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电源的EMC及安规设计

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pa2792
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  • 2012-12-18 14:03:10
开关电源不需要沉重的电源变压器,具有体积小、重量轻、效率高的优点,且市场上已有成品开关电源集成控制模块,使电源设计、调试简化许多,所以,在大多数的电子设备(如计算机、电视机及各种控制系统)中得到了广泛的应用。然而,开关电源自身产生的各种噪声却形成了一个很强的电磁干扰源。这些干扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强,对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁。因此,只有提高开关电源的电磁兼容性,才能使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求的场合下被采用。

开关电源产生噪声的原因

开关电源的种类很多,按变换器的电路结构可分为串并联式和直流变换式两种;按激励方式可分为自激和它激两种;按开关管的组合可分为桥式、半桥式、推挽式等。但无论何种类型的开关电源都是利用半导体器件的开和关工作的,并以开和关的时间比来控制输出电压的高低。由于它通常在20kHz以上的开关频率下工作,所以电源线路内的dv/dt、di/dt很大,产生很大的浪涌电压、浪涌电流和其它各种噪声。它们通过电源线以共模或差模方式向外传导,同时还向周围空间辐射噪声。图1给出了一种典型的开关电源电路的简图,下面以此为例分析其产生噪声的主要原因。

一次整流回路的噪声
在一次整流回路中,整流二极管D1~D4只有在脉动电压超过C1的充电电压的瞬间,电流才从电源输入侧流入。所以,一次整流回路产生高次畸变波,形成噪声。

开关回路的噪声
一是电磁辐射。电源在工作时,开关管T处于高频率通断状态,在由脉冲变压器初级线圈L、开关管T和滤波器C构成的高频电流环路中,可能会产生较大的空间辐射噪声。如果C的滤波不足,则高频电流还会以差模方式传导到交流电源中去。二是感性负载引起的浪涌电压。在开关回路中开关管T的负载是脉冲变压器的初级线圈L,是感性负载,所以开关管在通断时,在脉冲变压器的初级线圈的两端会出现较高的浪涌电压,很可能造成与此同一回路的电子器件(尤其是开关管T)的损坏。
二次整流回路的噪声
一是电磁辐射。电源在工作时,整流二极管D也处于高频通断状态,由脉冲变压器次级线圈L、整流二极管D和滤波电容C构成了高频开关电流环路,可能向空间辐射噪声。如果电容C滤波不足,则高频电流将以差模形式混在输出直流电压上,影响负载电路的正常工作。
二次整流回路的噪声
二是浪涌电流。硅二极管在正向导通时PN结内的电荷被积累,二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。由于二次整流回路中D在开关转换时频率很高,即由导通转变为截止的时间很短,在短时间内要让存储电荷消失就产生反电流的浪涌。由于直流输出线路中的分布电容、分布电感的存在,使因浪涌引起的干扰成为高频衰减振荡。
控制回路的噪声
控制回路中的脉冲控制信号是主要的噪声源。
分布电容引起的噪声
一是Ci的作用。散热片K与开关管T的集电极间虽然有绝缘垫片,但由于其接触面较大,绝缘垫较薄,因此两者之间的分布电容Ci在高频时不能忽略。因此高频电流会通过Ci流到散热片上,再流到机壳地,最终流到与机壳地相连的交流电源的保护地线PE中,以产生共模辐射。二是Cd的作用。脉冲变压器的初、次级之间存在的分布电容Cd,可能会将原边高频电压直接耦合到副边上去,在副边用作直流输出的两条电源线上产生同相位的共模噪声。
开关电源的电磁兼容性设计
抑制开关电源的噪声可采取三方面的技术。
一、是减小干扰源的干扰能量;
二、是破坏干扰路径;
三、是采用屏蔽。
减小干扰源能量
由于开关电源的干扰源是不可能消除的,所以减小干扰源的能量就显得非常必要。一般采取的措施有:
(1)并接RC电路。在开关管T两端加RC吸收电路;在二次整流回路中的整流二极管D两端加RC吸收电路,抑制浪涌电压。
(2)串接可饱和磁芯线圈。在二次整流回路中,与整流二极管D串接带可饱和磁芯的线圈,可饱和磁芯线圈在通过正常电流时磁芯饱和,电感量很小,不会影响电路正常工作;一旦电流要反向流过时,磁芯线圈将产生很大的反电势,阻止反向电流的上升,因此将它与二极管D串联就能有效地抑制二极管D的反向浪涌电流。目前已有超小型非晶型磁环成品,可以直接套在二极管的正极引线上,使用方便。
破坏干扰路径
一是针对开关电源中分布电容引起的电场噪声采取措施。主要抗干扰措施有:
(1)减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容Ci。选用低介电常数的材料作绝缘垫,加厚垫片的厚度,并采用静电屏蔽的方法,。
一般开关管的外壳是集电极,在集电极和散热片之间垫上一层夹心绝缘物,即绝缘物中间夹一层铜箔,作为静电屏蔽层,接在输入直流0V地上,散热片仍接在机壳地上,这样将大大减少集电极与散热片之间的耦合电容Ci,也就减少了它们之间的电场耦合。
(2)减少脉冲变压器的分布电容Cd。在一次侧和二次侧间加静电屏蔽层,屏蔽层应尽量靠近发射极并接地,这样将耦合电容Cd也分成Cd1和Cd2的串联形式。
减少了一、二次侧的电场的耦合干扰。二是针对开关电源通过电源线向外传输噪声的特点采取措施,即采用滤波技术破坏干扰。采用的滤波技术有:
(一)交流侧滤波。开关电源的交流电源线输入端插入共模和差模滤波器,防止开关电源的共模和差模噪声传递到电源线中,影响电网中其它用电设备,同时也抑制来自电网的噪声。交流侧滤波器,其中LD、CD用于抑制差模噪声,一般LD取100~700μH,CD取1~10μF,对抑制10~150kHz的噪声比较有效。LC、CC抑制共模噪声,一般LC取1~3mH,CC取2000~6800pF,对抑制150kHz以上的共模噪声有效。对于具体的开关电路要对其上述元件的参数进行调试确定。
(二)直流侧滤波。在开关电源的直流输出侧插入电源滤波器,它由共模扼流圈L1、L2,扼流圈L3和电容C1、C2组成。为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用,扼流圈的磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒μ磁芯。
屏蔽
抑制辐射噪声的有效方法是屏蔽。用导电良好的材料对电场屏蔽,用导磁率高的材料对磁场屏蔽。为了防止脉冲变压器的磁场泄露,可利用闭合磁环形成磁屏蔽,对整个开关电源要进行屏蔽。在屏蔽时应考虑散热和通风问题,屏蔽盒上的通风孔最好为圆形,接缝处最好焊接,以保证电磁的连续性。
开关电源的电磁兼容性设计考虑的因素还很多,如印制板的制作、元器件的布局以及各种电源线、信号线的捆扎、配置等,有许多工作要做。全面抑制开关电源的各种噪声会大大提高开关电源的电磁兼容性,使开关电源得到更广泛的应用。
EMI滤波器的设计原理
在开关电源中,主要的EMI骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的dv/dt和di/dt,因而电磁发射EME(Electromagnetic Emission)通常是宽带的噪声信号,其频率范围从开关工作频率到几MHz。所以,传导型电磁环境(EME)的测量,正如很多国际和国家标准所规定,频率范围在0.15~30MHz。设计EMI滤波器,就是要对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。基于上述标准,通常情况下只要考虑将频率高于150kHz的EME衰减至合理范围内即可。
常用电源滤波类型
通常有四种技术可进行电源滤波,以便抑制干扰噪声。在实际使用中,经常是混合使用其中的两种,甚至多种技术。它们是:
正负极电源线之间添加电容,即X电容;
每根电源线和地线之间添加电容,即Y电容;
共模抑制(两根电源线上的抑制线圈同向绕线);
差模抑制(每根电源线有它自己的抑制线圈)。
电磁干扰滤波器的基本电路




电源噪声是电磁干扰的一种,其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz,最高可达150MHz。根据传播方向的不同,电源噪声可分为两大类:一类是从电源进线引入的外界干扰,另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号,电子设备既是噪声干扰的对象,又是一个噪声源。若从形成特点看,噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声。共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。因此,电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求,也必须是双向射频滤波器,一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰,另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰,以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外,电磁干扰滤波器就对串模、共模干扰都起到抑制作用。
电感量范围与额定电流的关系

基本电路及其典型应用
电磁干扰滤波器的基本电路如图1所示。该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端,使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈(亦称共模电感)L、滤波电容C1~C4。L对串模干扰不起作用,但当出现共模干扰时,由于两个线圈的磁通方向相同,经过耦合后总电感量迅速增大,因此对共模信号呈现很大的感抗,使之不易通过,故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上,当有电流通过时,两个线圈上的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关,参见表1。需要指出,当额定电流较大时。
共模扼流圈的线径也要相应增大,以便能承受较大的电流。此外,适当增加电感量, 可改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容器,容量范围大致是0.01μF~0.47μF,主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端,并将电容器的中点接地,能有效地抑制共模干扰。C3和C4亦可并联在输入端,仍选用陶瓷电容,容量范围是2200pF~0.1μF。为减小漏电流,电容量不得超过0.1μF,并且电容器中点应与大地接通。C1~C4的耐压值均为630VDC或250VAC。图2示出一种两级复合式EMI滤波器的内部电路,由于采用两级(亦称两节)滤波,因此滤除噪声的效果更佳。针对某些用户现场存在重复频率为几千赫兹的快速瞬态群脉冲干扰的问题,国内外还开发出群脉冲滤波器(亦称群脉冲对抗器),能对上述干扰起到抑制作用。
EMI滤波器图



EMI滤波前后的波形比较

计算EMI滤波器对地漏电流的公式为:
ILD=2π×f×C×Vc (3)
式中,ILD为漏电流,f是电网频率。以图1为例,f=50Hz,C=C3+C4=4400pF,Vc是C3、C4上的压降,亦即输出端的对地电压,可取Vc≈220V/2=110V。由(3)式不难算出,此时漏电流ILD=0.15mA。C3和C4若选4700pF,则C=4700pF×2=9400pF,ILD=0.32mA。显然,漏电流与C成正比。对漏电流的要求是愈小愈好,这样安全性高,一般应为几百微安至几毫安。在电子医疗设备中对漏电流的要求更为严格。

使用条件 :
使用条件包括两方面内容:可靠性和电磁兼容性。以前只注意可靠性,现在由于环境保护意识增强,必须注意电磁兼容性。
高频电源EMC可靠性
可靠性是指在具体的使用条件下,高频电源变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件对高频电源变压器影响最大的是环境温度。有些软磁材料,居里点比较低,对温度敏感。例如:锰锌软磁铁氧体,居里点只有215℃,其磁通密度,磁导率和损耗都随温度发生变化,故除正常温度25℃外,还要给出60℃,80℃,100℃时的各种参考数据。因此,将锰锌软磁铁氧体磁芯的工作温度限制在100℃以下,也就是环境温度为40℃时,温升只允许低于60℃,相当于A级绝缘材料温度。
与锰锌软磁铁氧体磁芯相配套的电磁线和绝缘件,一般都采用E级和B级绝缘材料,采用H级绝缘的三重绝缘电磁线和聚酰胺薄膜,是不是大材小用?成本增加多少?是不是因为H级绝缘的高频电源变压器优化的设计方案,可以使体积减少1/2~1/3的缘故?如果是,请举具体实例数据。作者曾开发H级绝缘工频50Hz,10kVA干式变压器,与B级绝缘工频50Hz,10kVA干式变压器相比,体积减小15%到20%,已经相当可观了。本来体积就比较小的高频100kHz10VA高频电源变压器,如次级绕组采用三重绝缘线,能把体积减小1/2~1/3,那一定是很宝贵的经验。请有关作者详细介绍优化设计方案,以便广大读者学习。
高频电源EMC电磁兼容性
电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生对外界的电磁干扰,又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括可闻的音频噪声和不可闻的高频噪声。高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩大的软磁材料,产生的电磁干扰大。例如,锰锌软磁铁氧体,磁致伸缩系数λS为21×10-6,是取向硅钢的7倍以上,是高磁导坡莫合金和非晶合金的20倍以上,是微晶纳米晶合金的10倍以上。因此锰锌软磁铁氧体磁芯产生的电磁干扰大。
高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。这些力的变化频率与高频电源变压器的工作频率一致。因此,工作频率为100kHz左右的高频电源变压器,没有特殊原因是不会产生20kHz以下音频噪声的。既然提出10W以下单片开关电源的音频噪声频率,约为10kHz~20kHz,一定有其原因。由于没有画出噪声频谱图,具体原因说不清楚,但是由高频电源变压器本身产生的可能性不大,没有必要采用玻璃珠胶合剂粘合磁芯。至于采用这种粘合工艺可将音频噪声降低5dB,请给出实例与数据以及对噪声原因的详细说明,才会令人可信。
屏蔽是防止电磁干扰,增加高频电源变压器电磁兼容性的好办法。但是为了阻止高频电源变压器的电磁干扰传播,在设计磁芯结构和设计绕组结构也应当采取相应的措施,只靠加外屏蔽带并不一定是最佳方案,因为它只能阻止辐射干扰,不能阻止传导干扰。
电子产品安规要求
安规的含义
以法规的形式实现电在应用中的安全;是安全规范(法律法规)和安全标准的简称。
执行安规的目的
降低电气产品对人身和财产的各种伤害,包括电击、起火、过热、机械伤害等,降低公司运行的风险。
电子产品设备可能存在的危险
1)电击; 2)能量危险(如电池的正负极短路);
3)着火; 4)与热有关的危险;
5)机械危险; 6)化学危险; 7)辐射危险。
电子产品安全的基本原则
设备在正常使用及单一故障条件下,防止引起人身伤害和着火等危险;
制造商应提供足够的资料,说明一切必须具备的条件,以保证用户在按制造商的规定使用设备时不会引起危险;
涉及安全的元器件,应经公认的试验机构认证,或作为设备的一个组成部分,承受有关试验;
如果需要特别注意,避免设备在操作、安装、维修、运输或储存时引起维修,则制造商应提供必要的说明。
与安全有关的说明书和设备标记应使用客户识别的文字和标识。
安全防护的基本思想
危险位置与人之间提供双重防护
防护的途径为采用合理的绝缘措施:
1、工作(功能)绝缘(F)
2、基本绝缘 (B)
3、附加绝缘 (S)
4、双重绝缘 (D)
5、加强绝缘 (R)
6、保护接地 (PE)
电击对人的伤害
人类对电的感应
1、皮肤阻抗:人的皮肤阻抗根据皮肤的湿度改变,干的时候达到3兆欧姆,潮湿时大约500欧姆,皮肤的阻抗也会随周围环境温度、疲劳情况空气湿度、惊吓、焦虑及其它因素改变。
2、研究表明:99%的健康男性的心脏能通过的极限电流的时间为:(即致命电流与时间)。

危险电压
1、 IEC 60950-1 办公室环境60Vdc,42.4Vpeak,30Vac
2、 IEC 60950-22户外环境30Vdc,21.2Vpeak,15Vac
安规器件的要求——X、Y电容

X、Y电容必须满足使用的电压要求;
X、Y电容必须满足温度要求
用于AC/DC一次侧的X、Y电容必须是安规电容,必须有欧洲和UL认证;


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