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电磁兼容中的隔离技术 1 引言 电力电子设备包括两部分，即变换部分与控制部分。前者属于功率流强电范畴，后者属于信息流弱电范畴。一般情况下前者是主电磁干扰源，后者是被干扰对象。为了使电力电子设备可靠地运行，除了解决变换部分与控制部分之间的电气隔离外，还要解决控制部分的抗电磁干扰的问题，特别是当变换部分处于高电压、强电流、高频变换情况下尤其重要。抗干扰问题实质上是解决电力电子设备的电磁兼容问题。 隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。下面将电磁兼容中的隔离技术分为磁电、光电、机电、声电和浮地等几种隔离方式加以叙述。 2 磁电隔离技术 2.1 利用变压器实现磁电隔离的基本原理 变压器主要由绕在共同铁心上的两个或多个绕组组成。当在一个绕组上加上交变电压时，由于电磁感应而在其它绕组上感生交变电压。因此变压器的几个绕组之间是通过交变磁场互相联系的，在电路上是互相隔离的。其隔离的介电强度取决于几个绕组之间以及它们对地的绝缘强度。 2.2 理想变压器的特性 理想变压器是假定变压器绕组的电阻为零；变压器的漏磁为零；铁心的损耗为零以及铁心的导磁率为无穷大。 2.2.1 电压关系 E14.44fN1Φm （1） E1/E2U1/U2N1/N2n （2） 式中E1变压器原边的感应电势； E2变压器副边的感应电势； U1变压器原边的电压； U2变压器副边的电压； N1变压器原边绕组的匝数； N2变压器副边绕组的匝数； f变压器原边电压的频率； Φm变压器铁心中磁通的峰值； n变压器原副边绕组的匝数比。 2.2.2 电流关系 I1/I2N2/N11/n （3） 式中I1变压器原边的电流； I2变压器副边的电流。 2.2.3 功率关系 P1P2U1I1U2I2 （4） 式中P1变压器原边的输入功率； P2变压器副边的输出功率。 2.2.4 阻抗关系 副边的阻抗为 Z2U2/I2 （5） 原边的阻抗为 Z1U1/I1n2U2/I2n2Z2 （6） 式中Z1变压器原边的阻抗； Z2变压器副边的阻抗。 2.3 实际变压器 2.3.1 铁心的导磁率 由于实际变压器铁心的导磁率并非无穷大，所以变压器在空载时就存在激磁电流。如果铁心材料的性能不好，则激磁电流占变压器原边输入电流的比例将增大，变压器副边输出电流将降低。 由于实际变压器铁心的导磁率并非常数，因此将导致输出波形的畸变。特别是当铁心饱和时，铁心的导磁率极大地降低，引起激磁电流急速增加，可能导致变压器烧毁。 2.3.2 铁心存在损耗 由于实际变压器铁心存在涡流损耗和磁滞损耗，这些损耗不仅导致变压器的效率降低，而且引起铁心发热、甚至可能导致绝缘损坏。由于铁心的涡流损耗和磁滞损耗都与电压和频率有关，所以对不同的电压和频率，应当选择不同的铁心材料。 2.3.3 绕组存在电阻 由于实际变压器的绕组存在电阻，故变压器工作时绕组必将产生热损耗。特别当工作频率较高时，集肤效应将导致绕组电阻增加，使发热损耗增大。 由于实际变压器绕组的散热条件较差，所以应当注意变压器的散热和绕组导线电流密度的选取。 2.3.4 变压器存在漏磁 变压器的漏磁易对变压器附近的元器件和导线形成干扰，为此，在选用变压器作隔离时，应当选择漏磁小的变压器，否则，应对变压器加强磁场屏蔽。 2.3.5 变压器原、副边间存在寄生电容 由于电源变压器原、副边间存在寄生电容，进入电源变压器原边的高频干扰能通过寄生电容耦合到的副边。而在电源变压器原、副边间增加静电屏蔽后，该屏蔽与绕组间形成新的分布电容，当将屏蔽接地后，可以将高频干扰通过这一新的分布电容引回地，而起到抗电磁干扰的作用。 2.3.6 几个绕组之间以及对地的绝缘强度 绕组之间以及对地的绝缘强度取决于需要隔离的耐压水平。该耐压水平包括工作电压、电压波动、可能的瞬态过电压以及为可靠工作而留有的余量。 2.3.7 工作频率 工作频率不仅对变压器的铁心损耗产生影响，而且变压器的阻抗与频率密切相关。比如电感L的阻抗与频率成正比，而电容C的阻抗与频率成反比。 由于磁电隔离是通过变压器而实现的，当变压器绕组间寄生电容较大时，应当与屏蔽和接地技术相配合。 2.4 变压器的种类和应用 2.4.1 普通变压器 普通变压器在工频场合只作为一般电源变压器用，将某一等级的电压和电流转变成另一等级的电压和电流，由于没有采用任何特殊措施，对高频的电路隔离效果较差。 2.4.2 隔离变压器 由于普通变压器绕组间的寄生电容较大（未加屏蔽层为nF级，加屏蔽为pF级），为了提高对高频干扰的隔离效果，可以在普通变压器绕组间增加一层屏蔽，并将该层屏蔽接地（接地线的长度应尽量短，否则因接地线的阻抗分压而使对干扰的衰减变差）而成为隔离变压器。图1为典型单屏蔽层隔离变压器的对干扰的衰减。 图1 单 屏 蔽 层 隔 离 变 压 器 的 典 型 对 干 扰 的 衰 减 能 力 如果在上述基础上，再对变压器的每个绕组都分别增加一层屏蔽，并将各绕组的屏蔽分别接到各绕组的低电位上，其隔离效果会更好。 2.4.3 脉冲变压器 在电力电子设备中，脉冲变压器多用于晶闸管触发电路、间歇振荡器和脉冲放大器的级间耦合。脉冲变压器的主要参数为有效脉冲导磁率、起始导磁率、漏感、分布电容以及匝比等。 2.4.4 测量变压器 一般测量用的变压器是指电压互感器和电流互感器。电压互感器或电流互感器将强电的电压或电流隔离并转换为弱电的电压或电流。测量变压器的主要参数为绝缘电压、电压（或电流）的转换比及其精度等。 2.5 霍尔传感器 霍尔传感器是利用霍尔效应进行电磁测量的器件，由于磁场的介入而实现电的隔离。霍尔传感器具有精度高、线性度好、动态性能好、频率响应宽和寿命长等优点。 3 光电隔离技术 3.1 光电耦合器 光电隔离采用光电耦合器来实现，即通过半导体发光二极管（LED）的光发射和光敏半导体（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）的光接收，来实现信号的传递。由于发光二极管和光敏半导体是互相绝缘的，从而实现了电路的隔离。 当给发光二极管加以正向电压时，由于空间电荷区势垒下降，P区空穴注入到N区，产生电子与空穴的复合，复合时放出大部分为光形式的能量。给发光二极管加的正向电压越高，复合时放出的光通量越大。当然，给发光二极管加的正向电压受其最大允许电流的限制。 当光敏半导体，比如光敏二极管，受到光照射时，在PN结附近产生的光生电子－空穴对在PN结的内电场作用下形成光电流。光的照度越强，光电流就越大。当光敏半导体没受到光照射时，只有很小的暗电流。 3.2 光电耦合器的特性 光电耦合器的特性是用发光二极管的输入电流和光敏半导体的输出电流的函数关系来表示的，如图2所示。 图2 光 电 耦 合 器 的 特 性 曲 线 从光电耦合器的特性曲线可以看出，光电耦合器的线性度较差，可以利用反馈技术进行校正。 3.3 光电耦合器的应用 由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光；由于光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响；光电耦合器的隔离电阻很大（约1012Ω）、隔离电容很小（约几个pF）所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。光电耦合器的隔离阻抗随着频率的提高而降低，抗干扰效果也将降低。 3.4 红外遥控 红外遥控在本质上属于光电耦合，只不过其发光器件和光接收器件不封装在一起，因此红外遥控的隔离效果更好。 电磁兼容中的接地技术 电磁兼容中的接地技术 1 引言 接地技术最早是应用在强电系统（电力系统、输变电设备、电气设备）中，为了设备和人身的安全，将接地线直接接在大地上。由于大地的电容非常大，一般情况下可以将大地的电位视为零电位。后来，接地技术延伸应用到弱电系统中。对于电力电子设备将接地线直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上，当电流通过该参考电位时，不应产生电压降。然而由于不合理的接地，反而会引入了电磁干扰，比如共地线干扰、地环路干扰等，从而导致电力电子设备工作不正常。可见，接地技术是电力电子设备电磁兼容技术的重要内容之一，有必要对接地技术进行详细探讨。 2 接地的种类和目的 电力电子设备一般是为以下几种目的而接地 2.1 安全接地 安全接地即将机壳接大地。一是防止机壳上积累电荷，产生静电放电而危及设备和人身安全；二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以便保护工作人员的安全。 2.2 防雷接地 当电力电子设备遇雷击时，不论是直接雷击还是感应雷击，电力电子设备都将受到极大伤害。为防止雷击而设置避雷针，以防雷击时危及设备和人身安全。 上述两种接地主要为安全考虑，均要直接接在大地上。 2.3 工作接地 工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化，从而导致电路系统工作的不稳定。当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电位，而不会随着外界电磁场的变化而变化。但是不正确的工作接地反而会增加干扰。比如共地线干扰、地环路干扰等。 为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作。根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类，比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。上述不同的接地应当分别设置。 2.3.1 信号地 信号地是各种物理量的传感器和信号源零电位的公共基准地线。由于信号一般都较弱，易受干扰，因此对信号地的要求较高。 2.3.2 模拟地 模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线。由于模拟电路既承担小信号的放大，又承担大信号的功率放大；既有低频的放大，又有高频放大；因此模拟电路既易接受干扰，又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑。 2.3.3 数字地 数字地是数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。 2.3.4 电源地 电源地是电源零电位的公共基准地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元，而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其它单元稳定可靠的工作。 2.3.5 功率地 功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其它弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。 2.4 屏蔽接地 屏蔽与接地应当配合使用，才能起到屏蔽的效果。 比如静电屏蔽。当用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，因此外侧仍有电场存在。如果将金属屏蔽体接地，外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。 再比如交变电场屏蔽。为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。 上述两种接地主要为电磁兼容性考虑。 3 接地方式 工作接地按工作频率而采用以下几种接地方式 3.1 单点接地 工作频率低（0.83L （1） 式中L地线的长度，m； S地线的截面,mm2。 3.2 多点接地 工作频率高（30MHz）的采用多点接地式（即在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路）。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。 3.3 混合接地 工作频率介于1～30MHz的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。 3.4 浮地 浮地式即该电路的地与大地无导体连接。其优点是该电路不受大地电性能的影响；其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰；由于该电路的地与大地无导体连接，易产生静电积累而导致静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰。因此，浮地的效果不仅取决于浮地的绝缘电阻的大小，而且取决于浮地的寄生电容的大小和信号的频率。 4 接地电阻 4.1 对接地电阻的要求 接地电阻越小越好，因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外，还会使设备受到反击过电压的影响，并使人员受到电击伤害的威胁。因此一般要求接地电阻小于4Ω；对于移动设备，接地电阻可小于10Ω。 4.2 降低接地电阻的方法 接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。为此降低接地电阻的方法有以下三种 降低接地线电阻，为此要选用总截面大和长度短的多股细导线。 降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓、接地极紧密又牢靠地连接并要增加接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。 降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率（如在土壤中注入盐水）。 4.3 接地电阻的计算 垂直接地极接地电阻R为 R0.366ρ/Llg4L/dΩ （2） 式中ρ土壤电阻率,Ωm； L接地极在地中的深度,m； d接地极的直径,m。 例如，黄土ρ取200Ωm，L为2cm，d为0.05m，则垂直接地极接地电阻R为80.67Ω。如在土壤中注入盐水，使ρ降为20Ωm时，则接地极接地电阻R为8.067Ω。 5 屏蔽地 5.1 电路的屏蔽罩接地 各种信号源和放大器等易受电磁辐射干扰的电路应设置屏蔽罩。由于信号电路与屏蔽罩之间存在寄生电容，因此要将信号电路地线末端与屏蔽罩相连，以消除寄生电容的影响，并将屏蔽罩接地，以消除共模干扰。 5.2 电缆的屏蔽层接地 5.2.1 低频电路电缆的屏蔽层接地 低频电路电缆的屏蔽层接地应采用一点接地的方式，而且屏蔽层接地点应当与电路的接地点一致。对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层应在一点接地，各屏蔽层应相互绝缘。 5.2.2 高频电路电缆的屏蔽层接地 高频电路电缆的屏蔽层接地应采用多点接地的方式。当电缆长度大于工作信号波长的0.15倍时，采用工作信号波长的0.15倍的间隔多点接地式。如果不能实现，则至少将屏蔽层两端接地。 5.3 系统的屏蔽体接地 当整个系统需要抵抗外界电磁干扰，或需要防止系统对外界产生电磁干扰时，应将整个系统屏蔽起来，并将屏蔽体接到系统地上。 6 设备地 一台设备要实现设计要求，往往含有多种电路，比如低电平的信号电路（如高频电路、数字电路、模拟电路等）、高电平的功率电路（如供电电路、继电器电路等）。为了安装电路板和其它元器件、为了抵抗外界电磁干扰而需要设备具有一定机械强度和屏蔽效能的外壳。典型设备的接地如图1所示。 图1 设 备 的 接 地 设备的接地应当注意以下几点 50Hz电源零线应接到安全接地螺栓处，对于独立的设备，安全接地螺栓设在设备金属外壳上，并有良好电连接； 为防止机壳带电，危及人身安全，不许用电源零线作地线代替机壳地线； 为防止高电压、大电流和强功率电路（如供电电路、继电器电路）对低电平电路（如高频电路、数字电路、模拟电路等）的干扰，将它们的接地分开。前者为功率地（强电地），后者为信号地（弱电地），而信号地又分为数字地和模拟地，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘； 对于信号地线可另设一信号地螺栓（和设备外壳相绝缘），该信号地螺栓与安全接地螺栓的连接有三种方法（取决于接地的效果）一是不连接，而成为浮地式；二是直接连接，而成为单点接地式；三是通过一3μF电容器连接，而成为直流浮地式，交流接地式。其它的接地最后汇聚在安全接地螺栓上（该点应位于交流电源的进线处），然后通过接地线将接地极埋在土壤中。 7 系统地 当多个设备组成一个系统时，系统的接地如图2所示。 图2 系 统 的 接 地 系统的接地应当注意以下几点 参照设备的接地注意事项； 设备外壳用设备外壳地线和机柜外壳相连； 机柜外壳用机柜外壳地线和系统外壳相连； 对于系统，安全接地螺栓设在系统金属外壳上，并有良好电连接； 当系统内机柜、设备过多时，将导致数字地线、模拟地线、功率地线和机柜外壳地线过多。对此，可以考虑铺设两条互相并行并和系统外壳绝缘的半环形接地母线，一条为信号地母线，一条为屏蔽地及机柜外壳地母线；系统内各信号地就近接到信号地母线上，系统内各屏蔽地及机柜外壳地就近接到屏蔽地及机柜外壳地母线上；两条半环形接地母线的中部靠近安全接地螺栓，屏蔽地及机柜外壳地母线接到安全接地螺栓上；信号地母线接到信号地螺栓上； 当系统用三相电源供电时，由于各负载用电量和用电的不同时性，必然导致三相不平衡，造成三相电源中心点电位偏移，为此将电源零线接到安全接地螺栓上，迫使三相电源中心点电位保持零电位，从而防止三相电源中心点电位偏移所产生的干扰； 接地极用镀锌钢管，其外直径不小于50mm，长度不小于2.0m；埋设时，将接地极打入地表层一定深度、并倒入盐水，一般要求接地电阻小于4Ω，对于移动设备，接地电阻可小于10Ω。 8 结语 为了设备和人身的安全以及电力电子设备正常可靠的工作必须研究接地技术。接地可直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上。不合理的接地反而会引入电磁干扰，导致电力电子设备工作不正常。因此，接地技术是电磁兼容中的重要技术之一，应当充分重视对接地技术的研究。 隔离式DC／DC变换器的电磁兼容设计 摘要详细分析了隔离式DC／DC变换器产生电磁噪声干扰的机理，介绍了在DC／DC变换器主电路及控制电路设计时所采取的电磁兼容措施。 关键词隔离式DC／DC变换器；电磁干扰分析；电磁兼容设计 0 引言 随着电力电子技术的发展，开关电源模块以其相对体积小、效率高、工作可靠等优点而逐渐取代传统整流电源。但是，由于开关电源工作频率高，内部会产生很高的 电流、电压变化率即高dv／dt和di／df，导致开关电源模块产生较强的电磁干扰，并通过传导、辐射和串扰等耦合途径影响自身电路及其它电子系统的 正常工作，当然其本身也会受到其它电子设备电磁干扰的影响，电磁干扰将造成传输信号畸变，影响电子设备的止常工作。对于雷电、静电放电等高能量的电磁下 扰，严重时会损坏电子设备。而对于某些电子设备，电磁辐射会引起重要信息的泄漏，严重时会威胁国家信息安全。这就是我们所讨论的电磁兼容性问题。另外，国 家开始对部分电子产品强制实行3C认证，因此，一个电子设备能否满足电磁兼容标准，将关系到这一产品能否在市场上销售，所以，进行开关电源的电磁兼容性研 究显得非常重要。 1 内部噪声干扰源分析 l.l 二极管厦向恢复引起的噪声干扰 在开关电源中常使用工频整流二极管、高频整流二极管、续流二极管等，由于这些二极管都工作在开关状态，如图l所示，在二极管由阻断状态到导通的转换过程 中，将产生一个很高的电压尖峰UFP;在二极管由导通状态到阻断的转换过程中，存在一个反向恢复时间trr在反向恢复过程中，由于二极管封装电感及引线电 感的存在，将产生一个反向电压尖峰URP由于少子的存储与复合效应，会产生瞬变的反向恢复电流尖峰IRP,这种快速的电流、电压突变是电磁干扰产生的根 源。 1.2 开关管开关时产生的电磁干扰 在正激式、推挽式、桥式变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似矩形波，含有丰富的高频成分，这些高频谐波会产生很强的电磁干扰。在反激变换器 中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似三角波，高次谐波成分相对较少。开关管在开通时，由于开通时间很短以及逆变回路中引线电感的存在，将产生很大的 dv／dt和很高的尖峰电压，在开关管关断时，由于关断时间很短，将产生很大的di／dt和很高的电流尖峰，这些电流、电压突变将产生很强的电磁干扰。 1.3 电感、变压器等磁性元件引起的电磁干扰 在开关电源中存在输入滤波电感、功率变压器、隔离变压器、输出滤波电感等磁性元件，隔离变压器初次级之间存在寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容耦合到次 级；功率变压器由于绕制工艺等原因，原、次级耦合不理想而存在漏感，漏感将产生电磁辐射干扰，另外，功率变压器线圈绕组流过高频脉冲电流，在周围形成高频 电磁场；电感线圈中流过脉动电流会产生电磁场辐射，而且在负载突切时，会形成电压尖峰，同时，当它工作在饱和状态时，将会产生电流突变，这些都会引起电磁 干扰。 l.4 控制电路引起的电磁干扰 控制电路中周期性的高频脉冲信号，如振荡器产生的高频脉冲信号等将产生高频高次谐波，对周围电路产生电磁干扰。 l.5 其他电磁干扰 电路中还会有地环路干扰、公共阻抗耦合干扰，以及控制电源噪声干扰等。另外，不合理的布线将使电磁干扰通过线线之间的耦合电容和分布互感串扰或辐射到邻近 导线上，从而影响其它电路的正常工作。还有热辐射产生的电磁干扰，热辐射是以电磁波的形式进行热交换，这种电磁干扰会影响其它电子元器件或电路的正常稳定 工作。 2 外界的电磁干扰 对于某一电子设备，外界对其产生影响的电磁干扰包括电网中的谐波干扰、雷电、太阳噪声、静电放电以及周围的高频发射设备。 3 开关电源的电磁兼容设计 进行开关电源的电磁兼容性设汁时，首先要明确系统需要满足的电磁兼容标准；确定系统内的关键电路，包括强干扰源电路、高度敏感电路；明确电源设备工作环境 中的电磁于扰源及敏感设备；然后确定对电源设备所要采取的电磁兼容性措施。因此，开关电源的电磁兼容设计主要从以下3个方面入手 1减小干扰源的电磁干扰能量；2切断干扰传播途径；3提高受扰设备的抗干扰能力。 下面以隔离式DC／DC变换器为例，讨论开关电源的电磁兼容性设计。 3.1 DC／DC变换器输入电路的电磁兼容设计 如图2所示，FV1为瞬态电压抑制二极管RV1为压敏电阻，都具有很强的瞬变浪涌吸收能力，能很好地保护后级元器件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z1为直流 EMI滤波器，必须良好接地接地线要短，最好直接安装在金属外壳上，还要保证其输入、输出线之间的屏蔽隔离，才能有效地切断传导干扰沿输入线的传播和辐射 干扰沿空间的传播。L1及C1组成低通滤波电路，当L1电感值鞍大时，还须增加如图2所示的D1和R1，形成续流回路，吸收L1断开时释放的电场能量，否 则，L1产生的电压尖峰就会形成电磁干扰，电感L1所使用的磁芯最好为闭合磁芯，带气隙的开环磁芯的漏磁场会形成电磁干扰，C1的容量较大为好，这样可以 减小输入线上的纹波电压，从而减小在输入导线周围形成的电磁场。 3.2 高频逆变电路的电磁兼容设计 如图3所示，C2、C3、V2、V3组成的半桥逆变电路，V2、V3为lGBT或M0SFET等开关器件，在V2、V3开通和关断时，由于开关时间很短以 及引线电感、变压器漏感的存在，回路会产生较高的di／dt、dv／dt，从而形成电磁干扰，为此，在变压器原边两端增加R4、C4构成的吸收回路，或在 V2、V3两端分别并联电容器C5、C6，并缩短引线，减小ab、cd、gh、ef的引线电感。在设计中，G4C5、C6。一般采用低感电容，电 容器容量的大小取决于引线电感量、同路中电流值以及允许的过冲电压值的大小，由LI2／2C△V2／2求得C的大小L为回路电感，I为回路电流，△V 为过冲电压值。 为减小△V，就必须减小回路引线电感值，为此，在设计时常使用一种叫“多层低感复合母排”的装置，由我集团公司申请专利的该种母排装置能将回路电感降低到足够小，达lOnH级，从而达到减小高频逆变回路电磁干扰的目的。 在大电流或高电压下的快速开关动作是产生电磁噪声的根本，因此，尽可能选用产生电磁噪声小的电路拓扑，如在同等条件下双管正激拓扑比单管正激拓扑产生电磁 噪声要小，全桥电路比半桥电路产生电磁噪声要小。另外，使用ZCS或ZVS软开关变换技术能有效降低高频逆变回路的电磁干扰。 图4所示为增加缓冲电路后开关管上的电流、电压波形与没有缓冲回路时的波形比较，可见增加缓冲电路后电流电压变化率降低很多。 由于变压器是一个发热元件，较差的散热条件必然导致变压器温度升高，从而形成热辐射，因此，变压器必须有很好的散热条件。 通常将高频变压器封装在一个铝壳盒内，并灌注电子硅胶，铝盒还可安装在铝散热器上，这样变压器即可形成较好的电磁屏蔽，还可保证有较好的散热效果．减小串磁辐射。 3.4 输出整流电路的电磁兼容设计 图6所示为半波整流电路，D6为整流二极管，D7为续流二极管，由于D6、D7，工作于高频开关状态，因此，输出整流电路的电磁干扰源主要是D6和D7．把R5、G12和R6、C13分别连接成D6、D7，的吸收电路，用于吸收其开关时产生的电压尖峰。 减少整流二极管的数量可减小电磁干扰的能量，因此在同等条件下，采用半波整流比采用全波整流和全桥整流产生的电磁干扰要小。 为减小二极管的电磁干扰，必须选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小的、反向恢复时间短的二极管。从理论上讲，肖特基势垒二极管SBD是多数载流子导 流，不存在少子的存储与复合效应，因而也就不会有反向电压尖峰干扰，但实际上对于具有较高反向工作电压的肖特基二极管，随着电子势垒厚度的增加，反向恢复 电流会增大，也会产生电磁噪声。因此，在输出电压较低的情况下选用肖特基二极管产生的电磁干扰会比选用其它二极管要小。 3.5 输出直流滤波电路的电磁兼容设计 输出直流滤波电路主要用于切断电磁传导干扰沿导线向输出负载端传播，减小电磁干扰在导线周围的电磁辐射。 如图7所示，L2、C7、C18组成的LC滤波电路，能减小输出电流、电压纹波的大小，从而减小通过辐射传播的电磁干扰。滤波电容C17、C18应尽量采 用多个电容并联，以减小等效串联电阻，从而减小纹波电压。输出电感L2应尽量大，以减小输出纹波电流的大小，另外，电感L2最好使用不开气隙的闭环磁芯， 最好不是饱和电感。在设计时要记住，导线上有电流、电压的变化，在导线周围就有变化的电磁场，电磁场就会沿空间传播形成电磁辐射。 C19用于滤除导线上的共模干扰，尽量选用低感电容，且接线要短。C20、C21、C22、C23用于滤除输出线上的差模干扰，宜选用低感的三端电容，且接地线要短，接地可靠。 Z3为直流EMI滤波器，根据情况决定使用或不使用，是采用单级还是多级，但要求Z3直接安装在金属机箱上，并且滤波器输入、输出线最好能屏蔽隔离。 3.6 接触器、继电器、风机的电磁兼容设计 继电器、接触器、风机等在失电后，其线圈将产生较大的电压尖峰，从而产生电磁干扰，为此，在直流线圈两端反并联一个二极管或RC吸收电路，在交流线圈两端 并联一个压敏电阻用于吸收线圈失电后产生的电压尖峰。如果接触器线圈电源与辅助电源的输人电源为同一个电源时，之间最好通过一个EMI滤波器。继电器触头 动作时也将产生电磁干扰，因此，也要在触头两端增加RC吸收电路。 3.7 开关电源箱体结构的电磁兼容设计 1材料选择在进行开关电源的箱体结构设计时，对于屏蔽材料的选择原则是，当干扰电磁场的频率较高时，选用高电导率的金属材料，屏蔽效果较好；当干扰电磁 场的频率较低时，选用高磁导率的金属材料，屏蔽效果较好；在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用高电导率和高磁导率 的金属材料组成多层屏蔽体。 2孔洞、缝隙、搭接处理方法采用电磁屏蔽方法无须重新设计电路，便可达到很好的电磁兼容效果。理想的电磁屏蔽体是一个无缝隙、无孔洞、无透人的导电连续 体，低阻抗的金属密封体，但是，开关电源需要有输入、输出线过孔、散热通风孔等，以及箱体结构部件之间的搭接缝隙，如果不采取措施，这些孔洞和缝隙将会导 致电磁泄漏，使箱体的屏蔽效能降低、甚至完全丧失。因此，在设计开关电源箱体时，金属板之间的搭接最好采用焊接，无法焊接时要使用电磁密封垫或其它的屏蔽 材料；箱体上的开孔孔径要小于被屏蔽的电磁波波长的1／2，否则屏蔽效果将大大降低；对于通风孔，在屏蔽要求不高时可以使用穿孔金属板或金属化丝网，在既 要求屏蔽效能高，又要求通风效果好时选用截止波导管等方法，以提高屏蔽体的屏蔽效能。如果箱体的屏蔽效能仍无法满足要求时，可以在箱体上喷涂屏蔽漆。除了 对开关电源整个箱体的屏蔽之外，还可以对电源设备内部的元器件、部件等干扰源或敏感设备进行局部屏蔽。 3其他在进行箱体结构设计时，针对设备上所有会受到静电放电影响的部分，须设计一条低阻抗的电流泄放路径，箱体必须有可靠的接地措施，并且要保证接地线 的载流能力，同时，将敏感电路或元器件布置得远离这些泄放回路，或对其采用电场屏蔽措施。对于结构件的表面处理，一般需要电镀银、锌、镍、铬、锡等，具体 要从导电性能、电化学反应、成本及电磁兼容性等多方面考虑后做出选择。 3.8 元器件布局与布线中的电磁兼容设计 对于开关电源设备内部元器件的布局必须整体考虑电磁兼容性的要求，设备内部的干扰源会通过辐射和串扰等途径影响其它元器件或部件的正常工作，研究表明，在离干扰源一定距离时，干扰源的能量将大大衰减，因此，合理的布局有利于减小电磁干扰的影响。 EMl输入输出滤波器最好安装在金属机箱的入出口处，并保证输入与输出线的屏蔽隔离。敏感电路或元器件要远离发热源。 对于开关电源产品，一般须遵守以下布线原则。 1主电路输入线与输出线分开走线。2EMI滤波器输入线与输出线分开走线。3主电路线与控制信号线分开走线。 4高压脉冲信号线最好分开单独走线。 5分开布线要避免平行走线，可以垂直交叉，线束之间距离在20mm以上。 6电缆不要贴着金属外壳和散热器走线，保证一定距离。7双绞线、同轴电缆及带状电缆在EMC设计中的使用。 1双绞线、同轴电缆都能有效地抑制电磁干扰在脉冲信号传输线路中常使用双绞线，控制辅助电源线和传感器信号线最好用双绞屏蔽线。因为双绞线两根线之间 有很小的回路面积，而且双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有大小相等、方向相反，产生的磁场相互抵消，这样就可以减小因辐射引起的差模干扰，不过 双绞线绞合的圈数最好为偶数，且每单位波长所绞合的圈数愈多，消除耦合的效果愈好。使用时注意双绞线和同轴电缆两端不能同时接地，只能单端接地，而对屏蔽 线，屏蔽层两端接地能既能屏蔽电场还能屏蔽磁场，单端接地只能屏蔽电场。使用同轴电缆时还要注意，其屏蔽层必须完全包覆信号线接地，即接头与电缆屏蔽层必 须360。搭接，才能有效屏蔽电磁场，如图8所示，信号线裸露部分仍可以与外界形成互容耦合，降低屏蔽效能。 2带状电缆适合于短距离的信号传输为了降低差模信号的电磁辐射，必须减小信号线和信号回流线所形成的回路面积，因此，在设计带状电缆布局时，最好将信号线与接地线间隔排列。如图9所示，其中S为信号线，G为信号地线。 3.9元器件的选择 热传播的方式有三种，即传导、对流和辐射。热辐射是以电磁波的形式向空间传播的，热传导也会向周围其它元器件传导热量，这些都会影响其它元器件或电路的正 常工作，因此，从元器件热设计方面考虑要尽量留有较大余量，以降低元器件的温升及器件表面的温度，除元器件对温升有特殊要求外，一般开关电源要求内部元器 件温度小于90℃，内部环境温度不超过65℃，以减4、热辐射干扰。 对数字集成电路，从电磁兼容性角度看，应多选用高噪声容限的CMOS器件代替低噪声容限的TTL器件。 尽量使用低速、窄带元器件和电路。 选用分布电感较小的表面贴装元器件SMD，选用高频特性好、等效串联电感低的陶瓷介质电容器、高频无感电容器、三端电容器和穿心电容器等作滤波电容。 3.10 控制电路及PCB的电磁兼容设计 信号地是指信号电流流回信号源的一条低阻抗路径。在设计中往往由于接地方法不恰当而产生地环路干扰和公共阻抗耦合干扰。因此，要合理选用接地方式，接地的方式有单点接地、多点接地和混合接地。 1地环路干扰常发生在通过较长电缆连接，地相距较远的设备之问。原因是由于地环路电流的存在，使两个设备的地电位不同。通常用光电耦合器或隔离变压器进 行“地”隔离，消除地环路干扰。由于隔离变压器绕组之间寄生电容较大，即使采取屏蔽措施的隔离变压器通常也只用于1MHz以下的信号隔离，超过lMHz时 多采用光电耦合器隔离。 2公共阻抗耦合当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，就会发生公共阻抗耦合。由于地线是信号回流线，一个电路的工作状态必然会影响地线电压，当两个电路共用一段地线时，地线的电压就会同时受到两个电路工作状态的影响。 可见无论是地环路干扰还是公共阻抗耦合问题都是由于地线阻抗引起的，因此，在设计时一定要考虑尽量降低地线阻抗与感抗。 3减小控制电源噪声 电源线上有电流突变，就会产生噪声电压。在靠近芯片的位置增加解耦电容，能有效减小噪声。如果是高频电流负载，则采用多个同容量的高频电容和无感电容并联 能获得更好的效果。注意电容容量并非越大越好，主要根据其谐振频率、提供脉冲电流频率来选择。 4印制板的合理布线印制板合理地布置地线将能有效地减小印制板的辐射以及提高其抗辐射干扰能力，请注意以下几条。 1布置地线网络，即在双面板的两面布置最多的平行地线。 2对于一些关键信号如脉冲信号和对外界较敏感的电平信号的地线的布置必须尽量缩小引线长度，减小信号的回流面积，如果是双面板，地线和信号线可以在印制板两面并联平行走线。 3若是多层线路板，且既有数字地又有模拟地，则数字地和模拟地必须布置在同一层，减小它们之间的耦合干扰。 4在实际电路中常发生公共阻抗耦合，因此，要根据实际情况选择正确的接地方式。 3.1l 其他方法 1给IGBT、MOSFET等开关器件的驱动信号增加一个-5V-1OV的负电平，可提高驱动信号的抗干扰能力，或驱动信号采用光纤传输，光纤适宜于远距离传输，具有抗干扰能力强的特点。 2为了防止电平信号中的毛刺，引起软件的误判断及误动作，可以通过多次采样等数字滤波技术来滤除干扰信号。 4 结语 本文详细分析了隔离式Dc／Dc变换器存在的电磁干扰源及其产生机理，并详细介绍了针对其主电路和控制电路的电磁兼容设计方法，这些方法对其它电子产品的电磁兼容设计具有一定的参考价值。