設(shè)計開關(guān)電[斷路器機械特性測試儀]源的電磁兼容性的原理
現(xiàn)代技術(shù)的快速發(fā)展,電氣和電子設(shè)備的種類不斷增加,使得電磁環(huán)境日益復(fù)雜。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中,各種設(shè)備或系統(tǒng)能否正常工作,成為一個急待解決的問題。作為各種設(shè)備或系統(tǒng)的重要部分——開關(guān)電源,既是騷擾源,同時又是被干擾者。大功率開關(guān)電源往往是騷擾源。各種開關(guān)電源在工作時,往往要產(chǎn)生一些有用或無用的電磁能量,這些電磁能量會影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作,這就是電磁騷擾。電磁騷擾有可能使開關(guān)電源的工作性能下降,甚至使開關(guān)電源的使用壽命縮短,或根本無法正常工作。可見,電磁兼容性設(shè)計在開關(guān)電源中是非常重要的和*的。
在開關(guān)電源中,電磁兼容性設(shè)計的目的是使開關(guān)電源在預(yù)期的電磁環(huán)境中實現(xiàn)電磁兼容,其要求是使開關(guān)電源滿足有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定并具有如下兩方面的能力:①能在預(yù)期的電磁環(huán)境中正常工作,不出現(xiàn)性能下降或故障;②對電磁環(huán)境無污染。
1 關(guān)于電磁兼容的幾個重要概念
1.1 電磁環(huán)境
電磁環(huán)境(Electromagnetic Environment)
是指設(shè)備或系統(tǒng)在正常工作時,可能遇到的輻射或傳導(dǎo)電磁發(fā)射電平在不同頻率范圍內(nèi)功率和時間的分布。
1.2 電磁騷擾
電磁騷擾(Electromagnetic Disturbance)是指任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能下降,或者對有生命或無生命物產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾是客觀存在的一種物理現(xiàn)象,其產(chǎn)生原因可能是外界因素,也可能是本身的變化。 信息來自:
電磁騷擾根據(jù)其來源,可分為自然騷擾和人為騷擾兩大類。自然騷擾以其發(fā)生源不可控為特點,例如電子噪聲、天電噪聲、地球外噪聲、沉積靜電等。人為騷擾以其發(fā)生源可知并且可控為特點。例如:高頻及微波設(shè)備、高壓設(shè)備、開關(guān)設(shè)備、火花設(shè)備、核電磁脈沖等。
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1.3 電磁干擾
電磁干擾(Electromagnetic Interference, 簡寫為EMI)是指電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。電磁干擾是電磁騷擾的后果,引起電磁干擾的可能是另一設(shè)備或系統(tǒng)的有用電磁信號,也可能是某種電磁噪聲。
電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, 簡寫為EMC)是指器件、設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中正常工作,并不對其環(huán)境產(chǎn)生任何難以承受的電磁騷擾的能力。按上述定義,電磁兼容性包含以下兩方面的含義:
1.4.1 設(shè)備或系統(tǒng)應(yīng)具有抵抗給定電磁騷擾的能力。即它應(yīng)不會受到處于同一電磁環(huán)境中的其設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)射的電磁騷擾而產(chǎn)生不允許的工作性能下降。
1.4.2 設(shè)備或系統(tǒng)不產(chǎn)生超過規(guī)定限度的電磁騷擾。即它不會產(chǎn)生使處于同一電磁環(huán)境中的其他設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)超過規(guī)定限度的工作性能降低的電磁騷擾。
2 電磁騷擾傳播的一般途徑
從干擾源把電磁能量傳到干擾對象有兩種方式:傳導(dǎo)方式和輻射方式。從接收器的角度看,耦合可分為兩類:傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。傳導(dǎo)耦合又分為直接傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合和轉(zhuǎn)移阻抗耦合,輻射耦合又分為場(天線)對天線耦合、場對電纜耦合和電纜對電纜的耦合。
在實際情況中,傳導(dǎo)耦合和輻射耦合并不是截然不同的,它們可以相互轉(zhuǎn)化。例如在金屬傳導(dǎo)線中傳導(dǎo)的電流很大時,輻射也會很嚴(yán)重。
3 開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計
根據(jù)電磁騷擾的傳播途徑,開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計包括:完善電路設(shè)計、接地設(shè)計、濾波設(shè)計、屏蔽設(shè)計。
3.1 完善電路設(shè)計
所選擇開關(guān)電源電路拓?fù)洳灰水a(chǎn)生過高的電壓和過大的電流,以避免高電壓電場干擾和大電流磁場干擾。在滿足要求的情況下,放大器的頻帶盡量窄,使其不易受干擾。適當(dāng)增加緩沖電路。
印刷電路板設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點:①高、中、低速邏輯電路同時應(yīng)用時,高速應(yīng)設(shè)計在電路板的入口處;②信號入口加RC去耦濾波,消除長線傳輸干擾;③電路中的電流環(huán)路應(yīng)保持zui小;④信號線和回線應(yīng)盡可能接近;⑤使用較大的地平面以減小地線阻抗;⑥電源線和地線應(yīng)相互接近;⑦在多層電路板中,應(yīng)把電源面和地平面分開;⑧圓弧布線,不突變;⑨盡量縮短連線;⑩模擬電路和數(shù)字電路分開,功率電路和控制電路分開。
3.2 接地設(shè)計
接地是開關(guān)電源設(shè)備抑制電磁噪聲的重要方法。
接地的作用:①提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性,若不與大地相接,易受地電容的干擾; ②泄放靜電感應(yīng)在機箱上的靜電,避免高壓放電;③操作安全。
不考慮安全接地,僅從電路參考點的角度考慮,接地可分為懸浮地、單點接地、多點接地和混合接地。 信息來源:
懸浮地:使開關(guān)電源中的參考地與機殼隔離,可以避免機殼中的干擾電流直接耦合到電源電路中。當(dāng)浮地系統(tǒng)靠近高壓時,可能堆積靜電荷,形成危害,或引起靜電放電,形成干擾電流。在雷電環(huán)境下,在機箱和單元電路間產(chǎn)生電弧。所以開關(guān)電源中不宜采用懸浮地。
單點接地:又分為單點串聯(lián)接地和單點并聯(lián)接地。單點串聯(lián)接地的優(yōu)點是比較簡單,其缺點是各電路會通過接地線,相互影響。在采用這種接地方式時必須注意把zui高電平電路放在zui靠近接地點的A處,以使B點和C點的電位升高zui小。相對單點串聯(lián)接地,單點并聯(lián)接地?zé)o公共地阻抗干擾,但地線數(shù)量多,在高頻(MHz以上)時效果差。
多點接地:各接地點就近接地,其優(yōu)點是:接線簡單,引線短,高頻駐波現(xiàn)象顯著減少。其缺點是:接地阻抗隨頻率升高而增大。
混合接地:實際情況比較復(fù)雜,很難僅通過一種簡單的接地方式來解決,而是常常采用單點接地和多點接地組合成混合接地。
3.3 濾波設(shè)計
濾波是消除干擾經(jīng)常采用的措施。在設(shè)計和選用濾波器時應(yīng)注意以下幾個問題:①明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率,如兩者非常接近,則需要應(yīng)用頻率特性非常陡峭的濾波器,才能把兩種頻率分開;②保證濾波器在高壓情況下能夠可靠地工作;③濾波器連續(xù)通以zui大額定電流時,其溫升要低,以保證在該額定電流連續(xù)工作時,不破壞濾波器中器件的工作性能;④為使工作時的濾波器頻率特性與設(shè)計值相符合,要求與它連接的信號源阻抗和負(fù)載阻抗的數(shù)值等于設(shè)計時的規(guī)定值;⑤濾波器必須具有屏蔽結(jié)構(gòu),屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸,濾波器的電容引線應(yīng)盡量短,選用低引線短電感的穿心電容。
安裝濾波器時應(yīng)注意以下幾點:①電源線路濾波器應(yīng)安裝在離設(shè)備電源入口盡量靠近的地方,不要讓未經(jīng)過濾波器的電源線在設(shè)備框內(nèi)迂回;②濾波器中的電容器引線應(yīng)盡可能短,以免因引線感抗和容抗在較低頻率上諧振;③濾波器的接地導(dǎo)線上有很大的短路電流通過,會引起附加的電磁輻射,故應(yīng)對濾波器元件本身進行良好的屏蔽和接地處理;④濾波器的輸入和輸出線不能交叉,否則會因濾波器的輸入—輸出電容耦合通路引起串?dāng)_,從而降低濾波特性,通常的辦法是輸入和輸出端之間加隔板或屏蔽層。
3.4 屏蔽設(shè)計
屏蔽有兩個目的,一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出該內(nèi)部區(qū)域,二是防止外來的輻射干擾進入該內(nèi)部區(qū)域。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導(dǎo)作用,而這些作用是與屏蔽結(jié)構(gòu)表面上和屏蔽體內(nèi)感生的電荷、電流與極化現(xiàn)象密切相關(guān)的。
屏蔽體的設(shè)計原則:①首先確定電磁環(huán)境,包括電磁場的類型、場的強度、頻率及屏蔽體至源的距離等;②確定接收機的敏感度以及對屏蔽體的屏蔽要求;③根據(jù)電磁屏蔽的要求及電磁場的性質(zhì),適當(dāng)選擇材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率和厚度;④在確定屏蔽材料之后,進行屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計,對于電場屏蔽主要選擇高電導(dǎo)率材料(如銅),對于磁場屏蔽,特別是低頻磁場屏蔽;主要選擇鐵或其他高磁導(dǎo)率材料。若達不到要求,在允許的條件下,可以采用增大厚度的辦法;⑤如果單層屏蔽不能滿足屏蔽要求,可用雙層以上的屏蔽,以獲得更好的屏蔽效果; ⑥當(dāng)屏蔽室需要透明時,可采用金屬網(wǎng)屏蔽,金屬網(wǎng)屏蔽的效能顯然比不上金屬實壁屏蔽體,所以一般采用雙層屏蔽;⑦對于通風(fēng)孔、探測器的開口屏蔽殼體、電纜進出口接插件等開口處均按特殊要求進行設(shè)計。
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