电源工程师最怕的EMC,原来可以这么简单!

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由于现在开关电源的速度越来越快,功率越来越高,密度越来越大,必然会产生干扰问题,我们就要解决这个干扰。干扰分为两个方面,一个是干扰其他的电器产品,简称EMI(electromagnetic interference)电磁干扰;另一个是被其他电器产品干扰,也叫抗干扰性,我们用EMS(electromagnetic susceptibility)表示。因此,做电磁兼容,实际上是做这两个部分,电磁兼容简称EMC(electromagnetic compatibility),我们这里主要是讨论EMC的问题。

电磁兼容从两个方面去考虑:一方面,一般性产品都有电源引入线和产品本身的器件组成,做电磁兼容需要消除电源线上引入的外部噪音,以及电气产品产生的噪音;另一方面,还要避免向外部发出噪音干扰,这样在自己正常工作的同时也不影响别人。

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一般来讲,我们把输入的无用信号,统称为噪音。要想理解以上问题,我们需要知道什么叫噪音。最早的时候,由于电源发出一些声响,我们把这样的声响称为噪音,但是实际上人耳接受频段的能力是有限的,2Hz-2KHz。实际上更多的频段的信息(无用信号)是人耳听不见的,因此我们把凡是对器件本身无用的信号称为噪音。

 

噪音按照传播路径来分,可以分为传导噪音干扰,和空间噪音干扰。其传导干扰,主要通过导体传播。通过导电介质,把一个电网络上的介质,耦合到另一个电网络。那么这个更多的是由电场中电子运动引起的,因此它的频谱带宽并不高,在30M以下。另外一种,由于电子运转速度越快和电流的变化速度越快产生了磁场,而磁场之间又是相互耦合,我们把这样的现象称为电磁场。电磁场由于频谱较高,一般在30 Hz-30 ZHz,由于带宽高,斜率陡,它更容易向空间辐射,我们把这样的干扰称为辐射干扰,所以解决EMC的问题是解决传导干扰和辐射干扰这两类问题。从技术角度来说是解决电场和电磁场问题。由于这些干扰对产品产生负面影响,甚至不能够正常工作,所以我们尽可能消灭它。那么从原理来说,我们只要衰减这些信号波,干扰波,让它们的破坏降低就可以了。从方法角度来说,我们一般用滤波器来进行衰减,甚至消除。那么传导噪音干扰,一般可以通过设计滤波电路,或者增加滤波器的方法来进行抑制和衰减。也可以采用双绞线,或同轴电缆的方式。而空间辐射干扰则主要通过密封屏蔽技术在结构上实行电磁屏蔽。比如说可以用带屏蔽层的电源线,结构上可以用电源罩。比如笔记本电脑上采用屏蔽贴,一些产品上镀一层导电漆来进行屏蔽。

 

综上所述,电磁干扰分为传导干扰,空间干扰;传导干扰又分共模干扰和差模干扰,那么空间干扰又分辐射干扰和感应干扰;感应干扰又分电场耦合和磁场耦合。

 

那么,构成干扰要有三要素,骚扰源,传播途径,敏感设备。骚扰源分两种,一种是电场的骚扰源,一种是磁场的骚扰源。

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在电路设计中如何解决共模干扰和差模干扰?

上文提到的传导噪音干扰,又分为差模干扰和共模干扰两种。差模干扰是指两条电源线之间(wire to wire)的,主要通过选择合适的电容(X电容,也称安规电容),和差模线圈来进行抑制和衰减。共模干扰则是两条电源线分别对大地(简称线对地)的,主要通过选择合适的电容(Y电容,也是安规级别的),和共模线圈来进行抑制和衰减。我们常用的低通滤波器,一般会同时具有抑制共模和差模干扰的功能。

 

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如图1,3为差模电容,2为共模电感,4为共模电容。

1,2,3共同组成的叫π型滤波器,1,3组成的电容主要是滤两根线之间的信号差,因此而得名。一般这两个电容的取值在0.22 uf-1.5 uf。在出现干扰超标的时候,一般解决方法是把这两个电容的值加大,但随着电容容值加大,会导致漏电流加大,这点需要注意。

 

2为共模电感,这个上面有两根独立的线圈,方向相反的绕制在同一个圆形闭合的磁芯上,当有差分信号通过时,由于这两根导线大小相等,反向相反,因此产生的磁场相互抵消了。共模电感的感量选型一般在几百微亨到几毫亨级别。4为共模电容,这两个电容由于分别连接着L和N两根线且对地的,呈Y型状,因此而得名。它们的取值一般在2200pF-6800pF,其值越大,越容易解决干扰问题,但是漏电也越大,取值要甚重。

 

当电路中的正常电流流经共模电感时,电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消,此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼);当有共模电流流经线圈时,由于共模电流的同向性,会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗,使线圈表现为高阻抗,产生较强的阻尼效果,以此衰减共模电流,达到滤波的目的。

 

一般 滤波器不单独使用差模线圈,因为共模电感两边绕线不一致等原因,电感必定不会相同,因此能起到一定的差模电感的作用。如果差模干扰比较严重,就要追加差模线圈。

 

 

差模干扰:简单的说就是线对线的干扰。

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如图,我们可以看到差模的原理图。UDM 就是差模电压,IDM 就是差模电流。IDM 大小相同,方向相反。

 

差模干扰产生的原因

差模干扰中的干扰是起源在同一电源线路之中(直接注入)。如同一线路中工作的电机,开关电源,可控硅等,他们在电源线上所产生的干扰就是差模干扰

如何影响设备。

 

差模干扰直接作用在设备两端的,直接影响设备工作,甚至破坏设备。(表现为尖峰电压,电压跌落及中断。)

如何滤除差模干扰

 

主要采用差模电感和差模电容。

差模电感的工作原理:

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可以看到,当电流流过差模线圈之后,线圈里面的磁通是增强的,相当于两个磁通之和。线圈特性 低频率低阻抗 高频率高阻抗 决定了在高频时利用它的高阻抗衰减差模信号。(如图下图所示)

 

当频率为50Hz时,线圈阻抗接近于0,相当于一根导线,不起任何衰减作用。

当频率为500k Hz时,阻抗达到5k 欧,而理想状态下,此时负载阻抗一般考虑为50欧。

 

根据上面公司,此时差模线圈分得了99%的差模干扰电压。而负载只分得了1%的差模干扰电压。

 

同时,电流也有很大的衰减。(可以算出此时线圈的差模插入损耗)

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差模电容工作原理:

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可以看到:

电容特性 低频率高阻抗 高频率低阻抗。滤波器利用电容在高频时它的低阻抗短路掉差模干扰。(如下图所示:)

 

当频率为50Hz时,电容阻抗趋近于无穷大,相当于短路,不起任何衰减作用。

当频率为500k Hz时,电容阻抗很小,根据上式可以看到,差模复杂的电流衰减为趋近于0。

如当频率为500k Hz时,负载50欧,容抗0.05欧。

 

此时电容分得了99.9%的差模干扰电流,而负载只分得了0.1%的差模干扰电流。

也就是说500k Hz 时,电容使得差模干扰下降了30dB。

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共模:就是同时对地的干扰

 

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如图,我们可以看到共模的原理图,UPQ 就是共模电压,ICM1 ICM2就是共模电流。ICM1 ICM2大小不一定相同,方向相同。

 

共模干扰产生的原因很多,主要原因有以下几点。

1.电网串入共模干扰电压。

2.辐射干扰(如雷击,设备电弧,附近电台,大功率辐射源)在心啊后线上感应出共模干扰。(原理是 交变的磁场 产生交变的电流,犹豫地线,零线回路面积与地线 火线回路面积不相同,两个回路阻抗不通等原因造成电流大小不同)

3.接地电压不一样,也就是说电位差异引入共模干扰

4.也包括设备内部电线 对电源线的影响。

 

如何影响设备

共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的配电供电室。变送器输出信号的共模电压普遍较高,有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电流可转换成差模电压,直接影响测控信号。造成元器件损坏,这种共模干扰可为直流,亦可为交流。如图

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ICM2 近似等于ICM1:而Z1不等于Z2;UP=ICM2*ZCM2;UQ=ICM1*ZCM1

所以UP不等于UQ,从未转换为差模电压UPQ

也就是说,共模干扰不直接影响设备,而是通过转化为差模电压来影响设备。

 

如何滤除共模干扰(共模线圈 共模电容)

共模线圈

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共模线圈和差模线圈原理比较类似,都是利用线圈高频时的高阻抗来衰减干扰信号。

共模线圈和差模线圈绕线方法刚好相反(如图)

因为差模线圈在滤除干扰的同时,还会一定程度的增加阻抗。而共模线圈对方向相反的电流基本不起作用。所以我们在能够满足特性的前提下,一般很少使用差模线圈。

 

 

共模电容的工作原理

 

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共模电容的工作原理和差模电容的工作原理是一致的,

都是利用电容的高频低阻抗,使高频干扰信号短路,而低频时电路不受任何影响。

只是差模电容是两极之间短路。而共模电容是线对地短路。

 

 

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