如何解決直流穩壓電源設計中的EMI難題?
2017-8-10 9:09:58??????點擊：
電磁干擾（直流穩壓電源EMI）是指任何在傳導或電磁場伴隨著電壓、電流的作用而產生會降低某個裝置、設備或直流穩壓電源系統的性能，或產生不良影響的電磁現象。
直流穩壓電源電磁干擾，工程師要考慮的主要方面有：電路措施、直流穩壓電源EMI濾波、直流穩壓電源元器件選擇、屏蔽和印制電路板抗干擾設計等。
對于設計直流穩壓電源的工程師來說，電磁干擾問題是一直存在于設計中的一個關鍵問題。如何能解決這個問題？
要解決驅動直流穩壓電源的電磁干擾問題，可從以下幾個方面入手。
1.減少直流穩壓電源本身的干擾
①軟開關技術：在原有的硬開關電路中增加電感和電容元器件，利用電感和電容的諧振，降低開關過程中的du/dt和di/dt，使開關器件開通時電壓的下降先于電流的上升，或關斷時電流的下降先于電壓的上升，來消除電壓和電流的重疊。
②開關頻率調制技術：通過調制開關頻率fc，把集中在fc及其諧波2fc、3fc…上的能量分散到它們周圍的頻帶上，以降低各個頻點上的直流穩壓電源EMI幅值。
③直流穩壓電源元器件的選擇：選擇不易產生噪聲、不易傳導和輻射噪聲的直流穩壓電源元器件。通常特別值得注意的是，二極管和變壓器等繞組類直流穩壓電源元器件的選用。反向恢復電流小、恢復時間短的快速恢復二極管是直流穩壓電源高頻整流部分的理想器件。
④ 合理使用電磁干擾濾波器：直流穩壓電源EMI濾波器的主要目的之一，電網噪聲是電磁干擾的一種，它屬于射頻干擾(RFI),其傳導噪聲的頻譜大致為10KHz~30MHz，最高可達150MHz。
在一般情況下，差模干擾幅度小，頻率低，所造成的干擾較小;共模干擾幅度大，頻率高，還可以通過導線產生輻射，所造成的干擾較大。欲削弱傳導干擾，最有效的方法就是在直流穩壓電源輸入和輸出電路中加裝電磁干擾濾波器。
直流穩壓電源一般采用簡易式單級直流穩壓電源EMI濾波器，主要包括共模扼流圈和濾波電容。下圖1為常用的直流穩壓電源濾波器，L、C1和C2用來濾除共模干擾，C3和C4濾除串模干擾。當出現共模干擾時，由于L中兩個線圈的磁通方向相同，經過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現很大的感抗，使之不容易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環上。R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性，斷電后還能使直流穩壓電源的進線端L、N不帶電，保證使用的安全性。
圖1：常用的直流穩壓電源濾波器
⑤ 直流穩壓電源EMI濾波器能有效抑制直流穩壓電源適配器的電磁干擾
圖2中曲線a為不加直流穩壓電源EMI濾波器時直流穩壓電源適配器上0.15MHz~30MHz傳導噪聲的波形。
曲線 b是加入直流穩壓電源EMI濾波器后的波形，它能將電磁干擾衰減50分貝(Uv)~70分貝(uV)。顯然，插入直流穩壓電源EMI濾波器的效果更佳。
設置電磁干擾濾波器加入前后傳輸到負載上的噪聲電壓分別為U1和U2，計算公式是20lgU1/U2。
插入損耗用分貝dB表示，分貝值愈大，說明抑制噪聲干擾的能力愈強。
測量加入損耗的電路如圖3所示。e是噪聲信號發生器，Zi是信號源的內部阻抗，ZL是負載阻抗，一般取50歐姆。噪聲頻率范圍可選10KHz~30MHz。首先要在不同頻率下分別測出加入直流穩壓電源EMI濾波器前后負載兩端的噪聲壓降U1、U2，再代入公式20lgU1/U2計算出每個頻點的插入損耗值，最后匯出插入損耗曲線。
圖2：加入直流穩壓電源EMI濾波器前后的情況
2.切斷直流穩壓電源干擾信號的傳播途徑
①直流穩壓電源線干擾可以使用直流穩壓電源線濾波器濾除。一個合理有效的直流穩壓電源EMI濾波器應該對直流穩壓電源線上差模和共模干擾都有較強的抑制作用。
②改善直流穩壓電源PCB板的電磁兼容性設計
直流穩壓電源PCB是直流穩壓電源系統中電路元器件和器件的支撐件，它提供電路元器件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術的飛速發展，直流穩壓電源PCB的密度越來越高。直流穩壓電源PCB設計的好壞對直流穩壓電源系統的電磁兼容性影響很大。
實踐證實，即使電路原理圖設計正確，印刷電路板設計不當，也會對直流穩壓電源系統的可靠性產生不利影響。
直流穩壓電源PCB抗干擾設計主要包括直流穩壓電源PCB布局、布線及接地，其目的是減小直流穩壓電源PCB的電磁輻射和直流穩壓電源PCB上電路之間的串擾。
還有，一般變壓器電磁干擾引發的交流聲頻率一般為50HZ左右，而地線布線不當導致的交流聲，由于整流電路的倍頻作用頻率約為100HZ，仔細區分還是可以察覺的。正確的布線方法是，選擇主濾波電容引腳作為集中接地點，強、弱信號地線嚴格區分開，在總接地點匯總。
因此，在設計印刷電路板的時候，應留意采用正確的方法，遵守直流穩壓電源PCB設計的一般原則，并應符合抗干擾的設計要求。
3.增強受干擾體的抗干擾能力
在直流穩壓電源系統中輸進/輸出也是干擾源的傳導線，和接收射頻直流穩壓電源干擾信號的拾檢源，我們設計時一般要采取有效的措施：
①采用必要的共模/差模抑制電路，同時也要采取一定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小干擾的進進。
②在條件許可的情況下盡可能采取各種隔離措施(如光電隔離或者磁電隔離)，從而阻斷干擾的傳播。
③防雷擊措施
室外使用的直流穩壓電源系統或從室外排擠引進室內的直流穩壓電源線、信號線，要考慮直流穩壓電源系統的防雷擊題目。常用的防雷擊器件有：氣體放電管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。氣體放電管是當直流穩壓電源的電壓大于某一數值時，通常為數十V或數百V，氣體擊穿放電，將直流穩壓電源線上強沖擊脈沖導進大地。TVS可以看成兩個并聯且方向相反的齊納二極管，當兩端電壓高于某一值時導通。其特點是可以瞬態通過數百乃上千A的電流。
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