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开关电源系统的电磁兼容问题分析

发布时间:2019-07-05 责任编辑:xueqi

【导读】开关电源系统的电磁干扰在传输途径方面主要是包括两个方面:一是沿着线束进行传输,这方面主要包括沿着电源端口进行传输以及信号端口进行传输;另一方面主要是沿着空间进行传输。
 
随着电子技术的飞速发展,电子设备同时也朝着功能集成化,体积小型化方向发展,这给我们带来诸多的便利,但是各种电子设备之间的电磁耦合也成了工程师们面对的主要问题。电子环境污染的危害性不亚于传统的环境污染。而电磁污染作为环境污染的一部分也被提上了议程。电子设备在正常工作时候,会承受各种电磁干扰,包括自身内部器件的相互干扰,以及周围其他电子设备的干扰,同时会对周围其他的电子设备产生电磁干扰。电子设备在不同应用环境中(家用、工控、电力)要求差异性非常大,这方面可以参考通用标准IEC/EN61000-6系列或者对应产品的行业要求。
 
这种电磁干扰在传输途径方面主要是包括两个方面:一是沿着线束进行传输,这方面主要包括沿着电源端口进行传输以及信号端口进行传输;另一方面主要是沿着空间进行传输。
 
1 电磁干扰
 
电源在它的应用环境中必须符合对应的最低发射能量要求,否则就会对周围环境的设备产生干扰,标准IEC/EN61000-6按照通用类型的要求,分为工业环境设备要求和住宅区、商业区和轻工业环境的发射要求;对于电源这种通用类产品,在设计初期电磁干扰定位除非是特别的型号,否则都会按照IEC/EN61000-6-3或者IEC/EN61000-6-4执行设计。
 
随着电源的体积不断的小型化,功率密度不断的增加,对于电源本身的电磁干扰设计难度不断的加大,MORNSUN目前市场上所有的AC-DC不仅内置了滤波器,同时在变压器屏蔽方面、功率器件噪声吸收方面都投入了大量的设计成本,满足承诺的指标要求;R2代小功率DC-DC产品全部采用六面屏蔽结构进行设计,满足行业EN55022/CISPR 22、EN55011/CISPR 11的CLASS A要求,符合基础性行业的等级要求。
 
虽然电源自身电磁干扰方面投入了很大的设计成本,也符合承诺的各项指标要求,但是电源在市场应用方面还是难免出现电磁干扰超标的问题;此时,很多的设计工程师都会认为问题的根源在于电源,这方面的认识其实是有误区的,因为电磁干扰传导骚扰测试项目,主要是针对电源端口的,那么电源端口就成了他的传输路迳,所有的电磁干扰都会经过电源端口到达被测设备,但是测试设备测试到的电磁干扰除了来自电源本身外,主要的部分还包括整机中的其他部分产生的电磁干扰,以及设备内部寄生参数的谐振产生的电磁干扰,这一类电磁干扰会通过电源端口耦合到测试设备,电源内部的滤波器是无法进行实现对这部分电磁干扰进行滤波,电源应用环境千差万别,所有电源设计滤波器部分都是以解决自身的干扰为首要考虑条件的同时,滤波器衰减特性及频谱特性尽量会预留最大的余量,但不可能兼容所有应用场合;那么这就要求我们的整机设计人员在设计电源前端时候,一定要按照电源厂家推荐的应用电路进行设计,例如:LH15产品应用过程中出现EMI超标问题(见下图)。
 
 
上图为MORNSUN电源LH15-10B05传导骚扰测试结果,此结果符合EN55022/CISPR22的CLASS B要求,而且余量非常充分。
 
 
上图为MORNSUN电源LH15-10B05的电源应用到某品牌产品上面后,整机测试传导骚扰结果,此结果无法符合EN55022/CISPR22的CLASS B要求,甚至连CLASS A都无法满足要求,更不用说设计余量。所以电源即使内部电磁干扰设计等级再高,在应用过程中一定要留应用部分,具体参数可参考具体产品对应的规格书。MORNSUN的电源产品在规格书中都会有应用电路这一栏,会将在应用电路的基础上实现的指标,描述的非常详细。
 
2 电磁抗扰度
 
电源除了要符合上面提到电磁干扰要求外,还必须符合对应应用环境的抗扰度要求,如果无法满足此环境的最低要求,那么就会受到周围其他设备产生的电磁干扰的影响,产生损坏、输出不稳定等异常现象,最终影响整机的正常工作。
 
对于电源这种通用类产品,并没有具体的标准要求抗扰度性能达到一定的等级,在应用到具体的行业时候参考行业的标准;但是在设计初期,并没有定位具体的行业,只能参考通用类标准IEC/EN61000-6的具体要求,标准IEC/EN61000-6-1/2分为工业环境设备抗扰度要求和住宅区、商业区和轻工业环境的抗扰度要求。MORNSUN电源AC-DC部分都是按照工业类型产品最严格的等级在进行设计,同时保证了设计的余量非常充分,目前此类型电源承诺四级指标2KV(差摸)/4KV(共模)的防护能力的产品,内部设计的端口防护压敏电阻都用的是14D的规格(见下图)
 
 
通过下表可以明显看出14D的规格持续通流量可以达到4.5KA,那么承诺的指标只有1KA(差摸)/333KA(共模),通过这个对比可以看出,设计的降额已经非常大,但是产品长期在市场方面使用过程中,还会出现压敏电阻损坏,最终导致电源烧毁的现象,究其原因主要有两方面因素:一方面是由于压敏电阻自身的老化原因产生的,目前市场上面非常常用的ZnO压敏电阻,中间是ZnO颗粒构成的绝缘层,两面通过镀银形成电极,当两面电极的电压超他的阀值电压时候,漏电流会急剧增大,最终形成瞬态电流泄放,起到防护的作用。
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