- 地線對EMC的影響
- 如何進(jìn)行接地優(yōu)化
- 為了減少電磁輻射的有效輻射面積,整流二極管、電源濾波電容必須緊靠開關(guān)電源變壓器的次級
- 電源濾波電容的地更應(yīng)該就近與變壓器次級的地連接
- PCB板上還要做到一點(diǎn)接地,即:在這兩個接地點(diǎn)之間不要插入其它的接地點(diǎn)
- 為了減少電磁輻射,要盡量減少電源輸入回路以及功率輸出回路的面積
- 對于功放的供電回路,減少電磁輻射面積最好的方法,是把電源直接接到功放電源輸入腳的兩端
- 輸入信號的輸入地線與信號輸入線要盡量要靠近,并且要平行一起走
地線對EMC的影響
很多人都認(rèn)為,電路中的地線或接地電路都是不帶電的,實(shí)際上,這種認(rèn)為是錯誤的。在一般的直流電路或低頻電路中,當(dāng)不考慮電磁感應(yīng)時,可以認(rèn)為電路中的地線或接地電路是不帶電的,但在存在電磁感應(yīng)的電路中,就不要輕易認(rèn)為電路中的地線或接地電路是不帶電的。
舉個簡單例子吧,誰會相信,幾十萬伏的高壓輸電線的正中心是不帶電的。但事實(shí)上,由于電場的相互作用,導(dǎo)體中的電荷分布主要都是集中在導(dǎo)體的外表面,而導(dǎo)體的中心電荷幾乎為0,所以帶電導(dǎo)體的中心是不帶電的。這個原理可以用驗(yàn)電器在一個帶電空心金屬球的中心進(jìn)行測試作證明,在一個帶電空心金屬球的中心電場強(qiáng)度的確為零,從而也可證明帶電導(dǎo)體中心的電場強(qiáng)度為零,即不帶電。
在具有電磁感應(yīng)的電路中,無論電路是否閉合回路,或者是開路,在與電場方向一致的導(dǎo)體中都會產(chǎn)生位移電流,無論是導(dǎo)體或者是絕緣體在電場中都會產(chǎn)生極化帶電;當(dāng)電場的方向不斷改變時,電流的方向也會跟隨電場的方向改變而改變,電流將一會兒向前跑,一會兒向后跑。導(dǎo)體被極化帶電的過程,可參考圖12中的天線被極化的過程。另外,磁感應(yīng)也會使導(dǎo)體或電路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,使導(dǎo)體或電路帶電。
一個被充滿電的電容器,它的兩個電極就是帶電體,一端帶正電,另一端帶負(fù)電,而真正不帶電的地方是在電容器的中間;同理,一個被感應(yīng)的變壓器次級線圈,它的兩個輸出端口也會帶電,而真正不帶電的地方只有在變壓器線圈的中間抽頭處。嚴(yán)格來說,只有電位為零的物體,我們才能稱它不帶電;或者說,只要電位不為零的物體我們都應(yīng)該稱它為帶電體。但這樣一來,我們實(shí)際中接觸到很多的具體電路就只能用等效電路來表示了,所以,有時把問題太復(fù)雜化了也不好,但過于簡單有時也會把實(shí)質(zhì)性的問題給掩蓋住了。
一只小鳥,如果它站在電視發(fā)射天線的中間,它一般是不會產(chǎn)生觸電危險的,但如果它站在電視發(fā)射天線的某一端,它可能會立刻被電死。這說明發(fā)射天線的中間是不帶電的,而發(fā)射天線的兩端都是帶電的。但為什么小鳥站在幾十萬伏的高壓線上,它沒有被觸電,而站在只有幾十伏電壓的發(fā)射天線的某一端上卻會被電死呢?這就是電磁感應(yīng)的性質(zhì),微波爐就是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制造的。
小鳥站在高壓線上沒被電死的原因,是因?yàn)樾▲B的電容很小,雖然幾十萬伏的高壓對它來回充放電,電流很?。╥ = C●dv/dt);而小鳥站在發(fā)射天線的某一端,因?yàn)榘l(fā)射天線電壓信號的頻率很高,電容來回充放電的電流很大,因此,小鳥很容易會被電死。
由此可知,如果把多個不是真正零電位的電路或帶電體互相連接在一起,接點(diǎn)處將會出現(xiàn)電流。比如,三相變壓器的中線一般都接地,當(dāng)三相電源負(fù)載不平衡的時候,接地處就會產(chǎn)生電流;又如,把變壓器次級線圈的一端接地,接地端也會產(chǎn)生電流,而電流的大小與變壓器次級線圈的電容有關(guān),與工作頻率也有關(guān),與輸出電壓也有關(guān)。
在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時候,對地線的連接和處理一定要特別慎重,否則將會出現(xiàn)嚴(yán)重的地線干擾。這里再次指出,一般電路中的地,不是大地,其電位并不等于零,它只不過是一根公共連接線,當(dāng)它沒有與大地連接時,我們更不應(yīng)該把它看成地線。理想的地線應(yīng)該是,電位處處為零,即:在理想的地線中是沒有電流流動的,如果導(dǎo)體中有電流流動,我們就不能把它當(dāng)成地線。
下面我們以圖18為例來分析地線對EMC產(chǎn)生的影響。圖18中Q1表示開關(guān)電源,T1為開關(guān)變壓器,D1為整流二極管,C1、C2、C3為濾波電容器,A1為功率放大器,S1為功率放大器輸入信號,R1為功率放大器輸出負(fù)載,G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8為各個器件的地;Ui表示整流輸出電壓,Uo表示經(jīng)過濾波后的輸出電壓。
我們先來看G1,G1是開關(guān)電源變壓器次級的地,這個G1地的電位不是0,變壓器次級真正的0電位是在變壓器次級線圈的中心抽頭處,如果變壓器次級線圈的兩個端子不接成回路,它相當(dāng)于一個振子天線;如果把G1與大地相接,哪怕變壓器次級線圈的另一端不與其它電路連接,G1也會產(chǎn)生地電流,并且變壓器次級線圈熱端的電位會升高一倍,其工作原理與廣播電臺的中波發(fā)射天線的工作原理很類似。
變壓器輸出電壓經(jīng)二極管D1整流后為脈動直流,脈動直流含有非常豐富的高頻諧波,不能直接向功率放大器供電,必須要經(jīng)過儲能濾波,使脈動直流變成一種紋波很小的直流后,再給功率放大器供電。
圖18中C1是儲能濾波電容,它的功能是把開關(guān)電源輸出的脈沖功率進(jìn)行存儲,然后再給負(fù)載提供穩(wěn)定的功率和電壓輸出。電容C1充電的時候相當(dāng)于功率存儲,放電的時候,相當(dāng)于功率輸出。由于C1的充放電電流特別大,如果電路處理不當(dāng),充放電回路產(chǎn)生的電磁干擾將非常嚴(yán)重。根據(jù)(12)、(13)、(14)、(15)、(16)式可知:產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的大小,與電流的變化律成正比,與磁通的變化率成正比,與產(chǎn)生感應(yīng)磁通回路的面積成正比,與互感的大小成正比;而充電回路電流的大小,與開關(guān)電源輸出電壓的變化率成正比,與充電電容器的大小成正比。
即:
e = L●di/dt (12)
e = dΦ /dt (13)
e = SdB/dt (14)
i = C●dv/dt (15)
e = M●di/dt (16)
圖19是開關(guān)電源整流輸出電壓以及電源濾波電容的紋波電壓和紋波電流波形。圖19中紅線表示電容器充電時的電壓、電流變化曲線,藍(lán)線表示電容器放電時的電壓、電流變化曲線。其中Ui表示整流輸出電壓,Uo表示經(jīng)過濾波后的輸出電壓,uc表示濾波電容的紋波電壓,ic表示濾波電容的紋波電流。
由圖19可以看出,電源濾波回路同時存在兩種非常嚴(yán)重的電磁輻射,一個由變壓器輸出電壓方波產(chǎn)生的高頻電場輻射,另一個是由電源濾波回路電容器充放電電流產(chǎn)生的高頻磁場輻射,統(tǒng)稱電磁輻射。
為了減少電磁輻射,比較簡便和有效的辦法就是減少電磁輻射的面積,或減少電壓和電流的上升率,減少電壓上升率會增加電源開關(guān)管的損耗;減少電流上升率可以在電容充放電回路中串聯(lián)一個小電感,但串聯(lián)電感又會產(chǎn)生新的磁輻射,并且增加成本。為了減少電磁輻射的有效輻射面積,整流二極管D1、電源濾波電容C1必須緊靠開關(guān)電源變壓器的次級,電源濾波電容C1的地G2更應(yīng)該就近與變壓器次級的地G1連接,并且在PCB板上還要做到一點(diǎn)接地,即:在這兩個接地點(diǎn)之間不要插入其它的接地點(diǎn)。變壓器輸出電壓經(jīng)過C1電容濾波后,脈動電壓的成分以及高次諧波部分都將會大大減少,此時,G1或G2與大地連接,流入大地的諧波電流也將會大大減小。
我們再看其它的地,G7是功率放大器A1輸出的地,同時G7還是功率放大器A1電源的負(fù)極。我們可以把功率放大器A1看成是一個軟開關(guān),功率放大器的輸出級一般都是由兩個推拉管組成,兩個放大管受輸入信號的控制來回導(dǎo)通,不斷地向負(fù)載R1提供功率輸出,并且不停地向電源索取能量——電流。流過功率放大器A1或負(fù)載R1的電流是脈動電流,因此,功率放大器的電源輸入回路以及功率輸出回路也會向外產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射,為了減少電磁輻射,要盡量減少電源輸入回路以及功率輸出回路的面積。
對于功率放大器A1的供電回路來說,減少電磁輻射面積最好的方法,是把電源直接接到功率放大器電源輸入腳的兩端。一個充滿了電的電容可以把它看成是一個電源,因此,C2、C3都可以看成是給功率放大器供電的電源,所以,C2、C3應(yīng)該盡量靠近功率放大器供電的輸入端,并與電源輸入的兩端緊密相連。C3是高頻電容,它能在很短的時間內(nèi)輸出較大的電流,即高頻響應(yīng)好,并且體積比C2小,它靠近功率放大器的電源輸入端更為便利,對減少電磁輻射很有利。因此,G4應(yīng)該優(yōu)先與G7連接,其次是儲能電容C2的地G3,最好G7、G4、G3三個地能夠接在一個點(diǎn)上,即在它們之間不要插入其它接地點(diǎn),最后G7再與G8相連。C2是一個大容量儲能電容,但它瞬間不能提供出大電流,因此,需要并聯(lián)一個高頻電容C3。
G5是信號源的地,G6是功率放大器輸入信號的地,理所當(dāng)然它們兩個地應(yīng)該連接在一起。功率放大器輸入信號的回路很容易被其它電流回路產(chǎn)生電磁感應(yīng)干擾,因此,輸入信號回路的面積也要盡量地小,輸入信號的輸入地線與信號輸入線要盡量要靠近,并且要平行一起走,使電磁感應(yīng)在每根信號線上產(chǎn)生的干擾信號,對放大器來說,均為共模信號,這樣可以互相抵消。如果G5和G6不是一點(diǎn)接地,G5和G6之間產(chǎn)生的電位差將會成為放大器輸入信號的一部分,即:干擾信號通過地線會串?dāng)_到輸入信號之中,將會被破壞放大器的正常工作,嚴(yán)重時還會使放大器出現(xiàn)自激。
圖20是經(jīng)過接地優(yōu)化以后的原理圖,經(jīng)過接地優(yōu)化以后,原來圖19中的8個接地點(diǎn)現(xiàn)在減少5個,變成了3個,然后,這3個接地點(diǎn)之間不管用導(dǎo)線怎么樣互相連通,在連接的導(dǎo)線(地線)中都不會出現(xiàn)大的脈動電流或者互相產(chǎn)生信號干擾,如果把其中任何一個接地點(diǎn)與大地連接,也不會產(chǎn)生大的脈動電流。因此,經(jīng)過接地優(yōu)化以后,不但可以降低設(shè)備中各部分電路之間通過地線產(chǎn)生的各種信號互相干擾,同時`也可以降低本設(shè)備對其它設(shè)備產(chǎn)生的干擾。
結(jié)束語
最后指出,抑制電磁輻射干擾的最有效方法是對電磁場進(jìn)行屏蔽,用導(dǎo)體把兩個帶電體之間的電力線截斷,或用高導(dǎo)磁率的磁性材料把產(chǎn)生干擾磁場的物體進(jìn)行屏蔽。但用于電場屏蔽的導(dǎo)體需要良好接地才能有效,如果屏蔽電場的導(dǎo)體不能良好接地,屏蔽電場的導(dǎo)體不但起不到屏蔽作用,反而對電場輻射干擾起到接力賽的效果,因?yàn)殡妶鲆矔ㄟ^感應(yīng)使屏蔽導(dǎo)體帶電。另外,用導(dǎo)體對磁感應(yīng)干擾進(jìn)行屏蔽,也會產(chǎn)生意想不到的作用。因?yàn)?,磁力線穿過導(dǎo)體的時候,也會產(chǎn)生感應(yīng)電流,即:渦流。渦流又會產(chǎn)生磁場,這個新產(chǎn)生的磁場的方向正好與干擾磁場的方向相反,兩者正好可以互相抵消。
目前,對電磁兼容EMC電路設(shè)計(jì),還沒有一種有效的方法能像設(shè)計(jì)一個放大器那樣,可以通過計(jì)算使放大器的放大倍數(shù)精確到百分之幾以內(nèi)。對電磁兼容EMC進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要方法還是靠經(jīng)驗(yàn)或借助別人的經(jīng)驗(yàn),需要不斷實(shí)踐才會不斷提高。
編后記:至此,陶老師談電磁干擾與電磁兼容系列文章已連載完畢,網(wǎng)友們可以把這些文章串起來再看一遍以得到完整系統(tǒng)的印象。有任何電磁兼容方面的問題也可在電子元件技術(shù)網(wǎng)上舉辦的由陶老師親自擔(dān)任專家的 電子系統(tǒng)的電路保護(hù)與電磁兼容 論壇里向陶老師提問。稍后,我們還會繼續(xù)連載陶老師的系列技術(shù)文章,敬請關(guān)注。