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陶顯芳老師談電磁干擾與電磁兼容(七)

發(fā)布時(shí)間:2009-03-06

中心議題:
  • 常用電磁兼容設(shè)計(jì)方法介紹
解決方案:
  • 對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行電磁屏蔽,屏蔽的壞處是有可能產(chǎn)生電磁反射乃至電磁振蕩
  • 不可過(guò)于追求開(kāi)關(guān)電源的效率以避免加重開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾
  • 通過(guò)在電路中并聯(lián)Y電容和X電容減少傳導(dǎo)干擾,但此類(lèi)電容電容,不可隨便替代
  • 還要選用多個(gè)電感濾波器一起組合對(duì)電磁干擾進(jìn)行濾波,其中共膜電感濾波器的使用越來(lái)越多

電磁兼容EMC設(shè)計(jì)
電磁兼容EMC設(shè)計(jì)的目的就是想辦法使自己設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的電子設(shè)備產(chǎn)生各種干擾信號(hào)的幅度符合別人的要求;同時(shí)還要想辦法讓自己設(shè)計(jì)或生產(chǎn)的電子設(shè)備在受到其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾的情況下還能正常工作。因此,EMC標(biāo)準(zhǔn)一般都是強(qiáng)制性的。
防止電子設(shè)備產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾最好的方法,是采金屬機(jī)殼對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽,以及對(duì)電源輸入電路用變壓器進(jìn)行隔離,并且還要對(duì)變壓器也進(jìn)行靜電感應(yīng)和磁感應(yīng)屏蔽。但由于金屬機(jī)殼比較笨重,并且成本很高,另外50周的電源變壓器體積很大,并且對(duì)其進(jìn)行靜電感應(yīng)和磁感應(yīng)屏蔽也比較麻煩,因此,這兩種方法只有一些要求特別高的場(chǎng)合才會(huì)使用,例如:精密測(cè)試儀表,對(duì)于一般的普通電器設(shè)備,目前已很少使用。

在塑料機(jī)殼內(nèi)表面噴涂導(dǎo)電材料也是一種對(duì)電磁屏蔽很有效的方法,比如,在塑料機(jī)殼內(nèi)表面噴涂石墨,對(duì)超高頻電磁屏蔽效果就非常好,因?yàn)?,石墨既?dǎo)電又有電阻,是吸收電磁波的良好材料,它不容易對(duì)電磁波產(chǎn)生反射,并對(duì)電磁波產(chǎn)生衰減作用。如果只從屏蔽效果來(lái)比較,石墨對(duì)電磁場(chǎng)屏蔽的效果的確不如導(dǎo)電良好的金屬,但金屬屏蔽也有缺點(diǎn),它最大的缺點(diǎn)就是產(chǎn)生電磁波反射,并使電磁反射波相互迭加,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁振蕩。

當(dāng)被屏蔽干擾信號(hào)的波長(zhǎng)正好與金屬機(jī)殼的某個(gè)尺寸接近的時(shí)候,金屬機(jī)殼很容易會(huì)變成一個(gè)大諧振腔,即:電磁波會(huì)在金屬機(jī)殼內(nèi)來(lái)回反射,并會(huì)產(chǎn)生互相迭加,其工作原理與圖13基本相同。這種情況在電腦機(jī)殼內(nèi)最容易實(shí)現(xiàn),當(dāng)電腦機(jī)殼的邊長(zhǎng)正好等于某干擾信號(hào)的半個(gè)波長(zhǎng),且干擾信號(hào)源正好位于電腦機(jī)殼的中央位置的時(shí)候,干擾信號(hào)很容易就會(huì)在機(jī)殼內(nèi)部產(chǎn)生電磁振蕩。當(dāng)某一干擾信號(hào)頻率正好在諧振腔中產(chǎn)生諧振的時(shí)候,電磁波的能量反而會(huì)被加強(qiáng)。被加強(qiáng)了的干擾信號(hào),一方面會(huì)破壞設(shè)備自身的正常工作,另一方面干擾信號(hào)也會(huì)從金屬機(jī)殼的裂縫逃逸出去,產(chǎn)生輻射干擾,雷達(dá)設(shè)備經(jīng)常使用的裂縫天線(xiàn)就是這個(gè)工作原理。特別指出,電磁波在金屬機(jī)殼中產(chǎn)生輻射或諧振,與外殼接地或不接地?zé)o關(guān)。

大多數(shù)電器設(shè)備傳導(dǎo)干擾都是由開(kāi)關(guān)電源引起的,為了提高開(kāi)關(guān)電源的工作效率,一般都希望開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷速度越高越好,即:方波的前、后沿越陡越好,這樣的結(jié)果會(huì)使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾更加嚴(yán)重,要進(jìn)行抑制更加困難。因此,在對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),不要無(wú)條件地追求開(kāi)關(guān)電源的工作效率為越高越好。

不管采用什么樣的濾波電路來(lái)抑制電子設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾,其主要目的都是要把圖6中的V1、V2、V3等三個(gè)干擾信號(hào)的幅度降到最低。例如:要抑制V1干擾信號(hào),最有效的方法是在V1的兩端并聯(lián)一個(gè)電容,由于這個(gè)電容連接的位置比較特殊,需要符合安全標(biāo)準(zhǔn),因此,一般人們都稱(chēng)他為Y電容;同理,要抑制V2干擾信號(hào),最有效的方法也是在V2的兩端并聯(lián)一個(gè)Y電容。由于Y電容會(huì)引起設(shè)備漏電或機(jī)殼帶電,容易危及人身安全,所以這兩個(gè)Y電容都是屬于安全電容,其容量不能大,并且要求耐壓很高,否則,機(jī)器將會(huì)漏電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,一般在亞熱帶機(jī)器對(duì)地漏電電流不能超過(guò)0.7mA,在溫帶機(jī)器對(duì)地漏電電流不能超過(guò)0.35mA,因此,Y電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^(guò)4700P。

特別提示,Y電容為安全電容,必須經(jīng)過(guò)安全檢測(cè)部門(mén)人證過(guò)后才能使用。Y電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V或AC275V字樣,但其真正的直流耐壓高達(dá)5000V以上,因此,Y電容不能隨便用AC250V,或DC400V之類(lèi)的電容來(lái)代用。
抑制V3干擾信號(hào)最有效的方法,同樣也是在V3的兩端并聯(lián)一個(gè)電容,由于這個(gè)電容連接的位置比較特殊,也需要符合安全標(biāo)準(zhǔn),因此,一般人們都稱(chēng)他為X電容。X電容同樣也屬于安全電容,其容量可以比Y電容大,但必須在X電容的兩端并聯(lián)一個(gè)安全電阻,用于防止電源線(xiàn)拔插時(shí)電源線(xiàn)插頭長(zhǎng)時(shí)間帶電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)正在工作之中的機(jī)器電源線(xiàn)被拔掉時(shí),在兩秒鐘內(nèi),電源線(xiàn)插頭兩端帶電的電壓(或?qū)Φ仉娢唬┍仨毿∮谠瓉?lái)電壓的30%。

X電容也是安全電容,必須經(jīng)過(guò)安全檢測(cè)部門(mén)認(rèn)證過(guò)后才能使用。X電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V或AC275V字樣,但其真正的直流耐壓達(dá)2000V以上,使用的時(shí)候不要隨便用AC250V,或DC400V之類(lèi)的電容來(lái)代用。
X電容一般都選用紋波電流比較大的聚脂薄膜安全電容,這種電容體積一般都很大,但其允許瞬間充放電的電流也很大,即:內(nèi)阻比較小。普通電容紋波電流的指標(biāo)一般都很小,動(dòng)態(tài)內(nèi)阻比較大,用普通電容代替X電容,除了耐壓條件不能滿(mǎn)足以外,一般紋波電流指標(biāo)也是難以滿(mǎn)足要求的。

實(shí)際上,光靠用Y電容和X電容就想把傳導(dǎo)干擾信號(hào)完全濾除是不可能的。因?yàn)楦蓴_信號(hào)的頻譜非常寬,基本覆蓋了幾十KHz到幾百M(fèi)Hz甚至上千MHz的頻率范圍。對(duì)低端干擾信號(hào)的濾除需要很大容量的濾波電容,但受到安全條件的限制,Y電容和X電容的容量都不能用大;對(duì)高端干擾信號(hào)的濾除,大容量電容的濾波性能又極差,特別是聚脂薄膜電容的高頻性能一般都比較差,因?yàn)樗怯镁砝@工藝生產(chǎn)的,并且聚脂薄膜介質(zhì)高頻響應(yīng)特性與陶瓷或云母相比相差很遠(yuǎn),一般聚脂薄膜介質(zhì)都具有吸附效應(yīng),它會(huì)降低電容器的工作頻率,聚脂薄膜電容工作頻率范圍大約都在1MHz左右,超過(guò)1MHz其阻抗將顯著增加。

因此,抑制電子設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾除了選用Y電容和X電容進(jìn)行濾波以外,一般還要同時(shí)選用多個(gè)電感濾波器一起組合對(duì)干擾除進(jìn)行濾波。電感濾波器屬于低通濾波器,但電感濾波器也有很多種類(lèi)和無(wú)數(shù)多種規(guī)格,例如有:差模、共模,以及高頻、低頻等,每種電感主要都是針對(duì)某一小段頻率的干擾信號(hào)濾除而起作用,對(duì)其它頻率的干擾信號(hào)的濾除起作用不大。因?yàn)?,電感量很大的電感,其線(xiàn)圈匝數(shù)很多,分布電容也很大,高頻信號(hào)會(huì)通過(guò)分布電容旁路掉,另外,導(dǎo)磁率很高的磁芯,其工作頻率也不高。目前,國(guó)內(nèi)大量使用的電感濾波器磁芯的工作頻率大多數(shù)都在75MHz以下,對(duì)于工作頻率要求比較高的場(chǎng)合,必須選用高頻環(huán)形磁芯,高頻環(huán)形磁芯導(dǎo)磁率一般都不高,但漏感特別小。


圖14是根據(jù)上面分析而設(shè)計(jì)的EMC(電磁兼容)濾波電路,EMC濾波電路如虛線(xiàn)框內(nèi)所示。

圖14中,C1、C2是Y安全電容,其主要作用是對(duì)V1、V2進(jìn)行旁路,V1、V2屬于共模干擾信號(hào),因此C1、C2的功能主要是對(duì)共模干擾信號(hào)進(jìn)行抑制,同時(shí)C1、C2對(duì)V3也有一定的旁路作用,但因兩個(gè)電容串聯(lián)起來(lái)的容量很小,因此,其主要功能是高頻差模干擾信號(hào)進(jìn)行抑制;C3是X安全電容,其主要作用是對(duì)V3進(jìn)行旁路,V3屬于差模干擾信號(hào),因此,C3的主要功能是對(duì)差模干擾信號(hào)進(jìn)行抑制;C4也是X安全電容,雖然它沒(méi)有對(duì)V3直接進(jìn)行旁路,但它也是差模干擾信號(hào)抑制的濾波電容;R1是殘余電壓釋放電阻,其阻值要與C3、C4等配合使用,使時(shí)間常數(shù)τ = R1●(C3+C4)小于2秒,但R1不能用得太小,太小會(huì)損耗電源功率。當(dāng)電容充放電時(shí)間等于τ時(shí),電容器兩端的電壓上升或下降的值是最大值的63%。

圖14中,L1、L2是電感濾波器,L1為差模干擾信號(hào)電感濾波器,L2為共模干擾信號(hào)電感濾波器,由于差模干擾信號(hào)電感濾波器很容易產(chǎn)生磁飽和,以及電感濾波器的體積也比較大,因此目前很少人使用,基本上都是用共模電感濾波器來(lái)代替。實(shí)際應(yīng)用中共模電感濾波器的兩個(gè)線(xiàn)圈之間也存在很大的漏感,因此,它對(duì)差模干擾信號(hào)也具有一定的濾波作用。
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