电源电路中的电磁兼容设计

2017-09-07 温州创捷防雷电器有限公司 603
  在电子产品中,各类搅扰通常会通过电源传输给电子设备,从而对这些设备形成危险。通过对微机系统的失效几率统计可知:微机系统100次阻拦,个中90次来自电源,10次是微机本人,可见电源的稳定性最重要。具备杰出抗搅扰方案的电源,能应用户在产品方案中无需思索由电源诱发的抗搅扰题目,大大压缩用户的产品斥地周期,节减斥地本钱。
一、电源搅扰的类型
电源搅扰能够以“共模”或“差模”形势存在。搅扰类型能够从继续期很短的尖峰搅扰到彻底失电之间举办变化。个中也蕴含电压变化(如电压的跌落、电涌与中缀)、频率变化、波形失真(电压的或电流的)、继续噪声或杂波,以及瞬变等。表4中的几种搅扰,可能通过电源举办传输并形成设备的破碎摧毁或影响其任务的次如果电快速瞬变脉冲群和电涌袭击波,而静电放电等搅扰只需电源设备本人不爆发停振、输出电压跌落等征兆,就不会形成由电源诱发的对用电设备的影响。
表1  电源搅扰的类型
浪涌保护器,防雷器,压敏电阻
二、抑制搅扰的要领
2.1 在电源输入端列入路线滤波器
典范榜样的电源路线滤波器如图1所示。个中,L1和L2的线圈同偏向绕在同一磁芯上,这两个电感对付差模电流和主电流所爆发的磁通是彼此对消的,是以不会诱发磁芯的饱和;而对付共模电流则能够反映为很大的电感,以便获得最大的滤波结果,以是又称为“共模电感”。
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图1  典范榜样的电源路线滤波器
CX电容用来衰减差模搅扰,CY电容用于衰减共模搅扰,R用于消除滤波器中也许泛起的静电储蓄积累。
电源滤波器重要用于抑制30 MHz如下频率范畴的噪声,而对付脉冲搅扰,其谐波频率通常高达上百MHz,理论应用结果通常其实不分明。某研讨机构对20种电源滤波器的抑制电涌波的手段举办了测试,超过20 dB的仅有4种,甚至有的会在输出端爆发振荡。
2.2 给与带樊篱层的变压器
由于共模搅扰是一种绝对大地的搅扰,以是它重要通过变压器绕组间的耦合电容来传递。若是在初、次级之间插入樊篱层,并使之杰出接地,便能使搅扰电压通过樊篱层旁路掉,从而减小输出端的搅扰电压。樊篱层对变压器的能量传输并没有不良影响,但影响了绕组间的耦合电容。图2画出了带樊篱层的拒却变压器的共模搅扰通路。个中,C1为初级绕组与樊篱层之间的散布电容;C2为次级烧组与樊篱层之间的散布电容;Z1为樊篱层接地阻抗;Z2为负载对地阻抗;e1为初级搅扰(共模型)电压;e2为次级搅扰(共模型)电压。
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图2  带樊篱层的拒却变压器
图2中,要使共模衰减量增大,只需使变压器樊篱层接地阻抗变小。理论上带樊篱层的变压器能使衰减量达到60 dB左右,但理论应用后发现,对付尖峰搅扰有抑制,其结果也不十邃晓显。
2.3 在电源的输入端列入多级路线滤波器
一般征兆下,在图1所示的电路中再加一级差模滤波器,用于衰减差模搅扰。通常,差模滤波器的方案如图3所示。
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图3  差模滤波器
2.4 给与吸波器件
压敏电阻器、瞬态电压抑制管(Transient Voltage Suppressor,TVS管)等吸波器件有稀罕的特性,即在阈值电压如下泛起高阻抗,而一旦超过阈值电压,阻抗便急剧升高,是以对尖峰电压有确定的抑建造用,但也有各自的局限性。譬喻压敏电阻的电流吸收手段不够大,TVS管的阈值电压一般仅为300~400 V。压敏电阻器、TVS管在电路中应并联应用。
三、参数决定
对付不同的电路,电源路线滤波器参数的决定应按照电流、电压、频率范畴等因素综合思索,无意偶尔应通过推行来确定。本节只对压敏电阻、TVS管的参数决定举办阐明。
3.1 压敏电阻器
(1) 压敏电阻器的作用
压敏电阻器是一种金属化物变阻器,其电压与电流不屈从欧姆定律,而成稀罕的非线性相干。当两端所加电压低于标称额定电压值时,压敏电阻器的电阻值接近无量大,外部简直无电流流过;略高于标称额定电压值时,压敏电阻器将迅速击穿导通,并由高阻状态变为低阻状态,任务电流也急剧增大;低于标称额定电压值时,压敏电阻器又回覆为高阻状态;超过最大限定电压值时,压敏电阻器将彻底击穿毁坏,没法再自行回覆。
压敏电阻器遍及运用于家用电器以及其余电子产品中,起到过电压保护、防雷、抑制电涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。
(2) 压敏电阻器的拔取打算
一般来说,压敏电阻器与被保护器件或装配并联应用。在失常征兆下,压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压,即使在电源摆荡征兆最坏时,也不应高于额定值当决定的最大中缀任务电压,该最大中缀任务电压值所对应的标称电压值即为选用值。对付过压保护方面的运用,压敏电压值VmA应大于理论电路的电压值,一般应用下式举办决定:
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式中:a为电路电压摆荡系数,一般取1.2;v为电路直流任务电压(交流时为无效值);b为压敏电压偏差,一般取0.85;c为元件的老化系数,一般取0.9;
这样打算获得的VmA的理论数值是直流任务电压的1.5倍,在交流状态下还要思索峰值,是以打算成就应扩充1.414倍。其它,选历时还必须属意:
① 必须担保在电压摆荡最大时,中缀任务电压也不会超过最大准许值,不然将压缩压敏电阻器的应用寿命。
② 在电源线与大地间应用压敏电阻器时,无意偶尔由于接地不良而使线与地之间电压回升,以是通常给与比线与线间应用处合标称电压更高的压敏电阻器。
③ 压敏电阻所吸收的电涌电流应小于产品的最大通流量。
3.2 TVS管
(1) TVS管的作用
TVS管是一种二极管模式的高效率保护器件。当TVS二极管的两极遭到反向瞬态高能量袭击时,它能以10-12秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的电涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,无效地保护电子路线中的周到元器件免受各类电涌脉冲的毁坏。由于它具备响应时间快、瞬态功率大、泄电流低、击穿电压错误谬误小、箝位电压较易掌握、无毁坏极限、体积小等益处,现在已遍及运用于打算机系统、通信设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表、RS232/422/423/48五、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP三、PDAS、gps、 CDMA、GSM、数字拍照机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接管保护、电电机磁波搅扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪声的抑制等各个范畴。
(2) TVS管的拔取
打算拔取时应属意如下几点:
① TVS额定反向关断电压VWM应大于或便是被保护电路的最大任务电压。
② 最小击穿电压VBR=VWM/KBR (个中,KBR=0.8~0.9)。
③ TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的毁坏电压,即VC=KC×VBR (个中,KC=1.3)。
④ 在规定的脉冲继续时间内,TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内也许泛起的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态电涌电流。
3.3 TVS管与压敏电阻器的对照
现在,国际不少需举办电涌保护的设备上应用的是压敏电阻器。TVS管一般用于电快速瞬变脉冲群的防护,其个性比压敏电阻器杰出得多,细心个性参数的对照表2所列。
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表2  TVS管与压敏电阻器的对照
四、运用实例
4.1 交流电路
图4为微电机源给与TVS管作路线保护的原理图。
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图4  微电机源局部原理图
上面就图4中的路线保护加以阐明。
① 在进线的交流220 V处加双向TVS管D1,以抑制220 V交流电网中的尖峰搅扰。双向TVS管D1的
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拔取D1时按照上述参数,通过查表即可获得。
② 在变压器进线处加之抗搅扰的电源线滤波器,以消除小尖峰搅扰。
③ 在变压器输出端交流20 V处加之双向TVS管D2,再一次抑制搅扰。双向TVS管D2的
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拔取D2时按照上述参数,通过查表即可获得。
④ 整流滤波输出直流10 V时,加之单向TVS管D3抑制搅扰。单向TVS管D3的
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拔取D3时按照上述参数,通过查表即可获得。
通过如上4次抑制,获患了所谓的“净化电源”。为了防雷击等电涌电压,还可在交流220 V进线端加之压敏电阻器,以便更无效地胁制搅扰进入打算机的CPU及存储器中,从而进一步进步系统的稳定性。
4.2 DCDC电路
图5是一个直流电源的前级抑制搅扰原理图。
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图5  直流电源局部原理图
图5中,KZ、KF外接24 V直流电源;YR1为压敏电阻器,VmA=1.5×24 = 36 V,用于抗电涌袭击;L一、L二、C1和C2形成平衡型LC滤波器,抑制差模搅扰;L3为共模电感,用于抑制共模搅扰;TVS1用于抑制电快速瞬变脉冲群搅扰。属意,若是GND不能通过机壳接地,则必需要加TVS2接KF,目的是把瞬变脉冲搅扰信号“导”向大地。