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EMI对策

发布时间:2020-03-04 00:44:34 来源:范文大全 收藏本文 下载本文 手机版

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从你提供的图1可以看出,辐射干扰的频率一个大约为40M,另一个大约为80M,这两个频率都是开关电源工作频率的高次(偶次)谐波。电源工作在恒压状态的时候,占空比会在中心值的上下来回摆动来回跳动,即开关电源的工作频率在不停的来回变化,因此,其干扰频率的频谱比较分散,在平均值的上下波动幅度比较小,所以传导和辐射干扰比较容易通过;当开关电源工作在恒流状态的时候,占空比基本是不变的,或变动很小,即开关电源的工作频率是基本不变的,因此,干扰频率的频谱比较集中,能量基本集中在开关电源某个工作频率的高次谐波之上。

开关电源的开关管一般都工作在导通和截止状态,因此,开关电源输出的波形一般都是方波。在所有非正弦波形中,方波的谐波频率是最丰富的,所以方波发生器也称为多谐发生器,开关电源就相当于一个多谢发生器,但谐波频率越高越高,其振荡幅度就越小。由于,开关电源的工作频率与占空比并不是固定的,因此要精确计算各个谐波的幅度难度也是比较大的,但我们可以证明,高次谐波的振幅基本上是按小于2的N次方速率衰减。例如方波的2次谐波的振幅最多只有1次谐波的2分之1;3次谐波的振幅最多只有1次谐波的8分之1。

既然,频率越高,高次谐波的振幅就越小,但为什么图1中频率在80M附近干扰幅度却最大。这是由于干扰辐射天线对干扰频率有选择的缘故,当天线对某个频率信号产生谐振时,其辐射效率最高。当天线的长度等于信号波长的四分之一或二分之一时,天线会产生谐振,尤其是天线的长度等于信号波长的二分之一时,天线的辐射效率最高,这是因为当天线产生谐振的时候,每次谐振的能量都可以进行叠加;而不谐振时,能量不但不能产生叠加还会互相抵消(相减)。 由于开关电源的工作频率一般都不会很高,最高也只有1M左右,因此,对于图2这样的电路,产生辐射的天线,其长度相对于信号的波长来说,是很短的,不会超过四分之一波长,一般都不会产生谐振,即其对应的谐振频率非常高。天线不谐振并不意味着它对信号不产生辐射,只要在导体的周围存在交变电磁场,电磁场就会向空间辐射,电磁场辐射的强度与电磁场的强度有关,即与信号的幅度有关,并且与天线的辐射面积也有关。

对于开关电源的干扰信号来说,频率达到30次以上的谐波,其幅度已经非常小,就算天线产生谐振,幅度也很小,所以,干扰天线产生辐射的时候,天线也不一定会对信号产生谐振。当天线的长度小于信号波长的四分之一时,天线越长或面积越大,其辐射能力也越强。由此可知,干扰信号的幅度是随着频率升高而下降的,而天线的辐射强度是随着频率升高而增强的,两条曲线一定会产生一个交点,其交点频率就在80M附近。

这里特别指出,这里的波长不是指信号在空气中传播的波长,由于信号在不同介质中传播的速度不一样,所以同一信号在不同介质中传播,其波长也不一样,信号在电路中传播的速度要比在空气中传播的速度慢很多,一般都不到在空气中传播速度的三分之二,并且还要看介质周围分布参数对其电磁场分布的影响。 要降低辐射干扰,一个是要降低干扰源的电压幅度,其方法是降低开关脉冲波形的幅度和脉冲前后沿的变化速率。降低脉冲变化速率,即延长脉冲的上升和下降时间,但这样做会降低开关电源的工作效率,这种降低工作效率的方法一般不可取。

那么就只有另一个,就是要降低辐射天线的长度或面积,这是最基本的方法。但很多人并不知道辐射源在哪里,或辐射天线在哪里,这要降低辐射天线的长度或面积就无从谈起。

[ 本帖最后由 陶显芳 于 2010-3-8 10:15 编辑 ] 发表于 2010-2-20 09:54 只看该作者

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对于图2,首先要找出主要干扰源在哪里,然后再找出它的辐射天线。从原理上来说,PCB板上所有的电路,对于大地来说,全部是辐射天线。查找时应该要按次序进行排队,先找出最关键的。

在开关电源变压器的初级电路中,与变压器初级线圈连接的两端,无疑不是主要辐射源,因为这两端的脉冲电压最高。不过你要记住,整流输出电压的负极,即滤波电容的负极不是“地”(大地,或0电位)。在图2电路中,没有一个连接点属于“地”,只要与大地电位不相同的地方,都可以产生电磁场辐射。

在电路中,与大地电位有时(不是时刻)相同的地方,只有滤波电容的中心和开关变压器初次级线圈(开关管导通时)的中心抽头处,但这些点都不是电路中的连接点。

当开关管导通时,电源电压通过开关管对变压器初次级线圈供电,此时电磁场辐射能量主要来自电源滤波电容对变压器初次级线圈供电回路产生的磁场和变压器初次级线圈漏感产生的磁场。要想减少辐射,一个是想办法减小滤波电容对变压器初级线圈供电回路的面积,和减小变压器初次级线圈的漏感。

当开关管关断时,变压器初次级线圈产生反电动势。一方面,反电动势要通过阻尼电路(D

2、C4)进行放电,放电回路也会产生磁场辐射,减少辐射的办法是尽量减小放电回路的面积;另一方面,反电动势相当于一个振幅为几百伏的干扰信号,通过变压器初次级线圈的两端接线进行充电,此时变压器初次级线圈的两端接线都相当于辐射天线,与开光管连接的一端为正极,与滤波电容正极连接的一端为负极,而干扰信号源的地电位端(浮地)就是变压器初次级线圈的中心抽头处。

由图2可以看出,作为干扰辐射天线,与变压器初次级线圈两端接线的线路是很长的,其中通过电容CY1连接的线路也属于干扰辐射天线的一部份,并且是干扰辐射天线的大部份,由于C11和C17的作用,使得开关电源变压器的次级电路,几乎大部份都成为了辐射天线的一个振子。估计这个地方就是开关电源辐射干扰超标的主要原因。

为了降低天线的辐射强度,最有效的方法就是尽量减小干扰辐射天线的面积。在图2中,首先是把电容CY1取消,让次级电路与初级电路断开连接,从而可以大大的降低天线的辐射面积。电容CY1在此电路中毫无用处(好处),它只会增大辐射干扰。

当然,其它电路也同样会产生电磁辐射,但相比之下不会象上面分析的那么严重,读者也可以用同样方法对其它电路进行分析。比如,变压器次级线圈整流滤波电容C11的连接方法也不是很合理;还有把变压器次级的地当成大地,然后通过PCB板的两个固定孔与机壳或其它电路连接,这个也不合理,它相当于增大了发射天线的有效面积。

开关电源的设计者可能认为,变压器的次级地就等同于大地,因此,想通过电容CY1接地来降低干扰,或者想通过电容CY1把次级回路的瞬间高压静电进行放掉。这里再次指出,图2开关电源中,没有一处电路与大地等电位,与大地等电位的地方,全部在元器件的内部,就像带电的球体一样,无论带电球体的电位多高,球体的中心都是0电位。除非用导线把电路对大地连接。

开关电源的设计者想通过电容CY1把次级回路的瞬间高压静电进行放掉,这种方法并不是必须的,只有开关变压器次级负载电路存在非常高的静电感应时,例如CRT电视机,这个CY1电容才是必须的。CRT电视机的阳极高压高达30000V,由于阳极高压的浮地在高压包的中心抽头处,或高压滤波电容的中心,因此,开关变压器次级电路任何地方的静电电位对地都是1500V,所以必须要接一个CY1电容(还要并联一个8.2M的电阻),把静电高压泄放掉。如果开关变压器次级负载电路的静电高压低于2000V,一般都不要连接CY1静电泄放电容,因为开关变压器的初级电路同样也会产生上千伏的静电感应电压。

[ 本帖最后由 陶显芳 于 2010-3-8 10:15 编辑 ]

最后对上面分析进行总结一下:

1)只要电路中有交变电流流过,在电流流过的回路中就会产生磁场辐射,减小磁场辐射的方法是尽可能减小电流回路的面积,即减小环形辐射天线的面积。磁场辐射可以简单地把辐射天线看成是一个变压器线圈的初级,而次级就是被干扰电路。

2)只要电路中的导体带电,在导体的周围就会产生电场辐射,可以简单地把辐射天线看成是一个电容极板,另一极板相当于接收天线,即被干扰的电路。电容极板的面积越大,充电时,充电电流就越大,产生的干扰也就越严重,同时当电容器进行充放电时,充放电回路还会产生磁场干扰,因此,减小电场辐射的方法是尽可能减小带电导体的长度和面积。

3)不要把电路中的公共端或公共地当成大地,把干扰信号通过电容接到电路中的公共端,只会增大干扰辐射,对降低干扰毫无用处。

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