基於開關電源的係統電磁兼容設計探討
發布時間:2014-08-04 責任編輯:willwoyo
【導讀】電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)給(gei)我(wo)們(men)生(sheng)活(huo)帶(dai)來(lai)諸(zhu)多(duo)便(bian)利(li),但(dan)各(ge)種(zhong)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)磁(ci)耦(ou)合(he)也(ye)成(cheng)了(le)工(gong)程(cheng)師(shi)們(men)麵(mian)對(dui)的(de)主(zhu)要(yao)問(wen)題(ti)。電(dian)子(zi)環(huan)境(jing)汙(wu)染(ran)的(de)危(wei)害(hai)性(xing)很(hen)大(da),電(dian)磁(ci)汙(wu)染(ran)作(zuo)為(wei)環(huan)境(jing)汙(wu)染(ran)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)也(ye)被(bei)提(ti)上(shang)了(le)議(yi)程(cheng)。本(ben)文(wen)簡(jian)單(dan)介(jie)紹(shao)了(le)一(yi)種(zhong)圍(wei)繞(rao)電(dian)源(yuan)本(ben)身(shen)在(zai)進(jin)行(xing)整(zheng)機(ji)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)設(she)計(ji)時(shi)所(suo)需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)技(ji)術(shu)問(wen)題(ti)以(yi)及(ji)設(she)計(ji)的(de)思(si)路(lu)方(fang)法(fa)。
隨sui著zhe電dian子zi技ji術shu的de飛fei速su發fa展zhan,電dian子zi設she備bei同tong時shi也ye朝chao著zhe功gong能neng集ji成cheng化hua,體ti積ji小xiao型xing化hua方fang向xiang發fa展zhan,這zhe給gei我wo們men帶dai來lai諸zhu多duo的de便bian利li,但dan是shi各ge種zhong電dian子zi設she備bei之zhi間jian的de電dian磁ci耦ou合he也ye成cheng了le工gong程cheng師shi們men麵mian對dui的de主zhu要yao問wen題ti。電dian子zi環huan境jing汙wu染ran的de危wei害hai性xing不bu亞ya於yu傳chuan統tong的de環huan境jing汙wu染ran。而er電dian磁ci汙wu染ran作zuo為wei環huan境jing汙wu染ran的de一yi部bu分fen也ye被bei提ti上shang了le議yi程cheng。電dian子zi設she備bei在zai正zheng常chang工gong作zuo時shi候hou,會hui承cheng受shou各ge種zhong電dian磁ci幹gan擾rao,包bao括kuo自zi身shen內nei部bu器qi件jian的de相xiang互hu幹gan擾rao,以yi及ji周zhou圍wei其qi他ta電dian子zi設she備bei的de幹gan擾rao,同tong時shi會hui對dui周zhou圍wei其qi他ta的de電dian子zi設she備bei產chan生sheng電dian磁ci幹gan擾rao。電dian子zi設she備bei在zai不bu同tong應ying用yong環huan境jing中zhong(家用、工控、電力)要求差異性非常大,這方麵可以參考通用標準IEC/EN61000-6係列或者對應產品的行業要求。
這種電磁幹擾在傳輸途徑方麵主要是包括兩個方麵:一是沿著線束進行傳輸,這方麵主要包括沿著電源端口進行傳輸以及信號端口進行傳輸;另一方麵主要是沿著空間進行傳輸。
電磁幹擾:
電源在它的應用環境中必須符合對應的最低發射能量要求,否則就會對周圍環境的設備產生幹擾,標準IEC/EN61000-6按照通用類型的要求,分為工業環境設備要求和住宅區、商業區和輕工業環境的發射要求;對於電源這種通用類產品,在設計初期電磁幹擾定位除非是特別的型號,否則都會按照IEC/EN61000-6-3或者IEC/EN61000-6-4執行設計。
隨著電源的體積不斷的小型化,功率密度不斷的增加,對於電源本身的電磁幹擾設計難度不斷的加大,MORNSUN目前市場上所有的AC-DC不僅內置了濾波器,同時在變壓器屏蔽方麵、功率器件噪聲吸收方麵都投入了大量的設計成本,滿足承諾的指標要求;R2代小功率DC-DC產品全部采用六麵屏蔽結構進行設計,滿足行業EN55022/CISPR 22、EN55011/CISPR 11的CLASS A要求,符合基礎性行業的等級要求。
雖(sui)然(ran)電(dian)源(yuan)自(zi)身(shen)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)方(fang)麵(mian)投(tou)入(ru)了(le)很(hen)大(da)的(de)設(she)計(ji)成(cheng)本(ben),也(ye)符(fu)合(he)承(cheng)諾(nuo)的(de)各(ge)項(xiang)指(zhi)標(biao)要(yao)求(qiu),但(dan)是(shi)電(dian)源(yuan)在(zai)市(shi)場(chang)應(ying)用(yong)方(fang)麵(mian)還(hai)是(shi)難(nan)免(mian)出(chu)現(xian)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)超(chao)標(biao)的(de)問(wen)題(ti);此ci時shi,很hen多duo的de設she計ji工gong程cheng師shi都dou會hui認ren為wei問wen題ti的de根gen源yuan在zai於yu電dian源yuan,這zhe方fang麵mian的de認ren識shi其qi實shi是shi有you誤wu區qu的de,因yin為wei電dian磁ci幹gan擾rao傳chuan導dao騷sao擾rao測ce試shi項xiang目mu,主zhu要yao是shi針zhen對dui電dian源yuan端duan口kou的de,那na麼me電dian源yuan端duan口kou就jiu成cheng了le他ta的de傳chuan輸shu路lu逕jing,所suo有you的de電dian磁ci幹gan擾rao都dou會hui經jing過guo電dian源yuan端duan口kou到dao達da被bei測ce設she備bei。
danshiceshishebeiceshidaodedianciganraochulelaizidianyuanbenshenwai,zhuyaodebufenhaibaokuozhengjizhongdeqitabufenchanshengdedianciganrao,yijishebeineibujishengcanshudexiezhenchanshengdedianciganrao,zheyileidianciganraohuitongguodianyuanduankououhedaoceshishebei,dianyuanneibudelvboqishiwufajinxingshixianduizhebufendianciganraojinxinglvbo,dianyuanyingyonghuanjingqianchawanbie,suoyoudianyuanshejilvboqibufendoushiyijiejuezishendeganraoweishouyaokaolvtiaojiandetongshi,lvboqishuaijiantexingjipinputexingjinlianghuiyuliuzuidadeyuliang,danbukenengjianrongsuoyouyingyongchanghe;那麼這就要求我們的整機設計人員在設計電源前端時候,一定要按照電源廠家推薦的應用電路進行設計,例如:LH15產品應用過程中出現EMI超標問題。
MORNSUN電源LH15-10B05傳導騷擾測試結果,此結果符合EN55022/CISPR22的CLASS B要求,而且餘量非常充分。
MORNSUN電源LH15-10B05的電源應用到某品牌產品上麵後,整機測試傳導騷擾結果,此結果無法符合EN55022/CISPR22的CLASS B要求,甚至連CLASS A都無法滿足要求,更不用說設計餘量。
所以電源即使內部電磁幹擾設計等級再高,在應用過程中一定要留應用部分,具體參數可參考具體產品對應的規格書。MORNSUN的電源產品在規格書中都會有應用電路這一欄,會將在應用電路的基礎上實現的指標,描述的非常詳細。[page]
電磁抗擾度:
dianyuanchuleyaofuheshangmiantidaodianciganraoyaoqiuwai,haibixufuheduiyingyingyonghuanjingdekangraoduyaoqiu,ruguowufamanzucihuanjingdezuidiyaoqiu,namejiuhuishoudaozhouweiqitashebeichanshengdedianciganraodeyingxiang,chanshengsunhuai、輸出不穩定等異常現象,最終影響整機的正常工作。
對於電源這種通用類產品,並沒有具體的標準要求抗擾度性能達到一定的等級,在應用到具體的行業時候參考行業的標準;但是在設計初期,並沒有定位具體的行業,隻能參考通用類標準IEC/EN61000-6的具體要求,標準IEC/EN61000-6-1/2分為工業環境設備抗擾度要求和住宅區、商業區和輕工業環境的抗擾度要求。MORNSUN電源AC-DC部分都是按照工業類型產品最嚴格的等級在進行設計,同時保證了設計的餘量非常充分,目前此類型電源承諾四級指標2KV(差摸)/4KV(共模)的防護能力的產品,內部設計的端口防護壓敏電阻都用的是14D的規格。
通過下表可以明顯看出14D的規格持續通流量可以達到4.5KA,那麼承諾的指標隻有1KA(差摸)/333KA(共模),通tong過guo這zhe個ge對dui比bi可ke以yi看kan出chu,設she計ji的de降jiang額e已yi經jing非fei常chang大da,但dan是shi產chan品pin長chang期qi在zai市shi場chang方fang麵mian使shi用yong過guo程cheng中zhong,還hai會hui出chu現xian壓ya敏min電dian阻zu損sun壞huai,最zui終zhong導dao致zhi電dian源yuan燒shao毀hui的de現xian象xiang,究jiu其qi原yuan因yin主zhu要yao有you兩liang方fang麵mian因yin素su:一方麵是由於壓敏電阻自身的老化原因產生的,目前市場上麵非常常用的ZnO壓敏電阻,中間是ZnO顆(ke)粒(li)構(gou)成(cheng)的(de)絕(jue)緣(yuan)層(ceng),兩(liang)麵(mian)通(tong)過(guo)鍍(du)銀(yin)形(xing)成(cheng)電(dian)極(ji),當(dang)兩(liang)麵(mian)電(dian)極(ji)的(de)電(dian)壓(ya)超(chao)他(ta)的(de)閥(fa)值(zhi)電(dian)壓(ya)時(shi)候(hou),漏(lou)電(dian)流(liu)會(hui)急(ji)劇(ju)增(zeng)大(da),最(zui)終(zhong)形(xing)成(cheng)瞬(shun)態(tai)電(dian)流(liu)泄(xie)放(fang),起(qi)到(dao)防(fang)護(hu)的(de)作(zuo)用(yong)。
壓敏電阻對於瞬態浪湧脈衝進行電流泄放,多次泄放以後壓敏電阻的介質ZnO會發生特性變化,這樣壓敏電阻的殘壓特性、泄放能力都會大大降低;更加嚴重的是壓敏電阻這種兩麵鍍銀結構,表麵鍍銀並無法實現100%均jun勻yun,那na就jiu說shuo明ming每mei次ci瞬shun態tai浪lang湧yong衝chong擊ji,必bi然ran會hui存cun在zai整zheng個ge壓ya敏min電dian阻zu的de表biao麵mian有you某mou個ge點dian最zui先xian導dao通tong,最zui先xian擊ji穿chuan導dao通tong的de點dian在zai承cheng受shou多duo次ci衝chong擊ji之zhi後hou,後hou首shou先xian燒shao毀hui,最zui終zhong導dao致zhi壓ya敏min電dian阻zu損sun壞huai。
這種壓敏電阻通過擊穿點進行電流泄放,在泄流點會形成大量的熱量,這種熱量最終會導致壓敏電阻燒穿。
另ling外wai一yi方fang麵mian損sun壞huai因yin素su是shi由you於yu終zhong端duan客ke戶hu對dui於yu電dian源yuan使shi用yong不bu當dang引yin起qi的de失shi效xiao,使shi用yong不bu當dang前qian麵mian已yi經jing描miao述shu過guo會hui引yin起qi電dian磁ci幹gan擾rao的de超chao標biao,同tong樣yang電dian磁ci抗kang擾rao度du也ye會hui受shou到dao嚴yan重zhong的de影ying響xiang,客ke戶hu應ying用yong現xian場chang千qian差cha萬wan別bie,那na麼me其qi中zhong對duiMORNSUN隔離AC-DC小(xiao)功(gong)率(lv)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)的(de)非(fei)隔(ge)離(li)引(yin)用(yong),就(jiu)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)源(yuan)的(de)損(sun)壞(huai),即(ji)使(shi)電(dian)源(yuan)在(zai)這(zhe)種(zhong)瞬(shun)態(tai)浪(lang)湧(yong)衝(chong)擊(ji)中(zhong)僥(jiao)幸(xing)正(zheng)常(chang),那(na)麼(me)後(hou)端(duan)的(de)負(fu)載(zai)部(bu)分(fen)也(ye)會(hui)產(chan)生(sheng)各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的(de)異(yi)常(chang)現(xian)象(xiang),這(zhe)是(shi)整(zheng)機(ji)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)非(fei)常(chang)頭(tou)痛(tong)的(de)問(wen)題(ti)。
隔離電源的非隔離應用會產生什麼樣的問題:一是當進行共模浪湧試驗時候,共模線-地之間的浪湧衝擊就會變成隔離電源模塊原副邊之間的耐壓,對於各種工業、電力、軌道交通等對於產品可靠性要求非常苛刻的應用環境,線-地之間會按照4KV的浪湧等級進行試驗,大多數行業對於電源的隔離度都是按照3KV的要求或者更低進行設計,這樣電源模塊就難逃損壞,隻有醫療等特殊行業的隔離度才會設計在4KV,但是此時的隔離電源需要犧牲體積、成本等。
diergewentishidangshuruduancunzaishuntaimaichongdenggezhongzaboganraoxinhaoshihou,gelidianyuannenggouqidaohenhaodebaohuhouduanfuzaizuoyong,danshifeigeliyingyongzhihou,shuruduandesuoyouganraoxinhaodouhuiyuanfengbudongdechuanshudaofuzaiduan,huidaodaozhizhenggexitongchanshengyichangshenzhitanhuan。
shangmianzhezeyingyongjingchanghuishoudaogezhongzhiyi,yibanhuiyimouguojizhimingpinpaidezhengjishejiweili,gaosuwomenshichangshangmianhenduozhezhongyingyong,dangranzhezhongqueshishicunzai。namezhezhongyingyongzaishenmeqingkuangxiabuhuichanshengyichangne?duiyudianlixitongfeichangfadadediyu,tadedianwangyijingkekao,tongshidianwangdefuzaidedianciganraoyijingfeichanglixiangdeqingkuangxia,shimeiyouwentide;另外這種應用可能會在負載端已經投入了大量的設計成本來避免輸入端的瞬態幹擾的時候,非隔離應用也不會有異常;
那麼,如果隔離電源在應用過程中一定要進行輸出Vout-連接到PE端(duan),可(ke)以(yi)按(an)照(zhao)相(xiang)應(ying)的(de)連(lian)接(jie)思(si)路(lu),通(tong)過(guo)電(dian)容(rong)將(jiang)這(zhe)兩(liang)個(ge)端(duan)子(zi)進(jin)行(xing)連(lian)接(jie),這(zhe)樣(yang)設(she)計(ji)保(bao)證(zheng)了(le)客(ke)戶(hu)特(te)殊(shu)使(shi)用(yong)要(yao)求(qiu)的(de)同(tong)事(shi),對(dui)於(yu)上(shang)述(shu)問(wen)題(ti)也(ye)能(neng)夠(gou)有(you)效(xiao)的(de)規(gui)避(bi)。
總之,從可靠性的角度來說明,這種設計是非常不提倡的。
結語:
整機電磁兼容的設計其實是一個係統性的工程,需要我們在設計初期就對指標定位、應用環境評審充分,在設計過程對於電路圖設計、原材料選型、PCB繪製、結構設計、工藝安裝等各方麵評審充分;任(ren)何(he)一(yi)個(ge)點(dian)設(she)計(ji)不(bu)到(dao)位(wei)都(dou)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)設(she)計(ji)失(shi)敗(bai),甚(shen)至(zhi)會(hui)付(fu)出(chu)沉(chen)重(zhong)的(de)成(cheng)本(ben)代(dai)價(jia)。目(mu)前(qian)行(xing)業(ye)內(nei)對(dui)於(yu)這(zhe)方(fang)麵(mian)的(de)設(she)計(ji)失(shi)敗(bai)局(ju)限(xian)於(yu)電(dian)源(yuan)方(fang)麵(mian),還(hai)有(you)待(dai)繼(ji)續(xu)梳(shu)理(li)和(he)提(ti)高(gao)。
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