EMC濾波電路設(shè)計課件

1、陶顯芳2017.03.23EMC傳導濾波電路的設(shè)計第1頁，共62頁。什么是EMC2 1.0EMC傳導濾波電路的設(shè)計第2頁，共62頁。 EMI（Electromagnetic Interference 電磁干擾）是指任何能使其它設(shè)備或系統(tǒng)性能降級的電磁現(xiàn)象。 EMS（Electromagnetic Susceptibility 電磁耐受性）是指機器在執(zhí)行應有功能的過程中可忍受周圍電磁環(huán)境影響的能力（抗干擾能力） EMC（ Electromagnetic Compatibility 電磁兼容）是指設(shè)備或系統(tǒng)在一定的電磁環(huán)境中，能符合要求運行的能力，并且不會對其它環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干

2、擾。它包括兩個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值（EMI）；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即對電磁干擾的敏感度（EMS） 。1.1 什么是EMC3第3頁，共62頁。 電磁干擾 EMI（ Electromagnetic Interference），有兩種：傳導干擾和輻射干擾。目前，產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備主要是設(shè)備中的開關(guān)電源。 傳導干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號是通過導線或公共電源線進行傳輸，互相產(chǎn)生干擾。傳導干擾又分共模干擾和差模干擾。 輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號是通過帶電導體產(chǎn)生的電、磁感應產(chǎn)生的，通過

3、電、磁感應可把某個電路網(wǎng)絡(luò)中的干擾信號傳給另一個電路網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。輻射干擾分電場輻射和磁場輻射。輻射干擾還可分近場輻射和遠場輻射，近場輻射通過互相感應還可以把輻射干擾轉(zhuǎn)化成共模傳導干擾。 目前，傳導干擾相對于輻射干擾來說，比較容易解決，只要增加電源輸入電路中EMC濾波器的節(jié)數(shù)，并適當調(diào)整每節(jié)濾波器的參數(shù)，基本上都能滿足要求；但對于輻射干擾，難度要大好多，主要原因是，開關(guān)電源的功率密度和工作頻率以及其它電路的工作頻率都在不斷提高，輻射干擾也越來越嚴重，解決的方法一般都要對PCB板進行重新排板，或更改電路布局或結(jié)構(gòu)。41.2 電子線路中的電磁干擾第4頁，共62頁。 電磁感應是產(chǎn)生電磁干擾的主要原

4、因。電磁干擾分電場干擾 EI（Electro Interference）和磁場干擾 MI（magnetic Interference）兩種。 電場和磁場分別是兩種性質(zhì)不同，可攜帶能量的介質(zhì)，它們的分布，充滿整個宇宙空間，并且兩者之間的能量可以互相轉(zhuǎn)換；當某處電磁場的位能產(chǎn)生變化時，整個宇宙空間中的電磁場都需要重新進行分布，并以每秒鐘30萬公里的速度在真空中進行傳播，因此，電、磁干擾無處不在。 產(chǎn)生電場干擾的基本原因，主要是帶電物體的電荷在不斷地進行重新分布，相當于兩帶電導體之間的分布電容在不斷進行充放電；產(chǎn)生磁場干擾的基本原因，主要是流過導體中的電流大小和方向在不斷改變，相當于兩導體之間分布電

5、感（互感）產(chǎn)生的磁通大小和方向在不斷變化。 電磁感應分電場感應和磁場感應，與電場感應相關(guān)的是分布電容，而與磁場感應相關(guān)的是分布電感，因此，深刻理解分布電容和分布電感的特性是解決EMI問題的關(guān)鍵。1.3 電磁感應與電磁干擾5第5頁，共62頁。1.4 電場感應系數(shù)6 帶電物體在本質(zhì)上就相當于一個充了電的電容，在它的周圍會產(chǎn)生電場，并使周圍的物體感應帶電，而電容量C就相當于兩個帶電物體互相產(chǎn)生電場感應的系數(shù)。 圖中，C0為自感系數(shù)，C1、C2為互感系數(shù)。 當帶電體中的電荷進行重新分布時，帶電導體中的位移電流也會產(chǎn)生不斷變化。 ESD的本質(zhì)就是兩個孤立導體互相感應的過程。第6頁，共62頁。； 1.5

6、電場感應系數(shù)與電容 C0、C1、C2在數(shù)值上分別為：； C0為帶電物體A的自感系數(shù)，表示它帶電是相對于無限遠處的0電位，如果把物體A看成是一個孤立電容，則其電容量就等于C0。 C1為帶電物體A與帶電物體B之間的互感系數(shù)； C2為帶電物體A與帶電物體C之間的互感系數(shù)。 我們也可以把物體B和物體C看出是一個孤立電容，但其電容量并不等于C1和C2，因為C1、C2不是物體B和物體C相對于無限遠處的0電位，C1和C2應該被分別看成是物體B和物體C相對于物體A的分布電容的容量，這一點需要值得注意。7第7頁，共62頁。1.6 孤立導體的電容 在帶電導體的周圍空間會散發(fā)出電場，電場是一種具有能量的物質(zhì)，它在真

7、空中以每秒30萬公里的速度向整個宇宙空間輻射。設(shè)孤立導體帶的電荷量為Q，電位為U，則電荷量Q與電位U的關(guān)系可以寫為：Q = CU式中比例系數(shù)C是一個與電荷量和電位無關(guān)的常數(shù)，它與導體的幾何形狀和大小有關(guān)，所以人們把這個比例系數(shù)C稱為孤立導體的電容（或自感系數(shù)）。電容的物理意義是帶電導體每升高（或降低）單位電位（電壓）所需要的電荷量。 孤立球?qū)w的電容等于表面積除以半徑：把帶電體當成一個電容看待，就可以對電路進行定性分析和定量計算。 地球相對于無限遠處的電容量約為：708uF，相對于電離層大約為1.1F。（對于無限遠處）8第8頁，共62頁。1.7 電容與電容器 C1C2U1U2V無限遠無限遠帶負

8、電帶正電電容器可以看成是兩個孤立導體的組合，其中一個帶正電，另一個帶負電。當兩帶電體處于恒定電場之中時，兩個孤立導體之間的電容為：U2U1V電容器的容量可以看作是兩個帶電物體的互感系數(shù)。電容器就是兩個帶電導體產(chǎn)生的電場，相互感應的結(jié)果。即，兩個孤立導體之間的電容為：8相當于兩個電容串聯(lián)，第9頁，共62頁。 想減小兩電路之間電場相互干擾，最好的方法是減小電路之間的耦合系數(shù)，即減小兩電路之間的耦合電容，也就是盡量減小帶電導體的面積，及遠離其它電路，兩根互相干擾的導體盡量不要互相平行，以及降低工作頻率。1.8 電場感應干擾的等效電路耦合系數(shù)10第10頁，共62頁。1.9 PCB板兩導體產(chǎn)生的EMI串

9、擾10第11頁，共62頁。多層PCB板布層原則： a. 元件面的下面（第二層）為地平面層（信號地），應盡量利用地平面層對其它層進行電磁屏蔽； b. 所有信號層盡量與地平面層（信號地）相鄰，不跨分割區(qū)； c. 盡量避免兩信號層相鄰； d. 無相鄰平行布線層； e. 盡量把電源地與信號地分開； f. 電源層盡可能與其對應的地層（電源地）相鄰。下面是四層PCB板的幾種優(yōu)選方案：方案電源層數(shù)地層數(shù)信號層數(shù)12341112SGPS2112GSSP3112SPGS一般可選方案1和3 。1.10 多層PCB布板原則12第12頁，共62頁。1.11 電感線圈產(chǎn)生的電磁感應 e = d/dt = NSdB/dt

10、 = Ldi/dt ； e1 = M1di/dt , e2 = M2di/dt , 為磁通量，S為磁通面積，N為線圈匝數(shù)，B為磁感應強度，L0、L1、L為各線圈的電感量、M1、M2為互感。13 當導體中有電流流過時，在導體的周圍會產(chǎn)生磁場，并使周圍的導體感應帶電，而互感M就是兩載流體互相產(chǎn)生此場感應的系數(shù)。第13頁，共62頁。1.12 磁場感應干擾的等效電路14 想減小兩電路之間磁場相互干擾，最好的方法是減小電路之間的耦合系數(shù)K，即減小兩電路之間的互感M，盡量減小兩電流回路的面積，及遠離其它電路，或降低工作頻率，兩根互相干擾的導體盡量不要互相平行。K 耦合系數(shù)M 互感第14頁，共62頁。 1.

11、13 減小電流回路的面積是排除干擾的最佳選擇 磁場輻射干擾主要是流過高頻電流回路產(chǎn)生的磁通竄到接收回路中產(chǎn)生的，因此，要盡量減小流過高頻電流回路的面積和接收回路的面積。式中：e2、 2、S2、B2、M、i2 分別為輻射電流回路中產(chǎn)生的電動勢、磁通、面積、磁通密度、互感、回路感應電流。15式中：e1、 1、S1、B1、L、i1分別為輻射電流回路中產(chǎn)生的電動勢、磁通、面積、磁通密度、分布電感、回路電流；第15頁，共62頁。傳導干擾詳解2EMC傳導濾波電路的設(shè)計 2.0第16頁，共62頁。17 我們可以把每個回路都看成是一個感應線圈，當某個回路中有電流流過時，另外一個回路中就會產(chǎn)生感應電動勢，從而產(chǎn)

12、生干擾。減少干擾的最有效方法就是盡量減少每個回路的有效面積，和降低干擾脈沖電壓或電流的變化率（dv/dt或di/dt）；但降低電壓或電流的變化率會增加開關(guān)管的功率損耗。圖中i3、i4的電流回路是最大的干擾源，排板時應該盡量減小i3、i4的電流回路的面積。2.1 各電流回路之間產(chǎn)生串擾 第17頁，共62頁。18當某個回路中有電流流過時，在另一個回路中就會產(chǎn)生感應電動勢。e1、e2、e3、e4 為差模干擾信號；e5、e6、e7、e8 為共模干擾信號。共模信號的一端是整個線路板，另一端是大地。線路板中的公共端不能算為接地，不要把公共端與外殼相接，除非機殼接大地，否則，公共端與外殼相接，會增大輻射天線

13、的有效面積，共模輻射干擾更嚴重。降低輻射干擾的方法，一個是對干擾源進行屏蔽，另一個是減小各個電流回路的面積（減小磁場干擾），和減小帶電導體的面積及長度（降低電場干擾）。2.1 各電流回路之間產(chǎn)生串擾 第18頁，共62頁。2.2 變壓器漏磁對各電流回路產(chǎn)生電磁感應干擾19 在所有電磁感應干擾之中，變壓器漏感產(chǎn)生的干擾是最嚴重的。如果把變壓器的漏感看成是變壓器感應線圈的初級，其它回路都可以看成是變壓器的次級線圈，則在變壓器周圍的回路中，都會被感應產(chǎn)生干擾信號。除了變壓器漏感之外，還有分布電容，當電流流過漏感與分布電容組成的回路時，會產(chǎn)生很高的di/dt和dv/dt值，從而使漏感產(chǎn)生的漏輻射更加嚴重

14、。第19頁，共62頁。 減少干擾的方法，一個是減小變壓器初級線圈的漏感，并對變壓器進行磁屏蔽，另一個是盡量減少變壓器初級線圈的分布電容；另一方面是盡量減少每個電流回路的有效面積，特別是要減小電源開關(guān)管電流回路的面積。2.3 漏感與分布電容組成的電流回路容易產(chǎn)生輻射干擾20圖中，U為輸入電壓，Ls為變壓器的漏感，Cs為變壓器初級線圈的分布電容，由于Ls和Cs的時間常數(shù)相對于變壓器初級線圈電感的時間常數(shù)比較小，因此流過Ls和Cs的電流速率相對比流過L1的電流速率高很多，當Q1導通和關(guān)斷時，輸入電壓或電流的改變，都會使Ls和Cs、Cds產(chǎn)生諧振，使Ls和Cs、Cds兩端的電壓幅度比輸入電壓還要高。這

15、種高頻諧振不但會產(chǎn)生很強的電磁輻射，并且還會產(chǎn)生很高的尖峰脈沖電壓，很容易把開關(guān)管擊穿。第20頁，共62頁。Q1導通時： Q1關(guān)斷 （4-18）振蕩頻率：；衰減因子：Q1關(guān)斷時：振蕩頻率：；衰減因子： Q1導通 （4-17）初級線圈的波形分布電容的波形開關(guān)管的波形212.4 漏感與分布電容產(chǎn)生沖擊振蕩第21頁，共62頁。2.5 電磁輻射干擾的產(chǎn)生過程 電磁干擾一般都是由脈沖波產(chǎn)生，因為脈沖波形通過電磁感應很容易對其它回路激勵起高頻振蕩，脈沖波形含有非常豐富的高次諧波，而高頻振蕩又會產(chǎn)生很強的電磁輻射。振蕩頻率的高低與脈沖波形的變化率有關(guān)，而幅度則與沖擊脈沖的幅度和變化速率有關(guān)；還與沖擊脈沖的重

16、復頻率以及相位有關(guān)，因為高頻振蕩的建立需要一個能量積累的過程，即，單個脈沖和多個脈沖對振蕩回路的影響是不一樣的。 輻射干擾一般是通過電、磁感應的形式在空間進行傳播的，輻射源一般都是載流體，或產(chǎn)生電磁場的電流回路。載流體中的位移電流會產(chǎn)生很強的電磁輻射，特別是產(chǎn)生位移電流導體的長度正好等于半個波長（或半個波長的整數(shù)倍）的時候，回路就會產(chǎn)生諧振（并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振），其振幅要比感應電壓高很多。 位移電流在導體中產(chǎn)生輻射最強的地方是電源線，以及其它插排線，因為這些導體的長度比較長。22第22頁，共62頁。2.6 電磁場極化天線的原理 任何一根導線，不需要構(gòu)成回路，只要周邊存在電磁場，它就會被極化，并

17、在體內(nèi)產(chǎn)生位移電流，當電磁場變化的速率正好與位移電流的相位同步時，位移電流就會被增強，并產(chǎn)生諧振，天線就是這個工作原理。當電子設(shè)備中的導線長度超過20分之一波長時，就得考慮其天線的功能。電源線是產(chǎn)生電磁輻射干擾的最嚴重的部位。23第23頁，共62頁。2.7 減小變壓器漏感產(chǎn)生輻射干擾的對策用銅箔對變壓器進行屏蔽 24 對變壓器屏蔽，主要是減小變壓器漏感產(chǎn)生的磁通對周圍電路產(chǎn)生電磁感應干擾，以及對外產(chǎn)生電磁輻射干擾。 對變壓器屏蔽，可用導磁良好軟磁材料，直接對漏磁通進行屏蔽，也可以用導電性能良好的銅箔進行間接屏蔽；當交變漏磁通穿過銅箔的時候會在銅箔產(chǎn)生渦流，而渦流產(chǎn)生的磁場方向正好與漏磁通的方向

18、相反，部分漏磁通就可以被抵消，因此，銅箔對磁通也可以起到很好的屏蔽作用。第24頁，共62頁。2.8 電流回路輻射詳解 S1為整流輸出濾波回路，C1為儲能濾波電容，i1為回路高頻電流，此電流在所有的電流回路中最大，其產(chǎn)生的磁場干擾也最嚴重，應盡量減小S1的面積。在S2回路中，基本上沒有高頻回路電流，I2主要是電源紋波電流，高頻成分相對很小，所以S2的面積大小，基本上可以不需特別考慮。C2為儲能濾波電容，專門為負載Z1瞬間提供能量，Z1、Z2是高頻動態(tài)負載，不是單純負載電阻，高頻電流i3基本上靠C2提供，C2的位置相對來說非常重要，它的連接位置應該考慮使S3的面積最小，S3中還有一個I3，它主要是

19、電源紋波電流，也有少量高頻電流成份。在S4回路中，基本上也沒有高頻回路電流，I4主要為電源紋波電流，高頻成分相對很小，所以S4的面積大小，基本上也不需要特別考慮。S5回路的情況基本上與S3回路相同，i5的電流回路面積也應要盡量的小。25第25頁，共62頁。右上圖的幾個電流回路，互相串聯(lián)在一起進行供電，很容易產(chǎn)生電流交叉干擾，特別是在高頻放大電路中，會產(chǎn)生高頻噪音。右下圖中各個電流回路，互相分開，采用并聯(lián)供電，每個電流回路都是獨立的，不會產(chǎn)生電流交叉干擾。各回路電流產(chǎn)生交叉干擾的原因是： I2 = I3+ I4+ I5 ，各電流之間互相產(chǎn)生干擾。262.9 不要采用多個回路串聯(lián)供電第26頁，共6

20、2頁。2.10 正確選擇電流回路濾波電容的位置 每級放大器都要有自己的獨立濾波儲能濾波電容，濾波電容就相當于此級放大器的獨立電源，為了減小回路電流的交叉干擾和輻射干擾，濾波電容一定要接在IC的電源與地的兩條引腳之間。 27第27頁，共62頁。傳導干擾的測量方法28EMC傳導濾波電路的設(shè)計 3.0第28頁，共62頁。3.1 EMC與3C認證 自從上個世紀70年代以來，很多電子設(shè)備，特別是數(shù)碼電子設(shè)備，開始大量進入辦公室和家庭，數(shù)碼電子設(shè)備在使用過程中會互相產(chǎn)生電磁干擾，使電子設(shè)備不能正常工作。與此同時，通信設(shè)備使用的頻率也被政府的相關(guān)部門作為一種自然資源進行保護和管理，必須有償使用，即：誰使用通

21、信設(shè)備都得向通訊委員會（我們國家是無線電管理委員會）申請使用工作頻率，和支付頻率使用費。如，我們現(xiàn)在使用手機，每個月都得向無委會交5元錢頻率使用費。 為了保證消費者的權(quán)益，即：頻率使用者購買的頻率以及其它電子產(chǎn)品的功能是可用的，因此各國都相繼對商業(yè)數(shù)碼電子產(chǎn)品的EMI和EMC制定了相關(guān)規(guī)章，符合這些規(guī)章的產(chǎn)品就稱為具有電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）的產(chǎn)品。 我國于1981年才加入國際化標準組織，1986年才開始引進國外相關(guān)技術(shù)標準并開始籌建實驗室，直到2001才開始正式實施（主要是為了加入世貿(mào)與國際接軌），因此，我國目前很多認證標準還處于不斷完善的過程

22、之中。 2001年12月3日，國家監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家認證認可監(jiān)督管理委員會一起對外發(fā)布了強制性產(chǎn)品認證管理規(guī)定，對涉及安全、EMC、環(huán)保要求的產(chǎn)品實行“統(tǒng)一目錄、統(tǒng)一標準與評定程序、統(tǒng)一標志和統(tǒng)一收費”的強制性認證管理。并將原來的“中國商檢CCIB ”認證和“長城CCEE認證”統(tǒng)一為“中國強制認證”（China Compulsory Certification ），其英文縮寫為“CCC”，故又簡稱“3C”認證。29第29頁，共62頁。3.2 各國對電子產(chǎn)品進行安全和EMC認證的標志EMC與安全均需權(quán)威部門進行認證!30第30頁，共62頁。3.3 對傳導干擾信號進行測量的原理V1 = CI

23、DI V2 = CI + DI V3 = DI28R1、R2、R3、R4為接地電阻，Cs為分布電容。大多數(shù)情況下，V1與V2相等。CI 為共模干擾， DI 為差模干擾，V1、V2、V3 為頻頻儀或示波器（或其它測量儀器），低通濾波器由帶鐵芯的電感線圈組成。第31頁，共62頁。3.4 傳導干擾的測量方法V1、V2、V3 最好用頻譜儀或高頻示波器來進行測量，也可以用高頻毫伏表來測量。調(diào)節(jié)金屬板的面積大小就可以改變分布電容C1的大小，從而改變共模測試電壓的大小。傳導干擾的帶寬一般為150KHz30MHz，因此，低通濾波器的分布電容一定要很小。順便指出，EMI測試是有標準的，必須經(jīng)過權(quán)威部門的標準試驗

24、室進行測試合格才能算數(shù)，自己測試只能算摸底。32第32頁，共62頁。3.5 傳導干擾測量電路33為了降低50Hz交流信號對測量信號的影響，可以在示波器的輸入端接一高通濾波器，或接一高頻變壓器。在對電子設(shè)備進行傳導干擾信號測量之前，最好先找一臺已經(jīng)認證合格的機器（同一型號）進行測試，然后把測試結(jié)果記錄下來，把測試結(jié)果與認證合格機器的數(shù)據(jù)進行對比，并把測試結(jié)果進行規(guī)范化。所謂規(guī)范化，就是利用補差的方法，把測試結(jié)果做成一條直線，以利于觀測和對比。測量時要特別注意最大值和最小值。第33頁，共62頁。3.6 傳導干擾的測量原理 V1、V2、V3的數(shù)值，在50歐姆的內(nèi)阻上測得的電壓均應小于40db/uV，

25、而CI和DI的幅度一般都大于100Vp，因此，Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Cs 等阻抗對傳導干擾信號的衰減最少要100db（十萬倍）。 降低傳導干擾的方法是加大Z1、Z2的阻抗，和盡量減小Z3、Z4、Z5和Cs的數(shù)值。 傳導干擾信號頻率的低端為150KHz，高端為30MHz，由于Cs的阻抗與頻率相關(guān)，因此共模干擾在頻率的高端尤為嚴重。有些2類和3類電子產(chǎn)品，因為沒有接大地，所以Z3、Z4均沒有安裝。34第34頁，共62頁。EMC濾波電路設(shè)計35EMC傳導濾波電路的設(shè)計 4.0第35頁，共62頁。-+-U+U4.1 什么是熱地、冷地、浮地、大地 熱地帶電，不能觸摸！而冷地也會帶電，但冷地帶的是

26、靜電，冷地帶靜電的電位雖然沒有硬性規(guī)定，但要求其帶電的電荷不能超過4.5微庫倫。 浮地的定義是：其電位與大地完全相同，但在線路上沒有與大地連接。 當兩系統(tǒng)之間的靜電電位差大于4kV時，要用一個Y電阻和一個Y電容連接于兩個系統(tǒng)的公共地之間，但對地漏電不能超過AC0.35mA，DC1mA。36第36頁，共62頁。4.2 熱地、冷地、浮地、大地的意義“地”的本意是地球，把地球當成“零電位”，接“地”的意思，就是把各個電流回路的一端（正或負）都接到0電位上，以便對其它端點的電位進行測量。由于地球是個大電容，其它帶電體也相當于一個電容，如果把地球的電位定義為0電位，那么其它帶電體的電位都得跟地球來比較，

27、如果不是進行比較，單獨帶電體的電位大小是沒有意義的。 接地的更重要目的是為了人體安全，因為人體的電位總是認為是與大地相同的，只要人體能觸及的電子設(shè)備外殼或保護層接了地（接大地），當人體觸及這些電子設(shè)備的外殼或保護層的時候，人體就不會觸電。所以最于安全來說，接地是必須的。 在實際應用中，為了接線簡單，很多人都習慣地把電路中的公共連接線也叫做地線，但這個地線與真正接地的地線是有區(qū)別的，因此，人們一般都把隔離變壓器次級回路的公共連接線稱為“冷地”，而把隔離變壓器初級回路的公共連接線稱為“熱地”。其區(qū)別是“熱地”是帶電的，不能觸摸，“冷地”雖然帶靜電，但可以觸摸。“浮地”的概念很少有人用，但在EMC電

28、路設(shè)計中“浮地”的概念很重要。“浮地”是指在電路中，與大地電位相同，而又不與大地連接的電路，例如，變壓器次級線圈的中心抽頭或線圈的中心、濾波電容的中心（相當于兩個電容串聯(lián)）、天線振子的中心等，這些地方都可看成為“浮地”。37第37頁，共62頁。4.3 EMC濾波電路中各種地的連接當電源插頭拔出時，C1、C2存儲的電荷可通過R1放電，要求1秒鐘內(nèi)電壓低于24V。傳導干擾不能超過100uV。大地當電源輸出電壓（或靜電）高于4000V時，變壓器次級電路的分布電容存儲的電荷可能會大于4.5微庫侖。解決辦法是在冷熱地之間跨接一個電阻（8.2M)和電容(10002000P)。只有開關(guān)變壓器次級線圈的中心或

29、濾波電容的中心處才是0電位（浮地），其余地方，包括冷地，對大地均帶電。熱地冷地浮地38第38頁，共62頁。4.4 EMC濾波電路設(shè)計要點 EMC標準規(guī)定，電子產(chǎn)品的傳導干擾一般不能超過34db/uV(50uV)，假設(shè)電源開關(guān)管產(chǎn)生的干擾信號幅度為300Vp(對地)，則EMC濾波器需要對干擾信號衰減6百萬倍（6106）。顯然光靠一級LC濾波器是不夠的，所以一般EMC濾波器最少都需要兩級LC濾波器。上圖是典型的EMC濾波電路原理圖，對EMC濾波電路進行設(shè)計就是對電路中各個元器件的參數(shù)進行計算和選擇。首先我們先來計算DI差模信號的大小。實踐證明，大部分差模信號都是由開關(guān)電源電路產(chǎn)生的，我們可以從開關(guān)

30、電源的整流濾波電路為界，前面歸EMC濾波電路，后面歸開關(guān)電源電路。這樣，整流濾波電容兩端的高頻紋波電壓基本上就是開關(guān)電源的差模傳導干擾電壓（忽視感應干擾電壓）。V1 = CI DIV2 = CI + DI V3 = DICI為共模干擾DI為差模干擾C1、C2為Y電容，C3、C4為X類電容。 L1為共模干擾抑制電感，L2為差模抑制電感。圖4-139第39頁，共62頁。4.5 濾波電路參數(shù)計算第一步:我們先計算濾波電容器C兩端的紋波電壓。圖(b)中， iL01為流過開關(guān)變壓器T的勵磁電流（鋸齒波），Ua為開關(guān)電源工作電壓，Uc為濾波電容器C的紋波電壓，Ton為開關(guān)電源管導通時間， Toff為開關(guān)電

31、源管關(guān)斷時間，DI0為開關(guān)管產(chǎn)生差模干擾信號（鋸齒波），DI1為經(jīng)濾波電容C濾波后輸出的差模干擾信號，DI2為經(jīng)L1、C1濾波后輸出的差模干擾信號，DI2為經(jīng)L2、C2濾波后輸出的差模干擾信號，L1、L2為差模電感，即，圖4-1中L2、L1共模電感的漏感。 圖4-240第40頁，共62頁。計算過程-1電容器C兩端的紋波電壓：（1），q 為電容器C存儲電荷的變化量電荷變化量：（2），I 為電容器在導通期間輸出的平均電流平均電流：（3），I m 為流過變壓器初級線圈的最大電流值最大電流值：開關(guān)電源的平均工作電流：（5），P 為開關(guān)電源的功率。最后求得：（4）Ua 為工作電壓，L0 初級線圈電感，

32、D為占空比，Ia 為開關(guān)電源的平均工作電流。（41）41第41頁，共62頁。第二步: 我們再來計算圖4-2中第一級EMC濾波電容器C1兩端的紋波電壓，即，第一級EMC濾波器的輸出電壓。圖(a)中，由于DI1是DI2的好幾十倍，我們可以認為，DI1電壓幾乎全部降在L1上，因此有：計算過程-242電感L1兩端的電動勢：（6）（7）由此可以求得：（42）或：及：（43）（44）或：第42頁，共62頁。計算過程-343 上面（4-1）、（4-2）、（4-3）、（4-4）式就是分級計算EMC濾波器的方法或公式。由于，下一級EMC濾波電路與L1、C1濾波器的工作原理完全相同，為了簡單，每級濾波器的參數(shù)都選

33、得一樣（但實際應用中最好互相錯開，以防分布參數(shù)完全相同，影響濾波效果），因此，這里只需計算第一級濾波器的參數(shù)即可，后面多級EMC濾波的參數(shù)可按平均分配。下面我們舉例計算說明： 假設(shè)圖4-2中，Ua=300V，P=150W，D=0.5，Ton=10uS（F=50kHz），C=200u，根據(jù)（4-1）式，可求得濾波電容兩端的高頻紋波電壓為0.05Vpp，即，開關(guān)電源產(chǎn)生的差模傳導干擾信號為0.025Vp。再根據(jù)（4-2）式，可求得C1濾波電容兩端的高頻紋波電壓為:或： 根據(jù)EMC標準規(guī)定，傳導干擾信號最大值為40db/uV，如果再預留6db的余量，就是50uV（約等于100uVpp），與前面計算結(jié)

34、果正好相差500倍，即，兩級EMC濾波對干擾信號最少要衰減500倍。假設(shè)L1、C1這級濾波器衰減量為22.4倍，根據(jù)假設(shè)條件，可求得：Uc12230uVpp。進一步可求得：L1C1110010-12（HF），如果選C1=1uF，則L1=1.1mH。第43頁，共62頁。上面我們一直都是用Vpp值來計算，這是因為U是個鋸齒波，在Ton期間，U的變化量正好對應鋸齒波的下降時間，其值變化范圍由+Vp變到-Vp。最后計算結(jié)果除2就是它的半波峰值，而峰值與有效值兩者相差大約為3db（1.414倍）。 在實際應用中，L1、L2 一般都是用共模電感來代替，因此，要求共模電感的漏感要盡量大一些，特殊情況可選用磁

35、心為兩個窗口或三個窗口共、差模濾波電感，這種電感的兩個線圈分別繞在兩個窗口內(nèi)，兩個線圈之間的漏感很大。這種電感的兩個線圈分別繞在兩個窗口內(nèi)，它同時起到共模抑制和差模抑制的作用，采用3個窗口磁芯繞制的電感，其漏感比采用2個窗口磁芯繞制的電感更大。如果漏感不夠大，那只好把濾波電容器的容量盡量加大，但濾波電容器容量加大后，要注意電容器的截止頻率。上面計算結(jié)果對于直接傳導的差?；ㄐ盘栠M行抑制是非常有效的。需要注意的是：聚酯膜電容器（X電容器）存在分布電感，以及EMC濾波電感存在分布電容，電容器中的分布電感會與電容產(chǎn)生串聯(lián)諧振，而電感器中的分布電容會與電感產(chǎn)生并聯(lián)諧振，因此，電容器和電感器都分別存在一

36、個諧振頻率，這個諧振頻率正好就是電容器和電感器的工作截止頻率Fc。EMC濾波器最好選用多個不同數(shù)值的電感和不同容量的電容器組成濾波，才能避免組合后，兩個電容器或兩個電感器的兩個工作截止頻率互相重疊，這樣才能使由電容器和電感器組成的EMC濾波器對不同頻率的EMI干擾信號均有效。 對于由電磁感應產(chǎn)生的共模干擾信號（高次諧波），加大X電容器的容量一般是無效的，必須要從濾波器的結(jié)構(gòu)方面采取措施，濾波器的幾個元器件最好排列成一條直線，不要首尾靠近，避免信號通過空間輻射產(chǎn)生串擾。4.6 計算結(jié)果分析44第44頁，共62頁。4.7 正確使用濾波電容和濾波電感的頻率特性聚酯膜電容的等效電路及阻抗EMC濾波電感

37、的等效電路及阻抗 正確選用電容器或電感器的截止頻率（ Fc ），可以大大提高EMC濾波器的工作效率，并且還可以降低成本。例如，當某干擾頻率正好與電容器或電感器的截止頻率（ Fc ）相同時，可以大大提高EMC濾波器對干擾信號的濾波效果，并且還可以降低成本。45第45頁，共62頁。4.8 電容器的截止頻率46第46頁，共62頁。4.10 改變?yōu)V波電容和電感的截止頻率47 改變?yōu)V波電容器的截止頻率可以在電容器的兩端分別套一磁珠（相當于一個小電感），使差模濾波電容的截止頻率向頻率的低端偏移；改變?yōu)V波電感的截止頻率可以用兩個小電容器分別與共模（或差模）電感的兩組線圈交叉并聯(lián)，使電感的截止頻率向頻率的低端

38、偏移。兩個電容交叉連接，可增強對差模干擾信號濾波的作用。目前市場上X電容器的種類和規(guī)格非常多，不要片面追求小體積，體積小的X電容，內(nèi)阻和分布電感都比較大，允許紋波電流很小，不宜用于高頻濾波。 當某頻率點剛好超標時，可通過改變電容器或電感器的截止頻率（ Fc ），以達到超標點頻率正好落到Fc上。第47頁，共62頁。4.11 電容器的額定工作電壓CBB81電容器額定工作電壓與頻率的關(guān)系48 電容器的安全使用是一個非常重要的事情，各種電容器的安全特性是不一樣的。選用電容器的時候必須考慮：電容器的額定工作電壓分直流額定工作電壓和交流額定工作電壓。由于電容器的交流額定工作電壓與工作頻率有關(guān)，所以，一般電

39、容器都只標直流額定工作電壓，只有工作頻率固定（一般為50Hz）時，電容器才標出交流額定工作電壓，如X電容。 電容器的交流額定工作電壓一般都不能超過直流額定工作電壓的三分之一，并且工作頻率每增加一倍，交流額定工作電壓最少也要下降一倍。第48頁，共62頁。浪涌抑制電路設(shè)計49EMC傳導濾波電路的設(shè)計 5.0第49頁，共62頁。5.1 帶防雷功能的EMC濾波電路-1 G1、L0、VR1、VR2、G2是防雷電路，G1首先對2000Vp以上的共、差模脈沖電壓進行放電，使浪涌脈沖電壓限制在2000Vp以下，然后再經(jīng)電感L0和VR1、VR2、G2進行限幅，使共、差模脈沖電壓的幅度進一步降低到1000Vp以下

40、；C1、C2的主要作用是對共模窄脈沖電壓進行抑制，而C3、C4主要是對差模脈沖電壓進行抑制，L1、L2主要是對共模脈沖電壓進行抑制。最后可使共模脈沖電壓降低到600Vp以下，差模電壓降低到400Vp以下。L0不但可以抑制二次雷電浪涌電壓，同時與C3、L1、C4、L2組合，還可以平滑整流濾波電路產(chǎn)生的電流脈沖。C1、C2為Y1類電容，兩個電容之和不能超過5000pF。50圖5-1第50頁，共62頁。5.2 浪涌電壓 (4000V) 抑制電路設(shè)計51 一般CX電容可承受4000Vp的差模浪涌電壓沖擊，CY電容可承受5000Vp的共模電壓沖擊。正確選擇L1、L2和CX2、CY參數(shù)的大小，就可以抑制4

41、000Vp以下的共模和差模浪涌電壓。但如果兩個CY電容是安裝在整機線路之中，其總?cè)萘坎荒艹^5000P，如要抑制浪涌電壓超過4000Vp，還需選用耐壓更高的電容器，以及帶限幅功能的浪涌抑制電路。所謂抑制，只不過是把尖峰脈沖的幅度降低了一些，然后把其轉(zhuǎn)換成另一個脈沖寬度相對比較寬，幅度較為平坦的波形輸出，但其能量基本沒有改變。兩個CY電容的容量一般都很小，存儲的能量有限，其對共模抑制的作用并不很大，因此，對共模浪涌抑制主要靠電感L1和L2，但由于L1、L2 的電感量也受到體積和成本的限制，一般也難以做得很大，所以上面電路對雷電共模浪涌電壓抑制作用很有限。圖5-2對4000Vp以下的浪涌電壓進行抑

42、制，一般只需采用LC電路進行限流和平滑濾波，把脈沖信號盡量壓低到23倍脈沖信號平均值的水平即可。由于L1、L2有50周電網(wǎng)電流流過，電感很容易飽和，因此， L1、L2一般都采用一種漏感很大的共模電感。第51頁，共62頁。 圖(a)中，L1與CY1、L2與CY2，分別對兩路共模浪涌電壓進行抑制，計算時只需計算其中一路即可。 假說，共模信號是一個幅度為Up、寬度為的方波，CY電容兩端的電壓為Uc，則流過電感的電流為一寬度等于2的鋸齒波：流過電感的電流為：，流過電感的最大電流為：在2期間流過電感的平均電流為：圖5-3525.3 共模浪涌抑制電路參數(shù)的計算 第52頁，共62頁。由此可以求得CY電容在2

43、期間的電壓變化量為：上式是計算共模浪涌抑制電路中電感L和電容CY參數(shù)的計算公式，式中，Uc為CY電容兩端的電壓，也是浪涌抑制電路的輸出電壓，Uc為CY電容兩端的電壓變化量，但由于雷電脈沖的周期很長，占空比很小，可以認為Uc = Uc，Up為共模浪涌脈沖的峰值，q為CY電容存儲的電荷，為共模浪涌脈沖的寬度，L為電感，C為電容。 根據(jù)上面公式，假設(shè)浪涌峰值電壓Up=4000Vp，電容C=2500p，浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=2000Vp，則需要電感L的數(shù)值為1H。顯然這個數(shù)值非常大，在實際中很難實現(xiàn)，所以上面電路對雷電共模抑制的能力很有限，此電路還需進一步改進?；?.3 共模浪涌抑制電路參數(shù)的計

44、算 53（5-1）（5-2）第53頁，共62頁。 差模浪涌電壓抑制，主要是靠圖5-2中的濾波電感L1、L2 和濾波電容CX ，L1、L2濾波電感和CX濾波電容等參數(shù)的選擇，同樣可以用（5-2）來進行計算。（5-2） 但上式中的L應該等于L1和L2兩個濾波電感之和，C=CX，Uc等于差模抑制輸出電壓。一般，差模抑制輸出電壓應不大于600Vp，因為很多半導體器件和電容的最大耐壓都在此電壓附近，并且，經(jīng)過L1和L2兩個濾波電感以及CX電容濾波之后，雷電差模浪涌電壓的幅度雖然降低了，但能量基本上沒有降低，因為經(jīng)過濾波之后，脈沖寬度會增加，一旦器件被擊穿，大部分都無法恢復到原來的狀態(tài)。 根據(jù)上面公式，假

45、設(shè)浪涌峰值電壓Up=4000Vp，脈沖寬度為50uS，差模浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=600Vp，則需要LC的數(shù)值為14mHuF。顯然，這個數(shù)值對于一般電子產(chǎn)品的浪涌抑制電路來說還是比較大的，相比之下，增加電感量要比增加電容量更有利，因此最好選用一種有3個窗口、用矽鋼片作鐵芯，電感量相對較大（大于20mH）的電感作為浪涌電感，這種電感共模和差模電感量都很大，并且不容易飽和。 順便指出，整流電路后面的電解濾波電容，同樣也具有抑制浪涌脈沖的功能，如果把此功能也算上，其輸出電壓Uc就不能選600Vp，而只能選為電容器的最高耐壓Ucp（400Vp）。545.4 差模浪涌抑制電路參數(shù)的計算第54頁，共6

46、2頁。開關(guān)電源的安全要求55EMC傳導濾波電路的設(shè)計 6.0GB8898（IEC60065）安全標準簡介第55頁，共62頁。6.1 GB8898安全標準簡介 2001年以前，我們國家把安全標準定義為“長城CCEE認證”標準，認證機構(gòu)是中國電工產(chǎn)品認證委員會（China Commission for Conformity Certification of Electrical Equipment ），CCEE 成立于1984年。 中國加入世貿(mào)以后，為了與國際接軌，中國成立了一個國家監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家認證認可監(jiān)督管理委員會，并于2001年12月3日一起對外發(fā)布了強制性產(chǎn)品認證管理規(guī)定，對第一批

47、列入目錄的19類132種產(chǎn)品實行“統(tǒng)一目錄、統(tǒng)一標準與評定程序、統(tǒng)一標志和統(tǒng)一收費”的強制性認證管理。將原來的“中國商檢CCIB ”認證和“長城CCEE認證”統(tǒng)一為“中國強制認證”(英文名稱為China Compulsory Certification ) ，其英文縮寫為“CCC”，故又簡稱“3C”認證。 由于EMC很少涉及到人身的安全問題，但EMC的標準問題與安全標準同樣重要，前者是專門針對電子設(shè)備相互之間的安全可靠使用問題，而后者則是針對用戶的人身安全問題，實際應用中，兩者之間也存在界線模糊的問題，因此在電路設(shè)計中，我們應該對兩者都需要同時考慮。56第56頁，共62頁。（1）基本絕緣（ b

48、asic insulation）：指對防觸電進行基本防護而對帶電件所加的絕緣。（2）附加絕緣（ supplementary insulation）：指對基本絕緣所增添的獨立絕緣，以便在基本絕緣萬一失效時仍能防止觸電。（3）雙重絕緣（ double insulation）：指包括基本絕緣和附加絕緣的絕緣。（4）加強絕緣（ reinforced insulation）：指對帶電件所加的單獨絕緣系統(tǒng)，其防觸電等級在本標準規(guī)定的條件下相當于雙重絕緣。（5）類設(shè)備（classapparatus）：指其防觸電不僅依靠基本絕緣而且采用附加安全措施的設(shè)備。在基本絕緣萬一失效時，有措施使可觸及的導電件與設(shè)備安裝中的固定線路里的保護(接地)導體相連接，從而使可觸及的導電件不會帶電（有保護接地線）。依靠基本絕緣+接地提供防觸電保護。（6）類設(shè)備（class apparatus）：指其防觸電不僅依靠基本絕緣而且采用諸如雙重絕緣或加強絕緣之類的附加安全措施的設(shè)備。它不備有保護接地措施,也不依靠設(shè)備安裝中的防護條件。576.2 安全標準中的幾個關(guān)鍵術(shù)語第57頁，共62頁。58（7）電網(wǎng)電源（ supply m