾信號有很強的抑制能力。由于C1,C2在電源線拔出時還會帶電,容易觸電傷人,所以在電源輸入的兩端要接一個放電電阻R1。
對共模干擾信號i4要進行完全抑制,一般很困難,特別是沒有金屬機殼屏蔽的情況下,因為在感應(yīng)產(chǎn)生共模干擾信號的回路中,其中的一個“元器件”是線路板與大地之間的等效電容,此“元器件”的數(shù)值一般是不穩(wěn)定的,進行設(shè)計時對指標(biāo)要留有足夠的余量。圖2中L2和C3,C4是共模干擾信號抑制電路器件,在輸入功率較大的電路中,L2一般要用兩個,甚至三個,其中一個多為環(huán)形磁心電感。
根據(jù)上面分析,產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是i1流過的主要回路,這個回路主要由電容器C5、變壓器T1初級和電源開關(guān)管V1組成。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,這個回路產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為:
e=dφ/dt=SdB/dt
式中:e為感應(yīng)電動勢;φ為磁通量;S為電流回路的面積;B為磁感應(yīng)強度,其值與電流強度成正比;dφ/dt為磁通變化率。由此可見,感應(yīng)電動勢與電流回路的面積成正比。因此要減小電磁干擾,首先要設(shè)法減小電流回路的面積,特別是i1電流流過的回路面積。另外,為了減少變壓器漏感對周圍電路產(chǎn)生電磁感應(yīng)的影響,一方面要求心量減小變壓器的漏感;另一方面,在變壓器的外圍包一層薄銅皮,以構(gòu)成一個低阻抗短路線圈,通過渦流消耗漏感產(chǎn)生的感應(yīng)能量。
(4)對輻射干擾信號的抑制。電磁輻射干擾也是通過電磁感應(yīng)的方式,由帶電體或電流回路及磁感應(yīng)回路對外產(chǎn)生電磁輻射的。任何一根導(dǎo)體都可以看作一根電磁感應(yīng)天線,任何一個電流回路都可以看作一個環(huán)形天線,電感線圈和變壓器漏感也是電磁感應(yīng)輻射的重要器件。要想完全抑制電磁輻射是不可能的,但通過對電路進行合理設(shè)計,或者采取部分屏蔽措施,可以大大減輕電磁干擾的輻射。
例如,盡量縮短電路引線的長度和減小電流回路的面積,是減小電磁輻射的有效方法;正確使用儲能濾波電容,把儲能濾波電容盡量近地安裝在有源器件電源引線的兩端,每個有源器件獨立供電,或單獨用一個儲能濾波電容供電(充滿電的電容可以看成是一個獨立電源),防止各電路中的有源器件(放大器)通過電源線和地線產(chǎn)生串?dāng)_;把電源引線的地和信號源的地嚴(yán)格分開,或?qū)π盘栆€采取雙線并行對中交叉的方法,讓干擾信號互相抵消,也是一種減小電磁輻射的有效方法;利用散熱片也可以對電磁干擾進行局部屏蔽,對信號引線還可以采取雙地線并行屏蔽的方法,讓信號線夾在兩條平行地線的中間,這相當(dāng)于雙回路,干擾信號也會互相抵消,屏蔽效果非常顯著;機器或敏感器件采用金屬外殼是最好的屏蔽電磁干擾方法,但非金屬外殼也可以噴涂導(dǎo)電材料(如石墨)進行電磁干擾屏蔽。
(5)對高壓的靜電的消除。圖1中,如果輸出電壓高于1 000 V,必須考慮靜電消除。雖然大多數(shù)的開關(guān)電源都采取變壓器進行“冷熱地”隔離,由于“熱地”,也叫“初級地”,通過電網(wǎng)可構(gòu)成回路,當(dāng)人體接觸到“初級地”時會“觸電”,所以人們都把“初級地”叫作“熱地”,表示不能觸摸的意思。而“冷地”也叫“次級地”,盡管電壓很高,但它與大地不構(gòu)成回路,當(dāng)人體接觸到“次級地”時不會“觸電”,因此,人們都把“次級地” 叫作“冷地”,表示可以觸摸的意思。但不管是“冷地”或者是“熱地”,其對大地的電位差都不可能是零,即還是會帶電。如彩色電視機中的開關(guān)電源,“熱地” 對大地的電位差,其峰峰值大約有400 V;“冷地”對大地的電位差,其峰峰值大約有1 500 V。
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