电磁干扰是人们早就发现的电磁现象,它几乎和电磁效应的现象同时被发现,1981年英国科学家发表“论干扰”的文章,标志着研究干扰问题的开始。1989年英国邮电部门研究了通信中的干扰问题,使干扰问题的研究开始走向工程化和产业化。
自从电子系统降噪技术在70 年代中期出现以来,主要由于美国联邦通讯委员会在1990 年和欧盟在1992 提出了对商业数码产品的有关规章,这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。
1.电磁兼容性
在很多场合的电源适配器,特别是通信用电源适配器要有很强的抗电磁干扰能力,如对浪涌、电网电压波动的适应能力,对静电干扰、电场、磁场及电磁波等的抗干扰能力,以保证自身能够正常工作以及对设备供电的稳定性。
一方面,电源适配器内部的功率开关管、整流或续流二极管及主功率变压器是在高频开关的模式下工作的,它的电压、电流波形是脉冲方波。在高压大电流的脉冲方波切换过程中,将产生严重的谐波电压及电流。这些谐波电压及电流一方面通过电源输入线或者电源适配器适配器的输出线传播出去,对于此电源适配器在同一电网上的其他设备及电网产生干扰,使其他设备不能正常工作。另一方面,严重的谐波电压及电流在电源适配器内部产生电磁干扰,从而造成电源适配器内部工作的不稳定,使电源适配器性能降低。还有部分电磁场通过电源适配器机壳的缝隙,向周围空间辐射。 与通过输入电源线、直流输出DC线产生的辐射电磁场一起通过空间传播出去的方式,对其他高频设备及对电磁场比较敏感的设备造成干扰,引起其他设备工作异常。
因此,对电源适配器要限制由输入电源线、输出负载DC线产生的传导干扰和空间辐射的传播的电磁场干扰,使得处于同一电磁环境中的设备均能够正常工作,互不干扰。
2.电磁兼容性问题产生的要素
电磁兼容性问题产生的三个要素是:干扰源、传播途径及受干扰体。
电源适配器因工作在开关模式状态下,其引起的电磁兼容性问题是比较复杂的。从整机的电磁兼容性来讲,主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合和电磁波耦合几种。
a.共阻抗耦合主要是干扰源与受干扰体在电气上存在共同阻抗,通过该阻抗使干扰信号进入受干扰对象。
b.线间耦合主要是产生干扰电压及干扰电流的导线或者PCB板上的并行布线而产生的相互耦合。
c.电场耦合主要是由于电位差的存在而产生的感应电场对受干扰体产生的耦合。
d.磁场耦合主要是大电流的脉冲在电源线附近产生的低频磁场对干扰对象产生的耦合。
e.电磁波耦合主要是由于脉冲的电压或者电流产生的高频电磁波,通过空间向外辐射,对相应的受干扰体产生的耦合。
实际上每一种耦合方式是不能严格区分的,仅是侧重点不同而已。在电源适配器中,主功率开关管在很高的电压下以高频开关方式工作,开关电压及开关电流均为方波,该方波所含的高次谐波的频谱可达到方波频率的1000次以上,同时,由于电源变压器的漏电感及分布电容,以及主功率开关器件的工作状态并非理想,因此在高频开或关时,常常产生高频高压的尖峰谐波振荡。该谐波振荡产生的高次谐波通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路,或通过散热器及变压器向空间辐射。用于整流及续流的开关二极管也是产生高频干扰的一个重要原因。整流及续流二极管工作在高频开关状态下,由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在以反向恢复电流的影响,使其工作在很高的电压及电流变化率下而产生高频振荡。整流及续流二极管一般离电源输出线较近,其产生的高频干扰最容易通过直流输出线传出去。
大功率的电源适配器为了提高功率因数,均采用了有源功率因数校正电路。同时,为了提高电源适配器的效率及可靠性,减小功率器件的电应力,大量采用了软开关技术。其中零电压、零电流开关技术应用最为广泛。这些技术极大的降低了开关器件所产生的电磁干扰。软开关无损吸收电路多利用L、C进行能量转移,利用二极管的单向导电性能现实能量的单向转换,因此,该电路中的二极管成为电磁干扰的一大干扰源。
电源适配器中一般利用储能电感及电容器组成LC滤波电路,实现对差模及共模干扰信号的滤波,以及将交流方波信号转换为平滑的直流信号。由于电感线圈分布电容,因此导致了电感线圈的自谐振频率降低,从而使大量的高频干扰信号穿过电感线圈,沿交流电源线或直流输出线向外传播。滤波电容器随着干扰信号频率的上升,由于引线电感的作用,导致电容量及滤波效果不断下降,直至达到谐振频率以上时,完全失去电容器的作用而变为感性。不正确的使用滤波电容及引线过长,也是产生电磁干扰的一个原因。
电源适配器PCB板布线、结构设计、电源线输入滤波、输入/输出电源线布线以及检测电路的设计等不合理,均会导致系统工作不稳定,降低对静电放电、点快速瞬变脉冲群、雷击、浪涌及传导干扰、辐射干扰及辐射电磁场等的抗扰性能力。
一般运用CISPR16及IEC61000中规定的电磁场检测仪器及各种干扰信号模拟器、辅助设备,在标准测试场地或实验室内部,通过详尽的测试分析,结合对电路性能的理解来分析研究电源适配器的电磁兼容性。