电场强度的定义是电位梯度,即两点之间的电位差与距离之比.一根数米长的导线,当其流过数安培的电流时,其两端电压最多也只有零点几伏,即几十毫伏/米的电场强度,就可以在导体内产生数安培的电流,可见电场作用效力之大,其干扰能力之强.
电感器和变压器是磁场最集中的元件,流过变压器次级线圈的电流是感应电流,这个感应电流是因为变压器初级线圈中有电流流过时,产生磁感应而产生的.在电感器和变压器周边的电路,都可看成是一个变压器的感应线圈,当电感器和变压器漏感产生的磁力线穿过某个电路时,此电路作为变压器的"次级线圈"就会产生感应电流.两个相邻回路的电路,也同样可以把其中的一个回路看成是变压器的"初级线圈",而另一个回路可以看成是变压器的"次级线圈",因此两个相邻回路同样产生电磁感应,即互相产生干扰.
在电子线路中只要有电场或磁场存在,就会产生电磁干扰.在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其他子系统的正常工作.
开关电源EMC设计实例
目前大多数电子产品都选用开关电源供电,以节省能源和提高工作效率;同时越来越多的产品也都含有数字电路,以提供更多的应用功能.开关电源电路和数字电路中的时钟电路是目前电子产品中最主要的电磁干扰源,它们是电磁兼容设计的主要内容.下面我们以一个开关电源的电磁兼容设计过程来进行分析.
图1是一个普遍应用的反激式(或称为回扫式)开关电源工作原理图,50Hz或60Hz交流电网电压首先经整流堆整流,并向储能滤波电容器C5充电,然后向变压器T1与开关管V1组成的负载回路供电.图2是进行过电磁兼容设计后的电气原理图.
1、对电流谐波的抑制
一般电容器C5的容量很大,其两端电压纹波很小,大约只有输入电压的10%左右,而仅当输入电压Ui大于电容器C5两端电压的时候,整流二极管才导通,因此在输入电压的一个周期内,整流二极管的导通时间很短,即导通角很小.这样整流电路中将出现脉冲尖峰电流,如图3所示.
这种脉冲尖峰电流如用傅立叶级数展开,将被看成由非常多的高次谐波电流组成,这些谐波电流将会降低电源设备的使用效率,即功率因数很低,并会倒灌到电网,对电网产生污染,严重时还会引起电网频率的波动,即交流电源闪烁.脉冲电流谐波和交流电源闪烁测试标准为:IEC61000-3-2及IEC61000-3-3.一般测试脉冲电流谐波的上限是40次谐波频率.
解决整流电路中出现脉冲尖峰电流过大的方法是在整流电路中串联一个功率因数校正(PFC)电路,或差模滤波电感器.PFC电路一般为一个并联式升压开关电源,其输出电压一般为直流400V,没有经功率因数校正之前的电源设备,其功率因数一般只有0.4~0.6,经校正后最高可达到0.98.PFC电路虽然可以解决整流电路中出现脉冲尖峰电流过大的问题,但又会带来新的高频干扰问题,这同样也要进行严格的EMC设计.用差模滤波电感器可以有效地抑制脉冲电流的峰值,从而降低电流谐波干扰,但不能提高功率因数.
图2中的L1为差模滤波电感器,差模滤波电感器一般用矽钢片材料制作,以提高电感量,为了防止大电流流过差模滤波电感器时产生磁饱和,一般差模滤波电感器的两个组线圈都各自留有一个漏感磁回路.
L1差模滤波电感可根据试验求得,也可以根据下式进行计算:
E=L*di/dt (1)
式中E为输入电压Ui与电容器C5两端电压的差值,即L1两端的电压降,L为电感量,di/dt为电流上升率.显然,要求电流上升率越小,则要求电感量就越大.
2、对振铃电压的抑制
由于变压器的初级有漏感,当电源开关管V1由饱和导通到截止关断时会产生反电动势,反电动势又会对变压器初级线圈的分布电容进行充放电,从而产生阻尼振荡,即产生振铃,如图4所示.变压器初级漏感产生反电动势的电压幅度一般都很高,其能量也很大,如不采取保护措施,反电动势一般都会把电源开关管击穿,同时反电动势产生的阻尼振荡还会产生很强的电磁辐射,不但对机器本身造成严重干扰,对机器周边环境也会产生严重的电磁干扰.
图2中的D1、R2、C6是抑制反电动势和振铃电压幅度的有效电路,当变压器初级漏感产生反电动势时,反电动势通过二极管D1对电容器C6进行充电,相当于电容器把反电动势的能量吸收掉,从而降低了反电动势和振铃电压的幅度.电容器C6充满电后,又会通过R2放电,正确选择RC放电的时间常数,使电容器在下次充电时的剩余电压刚好等于方波电压的幅度,此时电源的工作效率最高.
