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摘要: 电子线路中只要有电场或磁场存在,就会产生电磁干扰,发射的电磁波影响其它系统或本系统内其它子系统的正常工作,因此必须进行电磁兼容设计。分析电源电路中产生电磁干扰的原因,列出了电源干扰的类型,提出电源电路中电磁兼容设计的基本方法,并用实例验证其可行性。
关键词: 电磁兼容;电磁干扰
中图分类号:TN7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0220017-02
随着电子产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的LSI电路而更容易受到电磁干扰的威胁。与此同时,大功率家电、办公自动化设备的增多以及移动通讯、无线网络的广泛应用等,大大增加了电磁干扰的发生源。目前全球各地区基本都制定了电子产品符合严格的磁化系数和发射准则等的规章,这类电子产品称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility),即在同一电磁环境中,设备能够不因为其它设备的干扰影响正常工作,同时也不对其它设备产生影响工作的干扰。
电磁兼容设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰(Electrom
Agnetic Interference)进行优化设计,使之成为符合各国或地区电磁兼容性EMC标准的产品。
在电子产品中,各种干扰往往会通过电源传输给电子设备,从而对这些设备造成危害。有人对微机系统的失效统计概率可知:微机系统100次故障,其中90次来自电源,10次是微机本身,可见电源的可靠性最重要。具有良好抗干扰设计的电源,能使用户在产品设计中无需考虑由电源引起的电磁干扰问题,从而加快产品开发周期和节约开发成本。
本文首先分析了电源电磁干扰的原因,列出了电磁兼容的干扰类型,最后实例说明了电源电路中电磁兼容设计的基本方法。
1 电源干扰的类型
电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。“共模”干扰是指电源对大地,或中线对大地之间的电位差。有时也称为纵横干扰、不对称干扰或接地干扰,这是载流导体与大地之间的电位差。
“差模”干扰存在于电源相线与中线之间,对于三相电路来说,还存在于相线与相线之间。有时也称为常模干扰、横模干扰或对称干扰。
两种干扰模式的区别是十分重要的,因为共模干扰是不能用差模的方式来解决的,反之亦然。
干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间进行变化。其中也包括电压变化(如电压的跌落、浪涌与中断)、频率变化、波形失真(电压的或电流的)、持续噪声或杂波,以及瞬变等。
表1电源干扰的类型
表1中的几种干扰,能够通过电源进行传输并造成设备的破坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波,而静电放电等干扰只要电源设备本身不产生停振、输出电压跌落等现象,就不会造成由电源引起的对用电设备的影响。
良好的电源设计应使电源在较恶劣的电磁环境中本身能正常工作,同时应对电源线中的各种脉冲干扰有较好的抑制作用。
2 抑制电源干扰的方法
1)在电源的输入端加入线路滤波器。如图1所示。
图1典型的电源线路滤波器
其中L1和L2的线圈同方向绕在同一磁芯上,这两个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是互相抵销的,因此不会引起磁芯的饱和。而对于共模电流则可以反映为很大的电感,以便获得最大的滤波效果,所以又称为共模电感。
Cx电容被用来衰减差模干扰,CY电容用于衰减共模干扰。R用于消除可能在滤波器中出现的静电积累。
电源滤波器主要用于抑制30MHz以下频率范围的噪声,而对于脉冲干扰,其谐波频率往往高达上百兆赫,实际使用下来其效果往往并不明显。例如某研究机构对20种电源滤波器的抑制浪涌波的能力进行了测试,超过20dB的仅有4种,甚至有的会在输出端产生振荡。
2)采用带屏蔽层的变压器。
图2带屏蔽层的变压器
C1:初级绕组与屏蔽层之间的分布电容
C2:次级绕组与屏蔽层之间的分布电容
ZE:屏蔽层接地阻抗 Z2:负载对地阻抗
1:初级干扰(共模型)电压 e2:次级干扰(共模型)电压
由于共模干扰是一种相对大地的干扰,所以它主要通过变压器绕组间的耦合电容来传递。如果在初、次级之间插入屏蔽层,并使之良好接地,便能使干扰电压通过屏蔽层旁路掉,从而减小输出端的干扰电压。屏蔽层对变压器的能量传输并无不良影响,但影响了绕组间的耦合电容。图2画出了带屏蔽层的隔离变压器的共模干扰通路。从图2中可以看到要使共模衰减量大,只要变压器屏蔽层接地阻抗小,便能奏效。理论上带屏蔽层的变压器能使衰减量达到60dB左右。但实际使用后可以发现,对于尖峰干扰有抑制,其效果也不十分明显。
3)在电源的输入端加入多级线路滤波器。一般情况下,在图1所示电路中再加一级差模滤波器,用于衰减差模干扰。
4)压敏电阻器、瞬态电压抑制管(Transient Voltage Suppressor,
TVS管)等吸波器件。这类器件都有共同的特点,即在阈值电压以下呈现高阻抗,而一旦超过阈值电压,则阻抗便急剧下降,因此对尖峰电压都有一定的抑制作用,但也有各自的局限性,例如压敏电阻的电流吸收能力不够大,TVS管的阈值电压一般仅为300V～400V。
压敏电阻器、TVS管在电路中应并联使用。
3 电源电路参数的选择
电源的线路滤波器的参数的选择对于不同的电路,应根据电流、电压、频率范围等因素综合考虑,有时应通过试验来确定。本节只对压敏电阻、TVS管的参数选择进行说明。
3.1 压敏电阻器
3.1.1 压敏电阻器的作用
压敏电阻器的电压与电流不遵守欧姆定律,而成特殊的非线性关系。当两端所加电压低于标称额定电压值时,压敏电阻器的电阻值接近无穷大,内部几乎无电流流过;当两端所加电压略高于标称额定电压值时,压敏电阻器将迅速击穿导通,并由高阻状态变为低阻状态,工作电流也急剧增大;当两端所加电压低于标称额定电压值时,压敏电阻器又恢复为高阻状态;当两端所加电压超过最大限制电压值时,压敏电阻器将完全击穿损坏,无法再自行恢复。
3.1.2 压敏电阻器的主要参数
标称电压(V):指通过1mA直流电流时压敏电阻器两端的电压值。
最大限制电压(V):指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值。
通流容量(kA):通流容量也称通流量,是指在规定的条件(规定的时间间隔和次数,施加标准的冲击电流)下,允许通过压敏电阻器上的最大脉冲(峰值)电流值。
3.1.3 压敏电阻器的选取计算
一般地说,压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用,在正常情况下,压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压,即使在电源波动情况最坏时,也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压,该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。对于过压保护方面的应用,压敏电压值应大于实际电路的电压值,一般应使用下式进行选择:
VmA=(a×v)/(b×c)
式中:a为电路电压波动系数,一般取1.2;v为电路直流工作电压(交流时为有效值);b为压敏电压误差,一般取0.85;c为元件的老化系数,一般取0.9。
这样计算得到的VmA实际数值是直流工作电压的1.5倍,在交流状态下还要考虑峰值,因此计算结果应扩大1.414倍。另外,选用时还必须注意:
1)必须保证在电压波动最大时,连续工作电压也不会超过最大允许值,否则将缩短压敏电阻的使用寿命;
2)在电源线与大地间使用压敏电阻时,有时由于接地不良而使线与地之间电压上升,所以通常采用比线与线间使用场合更高标称电压的压敏电阻器。
3)压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量。
3.2 TVS管
3.2.1 TVS管的作用
TVS管是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-12秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。
3.2.2 TVS管的主要参数
1)最大反向漏电流Id和额定反向关断电压VWM。VWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压,当这个反向电压加入TVS的两极间时,它处于反向关断状态,流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流Id。
2)最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS最小的雪崩电压。25℃时,在这个电压之前,TVS是不导通的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时,加入TVS两极间的电压为其最小击穿电压VBR。
3)最大箝拉电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间20微秒的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两极间出现的最大峰值电压为VC。
4)最大峰值脉冲功耗PM。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲耗散功率。
3.2.3 TVS管的选取计算
1)TVS额定反向关断VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。
2)最小击穿电压VBR=VWM/KBR(其中:KBR=0.8～0.9)。
3)TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。
即:VC=KC×VBR(其中:KC=1.3)
4)在规定的脉冲持续时间内,TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。
目前,压敏电阻器主要应用于家用电器及其它电子产品中。TVS管广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表等领域。
4 应用实例
下图3是一个直流电源的前级抑制干扰原理图。
图3直流电源部分原理图
图3中KZ、KF外接24V直流电源,YR1为压敏电阻,VmA=1.5×24=36(V),
用于抗浪涌冲击。L1、L2、C1和C2构成平衡型LC滤波器,抑制差模干扰。L3为共模电感,用于抑制共模干扰。TVS1用于抑制电快速瞬变脉冲群干扰。如果“GND”不能通过机壳接地,必需要加TVS2接KF,目的是把瞬变脉冲干扰信号“导”向大地。
通过以上的抗干扰措施,输出的DC24V就比较干净,可以后接稳压块等向电子电路供电。以上电源电路已在实际电子电路中使用,效果很好。
5 结论
对电磁环境和干扰的研究,多年来一直在两个方面进行:一是研究器件的噪声物理特性,探索克服元器件噪声的新方法,用于设计和开发具有更高功能的新型电子器件。二是研究影响电子电路和电子设备电磁兼容的各种因素,总结增强电子设备电磁兼容性的各种方法,用于设计和开发更为理想的电路结构,组装出符合预期应用环境的电子装置、设备和系统。对于电子线路设计者来说,主要考虑第二方面。电子线路中的EMC设计,实际上主要是“堵”和“导”的方法,“堵”的方法是抑制干扰,不让干扰进入系统;“导”的方法是把内部的干扰信号泄露出来。因此,在实际应用中往往多种方法并用,以提高整个系统的可靠性。
参考文献:
[1]中国标准出版社,电磁兼容标准实施指南[M].北京:中国标准出版社,1999.
[2]EN50121-4 2000 Railway applications-Electromagnetic compatibility-Part 4:Emission and immunity of the signaling and telecommunications apparatus[S].2000.
[3]陈淑凤,电磁兼容试验技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2001.
[4]米切尔.麦迪圭安著,电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术[M].刘萍译,北京:机械工业出版社,2002.
[5]钱振宇,电源系列-开关电源的电磁兼容性设计与测试[M].北京:电子工业出版社,2005.
[6]郑军奇,EMC(电磁兼容)设计与测试案例分析-电磁兼容技术系列[M].北京:电子工业出版社,2006.
关键词: 电磁兼容;电磁干扰
中图分类号:TN7文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0220017-02
随着电子产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的LSI电路而更容易受到电磁干扰的威胁。与此同时,大功率家电、办公自动化设备的增多以及移动通讯、无线网络的广泛应用等,大大增加了电磁干扰的发生源。目前全球各地区基本都制定了电子产品符合严格的磁化系数和发射准则等的规章,这类电子产品称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility),即在同一电磁环境中,设备能够不因为其它设备的干扰影响正常工作,同时也不对其它设备产生影响工作的干扰。
电磁兼容设计实际上就是针对电子产品中产生的电磁干扰(Electrom
Agnetic Interference)进行优化设计,使之成为符合各国或地区电磁兼容性EMC标准的产品。
在电子产品中,各种干扰往往会通过电源传输给电子设备,从而对这些设备造成危害。有人对微机系统的失效统计概率可知:微机系统100次故障,其中90次来自电源,10次是微机本身,可见电源的可靠性最重要。具有良好抗干扰设计的电源,能使用户在产品设计中无需考虑由电源引起的电磁干扰问题,从而加快产品开发周期和节约开发成本。
本文首先分析了电源电磁干扰的原因,列出了电磁兼容的干扰类型,最后实例说明了电源电路中电磁兼容设计的基本方法。
1 电源干扰的类型
电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。“共模”干扰是指电源对大地,或中线对大地之间的电位差。有时也称为纵横干扰、不对称干扰或接地干扰,这是载流导体与大地之间的电位差。
“差模”干扰存在于电源相线与中线之间,对于三相电路来说,还存在于相线与相线之间。有时也称为常模干扰、横模干扰或对称干扰。
两种干扰模式的区别是十分重要的,因为共模干扰是不能用差模的方式来解决的,反之亦然。
干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间进行变化。其中也包括电压变化(如电压的跌落、浪涌与中断)、频率变化、波形失真(电压的或电流的)、持续噪声或杂波,以及瞬变等。
表1电源干扰的类型
表1中的几种干扰,能够通过电源进行传输并造成设备的破坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波,而静电放电等干扰只要电源设备本身不产生停振、输出电压跌落等现象,就不会造成由电源引起的对用电设备的影响。
良好的电源设计应使电源在较恶劣的电磁环境中本身能正常工作,同时应对电源线中的各种脉冲干扰有较好的抑制作用。
2 抑制电源干扰的方法
1)在电源的输入端加入线路滤波器。如图1所示。
图1典型的电源线路滤波器
其中L1和L2的线圈同方向绕在同一磁芯上,这两个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是互相抵销的,因此不会引起磁芯的饱和。而对于共模电流则可以反映为很大的电感,以便获得最大的滤波效果,所以又称为共模电感。
Cx电容被用来衰减差模干扰,CY电容用于衰减共模干扰。R用于消除可能在滤波器中出现的静电积累。
电源滤波器主要用于抑制30MHz以下频率范围的噪声,而对于脉冲干扰,其谐波频率往往高达上百兆赫,实际使用下来其效果往往并不明显。例如某研究机构对20种电源滤波器的抑制浪涌波的能力进行了测试,超过20dB的仅有4种,甚至有的会在输出端产生振荡。
2)采用带屏蔽层的变压器。
图2带屏蔽层的变压器
C1:初级绕组与屏蔽层之间的分布电容
C2:次级绕组与屏蔽层之间的分布电容
ZE:屏蔽层接地阻抗 Z2:负载对地阻抗
1:初级干扰(共模型)电压 e2:次级干扰(共模型)电压
由于共模干扰是一种相对大地的干扰,所以它主要通过变压器绕组间的耦合电容来传递。如果在初、次级之间插入屏蔽层,并使之良好接地,便能使干扰电压通过屏蔽层旁路掉,从而减小输出端的干扰电压。屏蔽层对变压器的能量传输并无不良影响,但影响了绕组间的耦合电容。图2画出了带屏蔽层的隔离变压器的共模干扰通路。从图2中可以看到要使共模衰减量大,只要变压器屏蔽层接地阻抗小,便能奏效。理论上带屏蔽层的变压器能使衰减量达到60dB左右。但实际使用后可以发现,对于尖峰干扰有抑制,其效果也不十分明显。
3)在电源的输入端加入多级线路滤波器。一般情况下,在图1所示电路中再加一级差模滤波器,用于衰减差模干扰。
4)压敏电阻器、瞬态电压抑制管(Transient Voltage Suppressor,
TVS管)等吸波器件。这类器件都有共同的特点,即在阈值电压以下呈现高阻抗,而一旦超过阈值电压,则阻抗便急剧下降,因此对尖峰电压都有一定的抑制作用,但也有各自的局限性,例如压敏电阻的电流吸收能力不够大,TVS管的阈值电压一般仅为300V～400V。
压敏电阻器、TVS管在电路中应并联使用。
3 电源电路参数的选择
电源的线路滤波器的参数的选择对于不同的电路,应根据电流、电压、频率范围等因素综合考虑,有时应通过试验来确定。本节只对压敏电阻、TVS管的参数选择进行说明。
3.1 压敏电阻器
3.1.1 压敏电阻器的作用
压敏电阻器的电压与电流不遵守欧姆定律,而成特殊的非线性关系。当两端所加电压低于标称额定电压值时,压敏电阻器的电阻值接近无穷大,内部几乎无电流流过;当两端所加电压略高于标称额定电压值时,压敏电阻器将迅速击穿导通,并由高阻状态变为低阻状态,工作电流也急剧增大;当两端所加电压低于标称额定电压值时,压敏电阻器又恢复为高阻状态;当两端所加电压超过最大限制电压值时,压敏电阻器将完全击穿损坏,无法再自行恢复。
3.1.2 压敏电阻器的主要参数
标称电压(V):指通过1mA直流电流时压敏电阻器两端的电压值。
最大限制电压(V):指压敏电阻器两端所能承受的最高电压值。
通流容量(kA):通流容量也称通流量,是指在规定的条件(规定的时间间隔和次数,施加标准的冲击电流)下,允许通过压敏电阻器上的最大脉冲(峰值)电流值。
3.1.3 压敏电阻器的选取计算
一般地说,压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用,在正常情况下,压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压,即使在电源波动情况最坏时,也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压,该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。对于过压保护方面的应用,压敏电压值应大于实际电路的电压值,一般应使用下式进行选择:
VmA=(a×v)/(b×c)
式中:a为电路电压波动系数,一般取1.2;v为电路直流工作电压(交流时为有效值);b为压敏电压误差,一般取0.85;c为元件的老化系数,一般取0.9。
这样计算得到的VmA实际数值是直流工作电压的1.5倍,在交流状态下还要考虑峰值,因此计算结果应扩大1.414倍。另外,选用时还必须注意:
1)必须保证在电压波动最大时,连续工作电压也不会超过最大允许值,否则将缩短压敏电阻的使用寿命;
2)在电源线与大地间使用压敏电阻时,有时由于接地不良而使线与地之间电压上升,所以通常采用比线与线间使用场合更高标称电压的压敏电阻器。
3)压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量。
3.2 TVS管
3.2.1 TVS管的作用
TVS管是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-12秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。
3.2.2 TVS管的主要参数
1)最大反向漏电流Id和额定反向关断电压VWM。VWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压,当这个反向电压加入TVS的两极间时,它处于反向关断状态,流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流Id。
2)最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS最小的雪崩电压。25℃时,在这个电压之前,TVS是不导通的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时,加入TVS两极间的电压为其最小击穿电压VBR。
3)最大箝拉电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间20微秒的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两极间出现的最大峰值电压为VC。
4)最大峰值脉冲功耗PM。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲耗散功率。
3.2.3 TVS管的选取计算
1)TVS额定反向关断VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。
2)最小击穿电压VBR=VWM/KBR(其中:KBR=0.8～0.9)。
3)TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。
即:VC=KC×VBR(其中:KC=1.3)
4)在规定的脉冲持续时间内,TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。
目前,压敏电阻器主要应用于家用电器及其它电子产品中。TVS管广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表等领域。
4 应用实例
下图3是一个直流电源的前级抑制干扰原理图。
图3直流电源部分原理图
图3中KZ、KF外接24V直流电源,YR1为压敏电阻,VmA=1.5×24=36(V),
用于抗浪涌冲击。L1、L2、C1和C2构成平衡型LC滤波器,抑制差模干扰。L3为共模电感,用于抑制共模干扰。TVS1用于抑制电快速瞬变脉冲群干扰。如果“GND”不能通过机壳接地,必需要加TVS2接KF,目的是把瞬变脉冲干扰信号“导”向大地。
通过以上的抗干扰措施,输出的DC24V就比较干净,可以后接稳压块等向电子电路供电。以上电源电路已在实际电子电路中使用,效果很好。
5 结论
对电磁环境和干扰的研究,多年来一直在两个方面进行:一是研究器件的噪声物理特性,探索克服元器件噪声的新方法,用于设计和开发具有更高功能的新型电子器件。二是研究影响电子电路和电子设备电磁兼容的各种因素,总结增强电子设备电磁兼容性的各种方法,用于设计和开发更为理想的电路结构,组装出符合预期应用环境的电子装置、设备和系统。对于电子线路设计者来说,主要考虑第二方面。电子线路中的EMC设计,实际上主要是“堵”和“导”的方法,“堵”的方法是抑制干扰,不让干扰进入系统;“导”的方法是把内部的干扰信号泄露出来。因此,在实际应用中往往多种方法并用,以提高整个系统的可靠性。
参考文献:
[1]中国标准出版社,电磁兼容标准实施指南[M].北京:中国标准出版社,1999.
[2]EN50121-4 2000 Railway applications-Electromagnetic compatibility-Part 4:Emission and immunity of the signaling and telecommunications apparatus[S].2000.
[3]陈淑凤,电磁兼容试验技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2001.
[4]米切尔.麦迪圭安著,电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术[M].刘萍译,北京:机械工业出版社,2002.
[5]钱振宇,电源系列-开关电源的电磁兼容性设计与测试[M].北京:电子工业出版社,2005.
[6]郑军奇,EMC(电磁兼容)设计与测试案例分析-电磁兼容技术系列[M].北京:电子工业出版社,2006.