电磁干扰

防电磁干扰的电源 滤波器已无能为力 让我们来看一下普通的电源供给 它运作的平常任务如 AC-DC的转换 或 DC-DC,甚至 DC-AC电压调整 电流限制 它经常受到外界的损害 比如 尖 端 凹槽 下降 高涨甚至突然的电流变换 人们对于它耗能太多且近来经常 性的产生谐波烧毁变压器和中性线路而颇有微词 电源常被忽略甚至误解 尽管如此普遍使用 他们是传导性和辐射性电磁 干扰的关键来源和受体 有时它不知觉地为电磁干扰提供连接通路 使其通过 电源进入系统内部 这些问题必然产生因为每个电路最终都要连接到电源上 本章 我们考虑与电源有关的特殊电磁干扰问题 并提供防止和解决它的 一些指导 以及功率和电流变换保护的一些设计指导 即使你经常购买电源 它也会对你有所帮助 顺便说一下 我们的对象并非电源设计的专业人士-大多数专家已经意识到 这些问题 相反地 是那些可能第一次被要求选择甚至设计电源的非专业人员 我们的目标并非使你成为一个电源专家 那需要很多年的实践 而是帮助你识 别和防止在你的电源可能出现的普遍性电磁干扰问题 电源 成熟的系统 以前的一段时间 电源非常简单 它们由二极管 变压器和电容 电导来 实现 改进的设计用活动调整器如水银蒸气调节器来控制输出的恒定 电容丝 用来完成过电保护-从没有这样的特制电流限制材料 回朔电子真空管时期 许多问题如电压控制和效率不是非常重要 大部分 线性电源的效率小于 50%由于大变压器和粗糙的真空管调整器 回忆老的 5U4电源通常忽略尖端和其他电流变换问题 有关电磁干扰的最大问题是开 放性滤波电容 导致寄生电路的嗡音干扰在60HZ围绕于B+电压 一切自半导体革命而改变 而今它们在低电压下工作并要求较好的调节 而且这些系统要求高效 用晶体管和 ICS来保存功率是无意义的 此外 低费 用的固态设备使成熟的功率控制更实际 现在的电源是很完善的储能系统 得益于开关模式的设计 效率大于 90% 尺寸变小 活动设备提供反馈 稳定调节和瞬间过流保护 便宜的 IC提供附加 的本地电压调整 市场上新设备提供的功率参数校正在周期基础上防止谐失真 所有的这些好处是有代价的 现代电源是传导性和辐射性电磁干扰的主要 来源 开关模式电源是一个高能震荡器 富含开关谐波 它也是电磁干扰的牺 牲品 敏感电子线路用于提供反馈和调整常被RF能 晶体管甚至内部噪音干扰 由此任何电源设计必须从一开始就考虑电磁干扰问题 电源成为电磁干扰的来源 电源成为电磁干扰的来源有多种原因 如图一所示 有主动的 如开关震 荡器或开关电压调整器 另一些是被动的 如校正 有一些有意设计的电路和 一些无意造成的 电源产生不同模式的电磁干扰 有一些是导致共模 common- on电磁干扰 如图 2所示 一些电源是高频的 一些是低频的 环境变得难 以分析 两个关键发射问题 开关和功率谐波 开关谐波是明显的开关模式电源电磁干扰问题 开关模式使用的电流高速 震荡器富含谐波 由其矩形波形可知 不像数字时钟 你不想减缓一个开关电 源边缘 因为这样会造成效率减低和能量损失 大多数开关模式电源问题发生 在 10K-100MHZ虽然我们已经知道高速开关导致的电磁干扰在高于 100MHZ也 会有 这些开关谐波会导致严重的传导性发射问题 大多数开关运作于 10- 100KHZ由于它们的矩形边缘 这些谐波导致开关电源波形缓慢下降 20db/dec这些谐波是 常导致传导发射超过FCC限制 更糟的是在VDE 标准限制下 即开始于更低频— 150KHZ的 A级 商用 电子学 10KHZ的 B级 家用 电子学 用输入功率滤波器去限制它 频率越低 滤波器越大 开关滤波会导致低频辐射性发射问题 如军方和德国测试低频磁场辐射在 10K-30M因为开关电源用脚流电 它们是磁场源 磁场屏蔽和仔细的电流规划 设计可以控制 低频磁场屏蔽也很困难 它们需要钢和高渗性合金 电路规划 可分担大部分辐射性发射在这种源上 开关谐波通常不导致高频发射 大部分商用标准只测试电场辐射范围 30- 1000MHZ在高频上开关谐波一般是低于限制的 然而 它们会导致干扰问题 AM和无线接收 550K-30M电视接收或低信号领域 在 FCC标准限制是建立 在保护电视抗干扰接收 在强信号城市环境 而不包括所有干扰可能性 在低 信号水平 外部干扰可严重减低信噪比 解决是加屏蔽和滤波来降低电磁 干扰程度 符合电磁干扰标准也不是不存在电磁干扰问题 开关谐波会导致内 部设备损坏 在敏感 模拟 电路中 设计者一定要坚持用线性电源 以减少 输出涡流 另一方法是提供附加电压调节为模拟的负载 同时注意到内设问题 如 CRT显示器 磁存设备 硬盘 这些问题由电 磁场接入低标准模拟电路引起 数字信号一般不受影响 电场易影响高阻电路 磁场反之 且两种场出现在电源附近 解决的途径是电场屏蔽和简单分离电路 以及合理的电缆线路安排 功率谐波与上相比 它相对较小 但严重时也会使外电路过热 大多数问 题由前 20个谐波产生 10KHZ为 50HZ电源 12KHZ-60HZ8KHZ-400HZ高频 噪音 100MHZ表现为无线电和电视干扰 这是一个设备问题 但更是一个系统问题 而器件的调整是包括谐波失真 限制的 IEC555-2标准就影响到器件在欧洲的销售情况 目的是限制在功率输入 的每个器件总的谐波失真 另一种方法是功率元件限制谐波在功率服务进口处 而不保护建筑内线 开关电源恶化谐失真的途径是直接调整功率干线和调整存储能量进入一个 大直流电容 这种形式有能导致尖峰电流在电压峰值 当大电容充电时 电流 无法像线性负载一样完全进入整个电路 线性电源导致问题少是因为这通常有 一个变压器 一个阻塞接入滤波器可减少尖峰电流 事实不是开关导致这个问 题 是由于对功率线的直接调整缺乏任何干扰电导— 这才是真正的罪魁祸首 电压失真也可能产生 由电源电阻和欧姆定律易知 理想 0 电源电流失 真不会导致电压失真 电流减少 电压失真减少 这就是开关是开阻的原因 高阻 如电压调节和干扰器件 互相干扰导致系统工作很差 另一个有益的提示是 谐波失真 5%波形震荡 2%如果是纯正弦波信 号就会很清晰 而如果有失真 就会有谐波问题 针对失真问题有多种解决方法 如上文提到 输入变压器和阻塞输入滤波 器有用 功率参数校正的 IC通过扩展整个功率循环的电流脉冲起到帮助作用 对高频噪音问题 电磁干扰滤波器也是可以解决的 电源受电磁干扰影响 电流通过功率干线与外连接 易受大范围的功率干扰 从极快速尖端到功 率低端 我们可以从前面发现很多关于功率干扰的章节 这些干扰会导致系统内部电子学的直接问题或间接问题 而间接问题在高 频或产生快速尖端时尤为普遍存在 对电源的直接影响 大尖峰 大凹槽 大涨大落的电压 使高能在尖端和 过电压中受损 在槽和低电压环境下也会使通过能量短缺而造成干扰 低水平晶体管通过电源导致问题 其造成错误而不是损害 EFT监视/开 关晶体管对输入功率和地终端 模拟干扰会导致错判 电压调节装置被高水平无线电频率能量干扰 开关 电路通过高水平的可调频率干扰 尤其当 a-f与转换频率匹配时 敏感内部电 子也被慢涨慢落干扰 对电源的间接影响 电源不是干扰 而是 EMI的帮区 高频时通常觉得不 成问题 但 隐性 是适用于电源和其它电路的 快速电流变换 如EFT或 ESD经常通过电源造成内部电路的混乱 这似乎 不可能 如果考虑到所有内滤波器有一个源 设计滤波器解决旋涡在低频有效 而在 MHZ无效 KFI滤波器在输出的功率线可能无效 即在 30MHZFCC/VDE传 导发射测试的上限 EFT有显著能量在 50MHZ时 ESD晶体管在100-300MHZ有能量 内产生EMI 如时钟晶体管也可以有能量在百兆赫兹 除非你提供高频滤波器在电源中高频 能量轻易地会损害其他方向 电源需要多少保护 除非参数特定 我们用 IEEE标准 这个曲线表示 电 源应该未受长期106%的过压和87%的低压 300%*10us的暂态冲激以及200%*1ms 的暂态冲激等 在半周期衰减 8.33msc-60HZ的功率 如果突然的电流变换是一个顾虑 我们也可用 IEEEEC62.41 如我们书中第 五章提出的一个功率模型 对电源设计进行指导 现在让我们看一些措施 如一滤波器或暂态保护器是不够的 你必须适当 设计安装这些保护电路以实现他们的最大功率 明智的电机设计应防止许多EMI 问题的产生 阻塞传导性和辐射性噪音 当我们大多数人有功率线电磁干扰问题时 我们就进入一个滤波器设计的范 畴 只有正确选择和安装滤波器才能解决 滤波器可导致更糟而无法解决 滤 波器作主要武器来抗功率线电磁干扰 因而这有一些关于用电磁干扰功率滤波 器的指导原则 首先考虑以下问题来决定你的需求 a 你的电压和电流要求 电流上升 滤波器电导上升以防饱和 这导致需要大型滤波器 b 频率要求 商用滤波器在 10KHZ至 30MHZ军用滤波器在 10K至 1GHZ商用符合 FCC 限制 滤波器提供减弱从450KHZ-30MHZ或更高 对VDE限制 低端是150KHZ 对 A级 10KHZ对 B级 我们会在后面看到 30MHZ上限对商用滤波器不 够好 附加保护是必须的 c 你需要的衰减是多少 如果你没有通过电磁干扰测试 你会知道准确的所需量和所需频率 否则 对商用设计我们希望看到至少30dB衰减 对A级 和40dB对B级 在至少30MHZ 对军用 我们的要求是 40-60dB从10K-1G d 你需要什么安全机构的认可 在USA是UL在加拿大是COA在欧洲是VDE/TUV/CE e 漏留的限制是什么 测试的不是质量 漏留是由线--地电容决定 这些水平典型限制是 500uA— 5mA而医用设备一般是10uA 然后 确定你已经正确安装 有两个关键问题 一是位置 二是高频接合 在其周围 我们给出三点滤波器安装的要点 a 滤波器金属直接低阻连接入电箱或电路 board地面 不要通过电 线 因为即使很短的电线也是传导性很好的 b 尽量使滤波器靠近电箱进口 最佳是隔壁在电箱内 以助于保持屏蔽 完整 频率上升 滤波器和屏蔽变成阻止电磁干扰的共同体 c 不要排列滤波器进口导线接近出口导线 小心滤波器进线远离任何信 号导线或电缆 最后 确信提供共模和异模保护 大多数商用电磁干扰提供保护两种接入 模式 图4是典型电磁干扰滤波器设计 只适用一种模式是不完整的工作 高频功率线保护 商用频率少于 30MHZ由于 1 商用传导限制 30MHZ2 大多数功率 线不产生辐射问题 事过境迁 你现在需要在你的系统中用高频滤波器 当频率上升时 高频 能上升 用公式 20x时钟频率 30MHZ时钟频率 E 600M而 66MHZ时钟频率 则 1GHZ高速系统是高频有高频免疫问题 当ESD能量在100-300MHZ时 即 使 EFT有显著能量在 50-100HZ不加商业保护 暂态冲激也会损害电源并进入 你的电路 设计要点 a 加高频滤波器到输入功率线滤波器 简单共模铁氧体阻塞工作由于大 多数功率线电磁干扰 30MHZ是共模的 有隔壁电磁干扰滤波器建立铁氧体在 滤波器后用一个内置式滤波器 置铁氧体在进口 电磁干扰铁氧体不是低耗电 源铁氧体 绕线小于两圈 不要外加线— 地电容 因为它可能导致漏电流水平 超标 b 加高频滤波器在出口 电容 0.001— 0.01uF在每一进口 包括后备计 划 增加这种滤波 如果需要的话 通过单圈共模铁氧体在功率电线当它离开 电源的时候 c 在其它辅助功率口增加高频滤波器 如鼠标和键盘 我们已看到一 些无法通过 FCC辐射测试的单元就是由于通过这些口的泄露 在这种情况下 一旦外围设备加入进来 不加滤波器的辅助出口便给辐射性高频能量提供了一 条隧道 这并非传导问题而是一个辐射性问题 所以你需要高频滤波器来维持 屏蔽完整性和控制不必要的辐射物质 避免尖端电流变换保护器 很多情况下 你也想在电源启动点加入电流保护 滤波器固然能减弱尖端 但是大的尖端需要另外的保护 对于滤波器来说 合适设备的选择和安装是非 常重要的 电流变换保护在电子大量辐射的环境中是必须的 如大型电路尖端 很普遍的工业控制或自动应用部门 电流保护并不如在商业甚至许多军事应用 中那样重要 那些部门中设备通常通过电源调节或 UPS不受干扰的电源系统 提供 干净 的电源 然而 假如你的产品销往欧洲 你会需要加入保护以对 抗 IEC801.4EFT电子快速变换 的需要 在这种情况下 你不能依靠外在调 节来进行保护 普遍运用在设备中有三种类型的电流变换保护 弧型 金属氧化和硅装置 每一种均有其自身优势和劣势之处 弧型装置最强劲 但它们是最慢的 通常包含一个满载气体的小容器用来 电离高于当前电压水平的电子 电离后 穿过装置的电压实际上降低到一个非 常低的水平 如图 7 所以 弧型装置并未驱散太多能量 即使缺少一些小组 件你亦能顺利完成任务 然而 弧型装置有两个缺点 第一 它们是最慢的 通常需要约 100nsec 或更高速度来运转 即使这个速度远超过引起电流变换和电流尖端传达的速度 它也快到致使 EFT或 ESD电流变换 第二 弧型装置依靠周相反转来 转换电 流之方向 或关闭电流 因此它们在大多数dc电路上无法运行 金属装置比弧型装置速度快而且很稳健 它由金属氧化物的小微粒组成 锌 的利用较普遍 它们在电流变换环境下像一组小型两极真空管 其控制电压的 情形如图 8所示 由于粒状的设计 它能在一个小组件中分散惊人的能量 而 且能在1至10nsec内完成 因此 金属装置象拥有典型的 5nsec上升次数的 EFT一样更适合于防护电 流突变 一些新型多层装置速度虽快到足以支持 ESD电流变换 但对于一个 1 nsec ESD的电流变换而言仍嫌稍慢 尽管在几百万次的电流变换后也会衰竭 但这对于需要高度可靠性和长期寿命的应用部门来说仅仅是一个忧虑而已 所 以金属装置称得上不知疲倦的载重马 硅装置是最快的电流变换保护装置 它包括特殊的两极真空管 用来充分 利用速度 驱散能量 像金属装置一样 也能控制电压而且通常在 1nsec的速 度下快速完成 这些装置对于各种类型的电流变换均运作良好-启动 发动 EFT 和ESD对于给定的驱散能量它们比金属装置稍大一些 对于大多数设计运用的部门我们更中意后两种装置 弧型装置适于系统保 护 同时我们也中意带有内在电流变换保护的改变周波数的新型滤波器 希望 将来出现更多这样的产品 对于滤波器而言 电流变换保护器的安装很关键 你需要普通波形和特异 波形的两种保护 如图 9 波峰电感越小 反应越慢 并且在电源输入端附近 安装电流变换保护器 使附带产生的放射物最小化 破坏传导放射物的实验是一个难缠的问题 幸运的是 可以轻易地诊断 确定问题所在 任何一个设计电源的人有可能意识到这个问题 但是如果 你未曾对此制订 它将确定无疑地缠上你 尽管这并非一个普通的症 结 但我们一年也会碰到几次 图 10说明了这种情形 高频能从电路处传 输至柜子处 这引起普通波形通过热而中性的电路返回 这些普通波形电 流会导致 ECC或 VDE传导放射物实验的失败 它们也能在实际生活中引起 干扰问题 此问题相对容易确定 最可能的传输路径是在电流开通晶体管和柜子 之间进行 你能在晶体管和热能管中插入小型电流保护物拦截电流来使此 路径最小化 这种装置可从一些自动贩卖机上获得 另一个选择是使热能 管充分运转从而在隧道上插入额外连续的能量 然而 这种方法置热能管 于潜在的 ac线路上并且出现电路震动危险 一些电源供应商在电闸晶体管 和热能管上方使用橡胶顶盖来避免这一危险 附带的传导也能发生在电闸变压器甚至线路或靠近柜子或地面线路的 其他部分 小型电量保护器也能在这儿起作用 注意小心自然的安置也能 使不必要的附带传输最小化 所有这些建议在 UA中测量泄露电流的医学应 用中很重要 让我们来关注一下其它路径 几年前我们遇到过一个复杂的问题 由 一个电子脉冲感应器到邻近不相关的热能管的能量传输线路引起 有时噪 声会引起 VDE等级型 B放射物无效 最初我们怀疑是从感应器产生磁性传 输 但后来的调查显示确实是附带能量传输引起 此时 一个小型连接到 感应器冷面一端的保护物可以解决问题 使磁场放射物最小化 只有当面临 VDE放射物或军事应用时磁场放射物才是一个顾虑 当前 FCC限制不含磁场限制也无新的 EC要求 而另一方面我们也会很惊讶 地发现将来会产生强制性的磁场放射物限制条例 在设计和布局阶段 使磁场最小化并不是一件难事 然而 提供低频 磁场保护器却很难 因此 如果你想使磁场最小化 最好摆脱设计构想而 去满足既定要求 消除磁场的秘诀是将封闭电路面积减至最小 磁场辐射由四个参数作 用 电流 封闭电路面积 频率和封闭电路天线距离 在所有这些因素中 封闭电路面积最易控制而且对于正常运作几乎无甚影响 保持高密电路短 而直同时使其回路尽可能邻近热的管道 缠绕的线路弱化额外磁场 此种 方法非常有效 就经验来说 我们认为缠绕的电线相当于20dB磁场弱化 . 如果必须屏蔽磁场 记住使用钢性或其它磁性材料 如果用高穿透性 磁性物质 提防由高磁物引起的饱和 考虑到各方面的情形 用精巧的设 计与规划比仅依靠强制的磁场屏蔽要更好 最小化谐波的设计 如上文我们已经讨论过谐波正日益成为一个热门课题 其中一个主要 驱动因素是即将来临的被称作 IEC555-2的 EC需求 尽管所有的 EC限制处 于一种变迁状态 但从目前看来 遵从IEC555-2的EC电路谐波需求会在1995 年以后欧洲售出的电器上强制运用 目前有几种方法来调节谐波失真最小化 通常插入一绝缘变压器或电 感输入电路滤波器 取代直接从 AC干线上校正 这两种方法都要求在电容 器之前提供串联电感来帮助过滤谐波 遗憾的是 这些滤波器需要增加相 当的重量 会抵消电源开关的一个主要优点 但是 如果没有重量的限制 可以考虑为你的设计如此添加-也许你会有意想不到的收获 幸运得失 半导体制造者们正着力推出新的电路元素校正 Ics这些灵 巧的装置原本是促使电源从一些脉冲电流 分布于各线路中 获取所需电 流而并非一次完成 在高容量时这些 Ics应该只会增加开关电源的费用不 到 25美元 当然 电源受制于强烈的价格压力 但是电路元素校正看起来 是不太耗费的最佳解决办法