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电源转换之电磁兼容性(EMC)

2007-02-08 作者:admin 来源: 浏览量: 网友评论: 0

摘要: 电源转换之电磁兼容性(EMC)

编者按:电磁兼容性(EMC)在过去十年已成为非常通晓的名词。在90年代,欧洲要求销售于其地区的产品,必须降低辐射干扰及传导干扰。因此,现在产品在设计阶段,就会考虑到如何通过电磁兼容性的测试。
 但是什么是EMC? EMC指装置、产品和系统在给予的电磁条件下,正常工作且不会降低效能和成为干扰源的能力。有某些团体如IEC及CISPR专门制定EMC标准,给予人遵循之依据。

 本文会提到EMC对辐射干扰及传导干扰之规范,包括共模杂讯及差模杂讯。如何利用主电源滤波器来克服此两种杂讯,亦将有例子说明。这些杂讯可能存在于电力线,也可能由内部开关元件产生。

EMC规范

 我们必须了解EMC规范,才可设计符合EMC的产品。在北美及欧洲,不特别要求电源模块必须符合规定,但是电源系统要符合其规范。

 国际电子技术委员会(Internal Electrotechnical Commission – IEC)负责制定欧洲的规范。CISPR(Comite International Special des Perturbations Radioelectriques)国际无线电干扰特别委员会之CISPR22 定义最严格的辐射干扰限制,EN55022(图1)及EN55011(图2)说明这些限制。而在图1及图2的class A及Class B是分别针对于工业及本国产品的要求。依照侦测杂讯天线形式的不同,欧洲有两个上限。其中准峰值天线(Quasi-peak)的上限准位较高,而均值天线则是较低值的上限准位,但是每一装置都必须通过此两种测试标准才得以符合规定。

 北美使用FCC标准,类似于欧洲的EN要求,两个量测电源供应器的标准为EN55011及EN55022。图3及图4分别表示EN55011及FCC part15 subpartB (北美)辐射干扰准位。

 在北美,根据FCC规定,辐射电磁干扰最常量测的频率范围从30MHz至10GHz,而传导干扰最常量测的频率范围从几KHz至30MHz。

图1:EN 55022 传导干扰准位



图2:EN 55011/FCC Part15 Subpart B 传导干扰准位。2004年5月23日后,FCC Part15 Subpart B 与EN55011的传导干扰准位一致。



图3:EN 55011 辐射干扰准位



图4:FCC Part 15 Subpart B 辐射干扰准位



共模杂讯(Common mode)及差模杂讯(Differential mode)

 两个主要杂讯来源:一为共模杂讯,一为差模杂讯。共模杂讯(见图5)来自共模电流。在单相电力系统应用中,其能量对两条电力线是共同的,能量在导在线传导为同向,以地为参考点。因为在同一时间,在两条电力在线有一样的能量大小,而无法用任何元件跨在这两条电力线间来作衰减。共模电流产生的共模杂讯,永远存在于进入设备的电源在线。因此我们可在原型机种设计阶段,于测试是否符合EMC前,量测电源线以尽量降低电流。因为在大部份情况,共模电流无法接受,则辐射干扰测试亦将失败。共模电流可使用250MHz频率范围的高频电流探棒及频谱分析仪来量测。

图5:共模杂讯



 差模杂讯(见图6)与共模杂讯相反。其产生是由于电流进入火线(Line)而由中性线(Neutral)流出,反之亦然。

 图7为一个单相AC电源滤波器范例,此滤波器普遍用于降低进出电源供应器的共模杂讯及差模杂讯。我们把图7滤波器分成几个方块来帮助说明所有的功能。方块A及B有同样功能,但一是为了输入杂讯,一为了输出杂讯。

附注 : Section A 及Section B两方块进行同一作用。不同的是一为防止杂讯进入设备,而另一为防止杂讯离开此设备。

图6:差模杂讯



图7:AC电源线主滤波器



方块介绍



■Section A:

 电感L1/L2及电容C1形成一个差模滤波器,防止杂讯进入电源供应器。差模杂讯的产生,是由于电流流入火线(或中性线)而由中性线(或火线)流出。L1及C1或L2及C1构成一个分压电路,针对于杂讯的频率,电容器为低阻抗(高负载) ,因此可降低电力线杂讯。举例说明,在某一特定频率,L1的阻抗10K,而C1的阻抗1K,杂讯通过滤波器强度只剩下原本十分之一或减少20dB。

■Section B:

 电容C2和C3形成一个对地的共模滤波器,共模杂讯是一流经火线(Line)及中性线(Neutral)导线,而藉安全接地流回的同相电流,因而产生火线(Line)或中性线(Neutral)对地电压,C2、C3、C4及C5等容值,任何在这些导线之共模杂讯皆将被引导到地。

附注 :医疗设备因漏电流关系不采用Section B的电路。

■Section C:

 图7 Section C为无参考点之Zorro电感(共模电感)。利用绕线圈方向使其产生之电流互为反向,因此任何杂讯可互相抵消。因共模电流产生之磁通是累积的,产生阻抗,可减低在线杂讯。但差模电流流向相反,因差模电流产生之磁通会相互抵消,因此其阻抗不会发生任何影响。

 附注:电容C1和C6为X电容用于减低差模杂讯,且能耐主电压. X电容容值。通常从0.1uF至2uF. C2至C5电容为Y电容,用于对付共模杂讯且不因损坏后而变短路。(因此比X电容贵,Y电容值较小通常在0.02uF至0.1uF之间。)

AC电源线滤波器之设计范例 (返驰式交流转直流转换器)

■设计要求:

变压器圈数比=10

输出阻抗(Zs)=10Ω (负载阻抗,最大输出功率之最恶劣条件)

杂讯降低要求20KHz = 35dB

为未知之频率突波预留之额外空间=6dB

交流频率(F1)=60Hz

开关频率(Fs)=100KHz

 首先要知道输出负载阻抗,以决定滤波器的值。由输出阻抗,根据等式1导出一次侧的阻抗。

Zp:=a2·Zs─(等式1)

Zp:=1×103

Zp =一次侧阻抗

Zs =二次侧阻抗

a =变压器圈数比

 在输入端,滤波器设计了使输入端与负载端通透,其截止频率要十倍于输入的电源频率,也就是说不可以小于600Hz。若要求在20KHz频率,杂讯减少41Db(35dB加上6dB的预留空间)。设计工程师可以把20KHz除2,而相对应的dB值为41dB减掉12dB (如表格1所示)。开始先采用单电感来看是否达到我们的要求。如果不能,就需要串联第二个电感。单电感设计可让每八度降12dB或每十倍频率降40dB。如表1所示,单一电感即足以达到我们的要求。截止频率为1.25KHz(大于600Hz底限)。



 若已知截止频率,可由等式2得出电感值。

L = Zp/(2π·Fo)─(等式2)

L = 0.127H

 其中

L = 差动电感

Zp = 一次侧阻抗(从二次侧反射过来)

Fo = 表格1之截止频率

 由等式3,则可以决定差动电容的值,来完成Section A差模滤波器的设计。

Zp = (L/Cd)1/2 ─(等式3)

Cd=6.366×10-9 F

 其中

L =差动电感

Zp =一次侧阻抗(从二次侧反射过来)

 为了平衡滤波,在line及neutral即火线及中性在线各有一个电感。如此,我们可把求出的值除以2,得到64mH。若感值太大,可使用二颗电感来设计以降低电感尺寸。而使用多电感设计不但可降低电感的尺寸,并因Q值变小,振荡的机会也会变小。

表格2显示在滤波器中多加一颗电感,让每八度下降24dB,利用等式4及5导出新的感值及容值。

Lnew = Zp/(2π·Fnew )─(等式4)

Lnew =0.032H

 其中

Lnew =新差动电感.

Zp =一次侧阻抗(从二次侧反射过来)

Fnew =表格2截止频率

 再一次,为了平衡滤波,导出之感值除以2,得到16mH。



Cdnew =Lnew /Zp2 ─(等式5)

Cdnew =3.183×10-8F

 其中

Lnew = 新的差动电感.

Zp =一次侧阻抗(从二次侧反射过来)

 现在剩下共模Zorro电感的值要求,方法如同上感值求法,除了把截止频率由Fo改为PWM开关频率及相同的衰喊dB值,同差模滤波需二个电感,二个Zorro电感也需使用于共模滤波器上。

 利用等式6及7,可求出Zorro电感(Lzooro)及Zorro电容值。

Lzooro = Zp/(2π·Foz)─(等式6)

Lzooro = 6.366×10-3 H

 其中

Lzooro =共模电感

Zp =一次侧阻抗(从二次侧反射回来)

Foz=表2截止频率

Czooro =Lzooro/Zp2 ─(等式7)

Czooro=6.366×10-9 F

 其中

Lzooro =共模电感

Zp =一次侧阻抗(从二次侧反射过来)

 最后设计如图8

图8:完成之滤波器



 如在高频杂讯有问题,可加一个铁粉芯(铁粉芯在低频时,可视为一电阻(50至200Ω),在高频(30MHz)时则为电感)。如果在差模方面有问题时,增加一些Lnew 感值,或使用质量较好的Cdnew电容,因为有可能在有问题的频率上有太大的漏电流。若为了对抗共模杂讯问题,则是增加Lzooro感值。

如何降低电源转换时内外部杂讯

 在交流转直流之电源供应器上有3个产生杂讯的区域:

 1.在进入电源供应器的主电源,永远存在著杂讯(共模及差模)

 2.电源供应器的开关频率(共模杂讯)

 3.快速开关时的上升及下降缘及MOSFET关闭时所产生的ring

■AC主电源

 对杂讯比较大的主电源线,用AC电源滤波器。此滤波器要尽量靠近AC电源线,进入PCB板的位置,见图9。且下地要离一次侧的大地愈近愈好,并尽量多打贯孔(VIA)。要减少共模及差模杂讯进出设计之单体,需要使用AC电源线滤波器。

图9:共模滤波器之连接到接地平面



■电源供应器的开关频率

 像系统时钟,许多电源供应器有脉宽调节元件(PWM),用一个频率切换来控制输出电压。因此如系统时钟,需小心其布局,PWM控制器也要小心考虑其布局。

 在返驰式,顺向式或用其它架构设计变压器,要确定从一次侧的线圈绕组到主开关MOSFET(无论外置或内置)的泄极(Drain)的走线要尽可能粗且短,见图10。这可降低走在线的电感,来使ringing最小。而对MOSFET及PWM控制器而言,则需要足够的接地孔及接地,需有与走线平行的地,来充当电流回路(如杂散电容不会有问题)。如果仍有问题存在,可如图10般,移除位于MOSFET到变压器走线下的地,使MOSFET泄极之电容达到最小。当MOSFET开关时,电流流经地对其杂散电容充放电,若图10斜线部分之接地平面未移除时,额外之电流将流经地造成更多的共模传导杂讯。

图10:如何减少MOSFET泄极端之杂散电容



 做为开开模式的MOSFET之源极,必须确实连接到一次侧的接近平面。要达到此目标,可使用大的源极终端平面,以可容纳足够的接地孔。(取决工作电流大小)以连接到接地平面。如图11。

图11:利用足够大的接地平面及足够数目的贯孔连接内建MOSFET的源极



■快速开关时的上升、下降缘及Ringing

 图12所示为电阻、电容及二极管(RDC)线路(R1,C1及D1)。其目的有二:首先,C1可减缓当Q1关闭时泄极电压的爬升速度(平缓以减低辐射电磁干扰)。其次,可保持输入电压在2Vcc以下而不会超过MOSFET的崩溃电压。选择够大的C1电容,使泄极上升电压及下降电流交点,降低使晶体的热消耗大大减少。R2及C2线路对减少当MOSFET回到输入电压准位时,所产生的一次侧ringing也很重要。如图13及图14所示。

图12:RCD Snubber及RC ringing电路



 由以下步骤来决定C2及R2的值:

1.根据ringing的频率来决定周期

2.由步骤1之周期乘以5

3.设定电阻值(通常低于100)

4.步骤3之得值除以步骤2之得值

图13:无R2,C2之一次侧电压波形



图14:加R2,C2 之一次侧电压波形



 附注:C2及R2电路之好处为可降低如图11之ringing。但坏处为高频纹波流经C2在R2产生热消耗,若减低杂讯重于效率,则此线路可减少杂讯,但也减低效率。


印刷电路板之准则:

1.正确适当摆放零件之位置及方向

2.若使用散热片,确实接地

3.必要时需隔离零件

4.共模电容应选用低等效电阻(ESR)且维持短的接地接

5.若使用跨在变压器之Snubber电路,以减缓MOSFET在关闭时之电压上升速度时,确定到MOSFET及变压器的走线要短。如可以,把Snubber电路置于电压器二之间。

6.避免在电源平面与接地平面间有狭槽

7.在50MHz频率以下,传去耦合方法是有效的。使用一至二颗去耦合电容(通常为0.1或0.01uF)置于靠近IC电源及接地脚位,必须考虑到IC及电容间所形成之回路面积要最小。

8.接地要够短、够厚及够大

9.避免走线或平面有锐角

10.把会产生杂讯的零件放在一起,若要屏壁时,可较容易达到

11.若有可能时,使用多层印刷电路板

处理医疗设备的安全性

 共模杂讯对较灵敏的设备,例如医疗设备是一个问题。若仪器会与病人接触,则漏电流必须限制在100uA以下。这意谓著,大部分的电源供应器的设计工程师,会限制漏电流在20u 到40uA之间。为了达到此以严苛要求,不会使用接到地的共模滤波电容,而是使共模电感及feed through电容(高频杂讯被导引到机壳的地而不是信号地),及增加一个变压器或隔离进入电源供应器的电力线,以降低共模传导干扰脉冲。安规:IEC950/UL1950 Class II即用于规范医疗设备。

结论

 目前EMC是设计系统的一个重要阶段,而未来会更加严格。我们必须注意到当开关动作发生时,无论辐射或传导杂讯也跟著发生。本文提到的为关于PCB板层级设计时之技术,如果要降低更多辐射方面的杂讯时,使用导电性材质的封闭外壳,来阻绝辐射源亦为另一种方式。但天下没有白吃的午餐,为符合规范及安全规定增加成本是不可避免的。
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