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摘要：通过一个实例分析了在一个电源系统中多个子系统之间出现的电磁兼容问题，并且给出了解决方案。同时也提供了布局中应注意的细节问题。 关键词：电源；子系统；电磁兼容
0 引言 电子产品间会通过传导或者辐射等途径相互干扰，导致电子产品不能正常工作。因此，电磁兼容在电源产品设计中处于非常重要的地位，若处理不当会带来很多麻烦。 开关电源是一个很强的骚扰源，这是由于开关管以很高的频率做开关动作，由此会产生很高的开关噪声，从而会从电源的输入端产生差模与共模干扰信号。同时，开关电源中又有很多控制电路，很容易受到自身和其他电子设备的干扰。所以，EMI和EMS问题在电源产品中都需要重视。 然而对于一个电源系统内有多个子系统的场合，多个子系统之间的电磁兼容问题就更加尖锐。由于电源产品体积的限制，多个子系统在空间上一般都比较靠近，而且通常是共用一个输入母线，因此，互相之间的干扰会更加严重。所以，这类电源系统除了要防止对其他电源系统和设备的干扰，达到政府制定的标准外，还要考虑到电源系统内部子系统之间的相互干扰问题，不然将会影响到整个系统的正常运行。 下面以一个军用车载电源为例，阐述了在设计中应注意的原则，调试中出现的问题，解决的方案，以及由此得到的经验。 1.1 电气规格 如图1所示。由于是车载电源，所以该电源系统的输入为蓄电池，电压是9～15V。输出供辐射仪，报警器，侦毒器，打印机，电台，加热等6路负载。其电压有24V，12V，5V3种，要求这3种电压电气隔离并且具有独立保护功能。
图1 电气规格 1.2 基本方案 12V输出可以直接用蓄电池供电，因此，DC/DC变换系统只有24V和5V两路输出。由于要有独立保护功能，并且调整率要求也非常高，所以，采用两个独立的DC/DC变换器的方案。24V输出200W，采用RCD复位正激变换器；5V输出30W，采用反激变换器。图2给出了该方案的主电路图。
(a) 正激变换器
(b) 反激变换器 图2 基本方案的主电路
因为，有两路变换器放在同一块PCB上，所以，布局上需要考虑的问题更加多。 1）虽然在一块PCB上，但是，两个变换器还是应该尽量地拉开距离，以减少相互的干扰。所以，正激变换器和反激变换器的功率电路分别在PCB的两侧，中间为控制电路，并且两组控制电路之间也尽量分开。 2）主电路的输入输出除了电解电容外，再各加一颗高频电容（CBB电容），并且该电容尽量靠近开关和变压器，使得高频回路尽量短，从而减少对控制电路的辐射干扰。 3）该电源系统控制芯片的电源也是由输入电压提供，没有另加辅助电源。在靠近每个芯片的地方都加一个高频去耦电容（独石电容）。此外，主电路输入电压和芯片的供电电压是同一个电压，为了防止发生谐振，最好在芯片的供电电压前加一个LC滤波或RC滤波电路，隔断主电路和控制电路之间的传导干扰。 4）为了减少各个控制芯片间的相互干扰，控制地采用单点信号地系统。控制地只通过驱动地和功率地相连，也就是控制地只和开关管的源极相连。但是，实际上驱动电路有较大的脉冲电流，最好的做法是采用变压器隔离驱动，让功率电路和控制电路的地彻底分开。 3 调试中出现的问题及解决办法 该电源系统在调试过程中出现了以下问题：正激变换器和反激变换器在单独调试的时候非常正常，但是，在两路同时工作时却发生了相互之间的干扰，占空比发生振荡，变压器有啸叫声。 这个现象很明显是由两路变换器之间的相互干扰造成的。为了寻找骚扰源而做了一系列的实验，最终证实是由两路主电路之间的共模干扰引起振荡的。具体的实验过程过于繁琐，在这里就不描述了。 这些问题的解决方法有很多种。下面给出几种当时采用的解决方案，以及提出一些还可以采用的方案。 1）在每个变换器的输出侧加共模滤波器 这样不仅可以减小对负载的共模干扰，并且对自身的控制电路也有好处。因为，输出电压经过分压后要反馈到控制电路中，如果输出电压中含有共模干扰信号，那么控制电路也会由此引入共模干扰信号。所以，在变换器的输出侧加共模滤波器是非常有必要的，不仅减小对负载的共模干扰，还会减小对控制电路的共模干扰。 2）在反激变换器和正激变换器之间加一个共模滤波器 这样可以减少两路变换器主电路之间的传导干扰。因为，反激侧差模电流较小，所以，将共模滤波器放在反激侧，如图3所示。另外，为了防止两路电源之间的相互干扰，共模滤波器设计成π型，这样从每一边看都是一个共模滤波器。
图3 EMI共模滤波器 3）将反激变压器绕组的饶法改成原—副—原—副—原—副的多层夹层饶法 采取该措施后变压器原副边的耦合更加紧密，使漏感减小，开关管上电压尖峰明显降低。同时共模骚扰源的强度也随之降低。在不采用解决方案2）时，采用本方案也解决了问题。而且，这种方法从根源上改善了电磁兼容性能，且绕组的趋肤效应和层间效应也都会改善，从而降低了损耗。但是，这种绕法是以牺牲原副边的绝缘强度为代价的，在原副边绝缘要求高的场合并不适用。 4）减慢开关的开通和关断速度 这样开关管上的电压尖峰也会降低，也能在一定程度上解决问题。但是，这是以增加开关管的开关损耗为代价的。 5）开关频率同步 两路变换器的工作频率都是100kHz，但是，使用两个RC振荡电路，参数上会有离散性，两个频率会有一定偏差。这样两路电源可能会产生一个拍频引起振荡。所以，也尝试了用一个RC振荡电路，一个PWM芯片由另一个PWM芯片来同步，这样可以保证严格的同频和同时开通，对减少两路电源之间的干扰会有一定好处。在这个电源系统中，采用的PWM芯片是ST公司的L5991芯片，可以非常方便地接成两路同步的方式，如图4所示。
图4 两片PWM芯片的同步 6）在二极管电路中串联一个饱和电感，减小二极管的反向恢复，从而减小共模干扰源的强度 在电流大的时候，饱和电感由于饱和而等效为一根导线。在二极管关断过程中，正向电流减小到过零时，饱和电感表现出很大的电感量，阻挡了反向电流的增加，从而也减小了二极管上电压尖峰。从电磁兼容的角度讲，是减小了骚扰源的强度。用这种方法抑制二极管的反向恢复也会造成一定的损耗，但是，由于使用的电感是非线形的，所以，额外损耗相对RC吸收来说还是比较小的。 图5（a）是正激变换器在没有加饱和电感时续流二极管DR2的电压波形，较高的振荡电压尖峰是很强的骚扰源。图5（b）是正激变换器在加了饱和电感后的二极管电压波形，电压尖峰明显降低，从而大大减弱了该骚扰源的强度。
(a) 未串饱和电感 (b) 串饱和电感 图5 续流二极管电压波形 7）对反激变换器的主开关加电压尖峰吸收电路 尽管反激变压器绕组的饶法有很大的改进，漏感已减小。但是，由于反激变换器的变压器不是一个单纯的变压器，而是变压器和电感的集成，所以，要加气隙。加气隙后的变压器的漏感相对来说还是比较大的。若不加吸收电路，开关管上电压尖峰会比较高，这不仅增加了开关管的电压应力，而且也是一个很强的骚扰源。 图6给出了反激变换器的吸收电路。R1，C1，D组成了RCD钳位吸收电路，它可以很好地吸收变压器漏感和开关管结电容谐振产生的电压尖峰。图7(a)是没有加吸收电路时，开关管上漏—源电压波形，有很高的电压尖峰。图7(b)是加了RCD吸收电路时，开关管上漏—源电压波形，电压尖峰已大大降低。但是，将图7(b)振荡部分放大看，如图7(c)所示，可以发现，又出现了一些更细的 振 荡 电 压 。 该 振 荡 电 压 是 由 于 漏 感 和 二 极 管D的 结 电 容 谐 振 产 生 的 ， 靠 RCD电 路 已 经 无 法 将 其 吸 收 （R2，C2） 。 所 以 ， 又 在 开 关 管 的 漏 — 源 两 端 加 了RC吸 收 电 路 （R2，C2） ， 进 一 步 吸 收 由 于 漏 感 和 二 极 管 D的 结 电 容 谐 振 产 生 的 电 压 尖 峰 。 吸 收 后 的 波 形 如 图 7(d)所 示 。
图6 反激变换器的吸收电路
(a) 无RCD吸收电路 (b) 有RCD吸收电路
(c) (b)的局部放大 (d) 开关管漏—源极间加RC 图7 反激变换器开关管漏—源电压波形
8）采用软开关电路 上述解决方案1）－6）是在不改变现有电路拓扑的前提下降低电磁干扰所采用的方案。其中1）－2）是采用切断耦合途径的方法；3）－6）是减弱骚扰源的方法。实际上，在选择电路拓扑时就可以考虑有利于EMC的拓扑，这样就不容易产生上面的问题。其中采用控制性软开关拓扑就是一个很好的选择。选用控制性软开关拓扑（例如移相全桥变换器、不对称半桥变换器、LLC谐振变换器[4]），不仅可以减少开关损耗，而且可以降低电压尖峰，从而减弱骚扰源的强度。但是，采用缓冲型的软开关拓扑，不仅增加了很多附加电路，并且从降低EMI角度来说也不一定有优势，因为，大多数缓冲型软开关拓扑将原先的振荡能量转移到附加的电路上了，还是会产生很强的EMI。 5 结语 由于在空间上一般都比较靠近，而且，通常是共用一个输入母线，所以，在内部有多个子系统的电源系统中，多个子系统电源之间的电磁兼容问题非常尖锐。在选择电路拓扑时应尽量选用控制性软开关拓扑。在设计PCB板时应该注意多个子系统的位置关系和地线的安排。当电路中出现电压尖峰时，可采用RCD或者RC等吸收电路。对于二极管的反向恢复问题，可以采用串联饱和电感的方法来解决。在必要的时候还可以加合适的EMI滤波器来隔断干扰的耦合途径。 |
电源系统中多个子系统之间的电磁兼容问题
- 电源(244067)
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2011-09-23 10:07:57841
841马达的电磁兼容问题应如何解决？
不幸的是，电磁兼容问题通常是在产品已彻底完成设计并组装完毕时发现。这时考虑 电磁兼容是十分困难的。制造商不仅面临着时间上的紧迫而且项目预算已经用完，责任工程师已经调到其它项目上，不能随时解决有关的问题。
2018-07-19 11:52:003398
3398三种方法带你解决电磁兼容问题
伴随着信息技术的应用日益广泛，电磁兼容问题也成为装备和系统面对的焦点话题，经专家验证，EMC问题越早发现，就能够降低成本，会出现更多可行性方案来解决EMC问题
2018-04-20 15:43:004544
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根治电磁兼容问题 地偏移测试与整车系统接地设计
伴随越来越多的高科技汽车电子产品的开发与应用,如何解决汽车电子系统的电磁兼容问题,提高汽车的可靠性和安全性,已经成为一个非常重要和迫切的问题。然而接地设计作为根治电磁兼容问题方法之一,地偏移测试显得就尤为重要了,因此本文对接地设计及地偏移测试进行了解读。
2019-03-04 17:56:121697
1697如何解决马达的电磁兼容问题
马达，特别是带电刷的马达，会产生大量的噪声。电器要满足电磁兼容标准的要求，必须对这些噪声进行处理。解决电磁兼容的手段无非是电容、电感（扼流圈）、电源滤波器和接地。
2019-08-01 15:58:502602
2602高速DSP系统的电磁兼容设计方案
随着电子技术的发展，各种电子产品经常在一起工作，它们之间的干扰越来越严重，所以电磁兼容问题成为一个电子系统能否正常工作的关键。同样，随着PCB的密度越来越高，PCB设计的好坏对电路的干扰及抗干扰能力影响很大。
2020-01-02 16:18:19874
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造成PCB单层板和双层板电磁兼容问题的原因是什么？
单层板和双层板的电磁兼容问题越来越突出，造成这种现象的主要原因就是信号回路面积过大，不仅产生了较强的电磁辐射，而且使电路对外界干扰敏感。要改善线路的电磁兼容性，最简单的方法是减小关键信号的回路面积；关键信号主要指产生较强辐射的信号和对外界敏感的信号。
2020-07-16 13:36:473685
3685电磁兼容与电磁兼容性有什么区别
电磁兼容性（Electromagneticcompatibility，EMC），《电磁干扰和电磁兼容性术语》中给出的电磁兼容性定义为：设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。
2020-07-28 15:30:372347
2347电磁兼容问题资料下载
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2021-04-14 08:44:3410
10系统电磁兼容设计
从整个电气系统设计的角度，可解决电源系统及通信网络GJB151B电磁兼容的设计要求。讲述电路设计（包括器件选择）、软件设计、线路板设计、屏蔽结构、信号线/电源线滤波、电路的接地方式设计。
2023-03-10 10:57:564
4科普电力通信电磁兼容问题
摘要:对电磁兼容的基本概念,干扰源传播途径和抗干扰防护措施进行简要的论述，并对电力通讯网中的电磁兼容问题进行归纳性的讨论。 关键词:电磁兼容;电磁干扰;电力网;电力通信;干扰途径;防护措施 0前言
2023-04-12 09:51:28475
475电磁兼容问题百问百答：什么是浪涌？
点击关注不迷路电磁兼容问题百问百答：什么是浪涌?概念一般来说，浪涌是电路中电流、电压或功率的瞬态波。特别是在电力系统中——这可能是我们与浪涌相关的最常见的背景——浪涌或瞬态，是持续时间小于正常电压
2021-10-19 18:17:351632
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电磁兼容问题百问百答：什么是浪涌(上)?
电磁兼容问题百问百答：什么是浪涌(上)?浪涌的概念浪涌是电路中电流、电压或功率的瞬态波。在电力系统中常见浪涌或瞬态，是持续时间小于正常电压波形半个周期的子周期过电压。浪涌可以是正极性或负极性，也可以
2021-12-31 16:00:52488
488电能储能系统的EMC电磁兼容测试方法
电能的储能系统Energy storage system (ESS），具体又分为交流储能系统 AC ESS和直流储能系统DC ESS，本身属于电气设备，那就涉及到电磁兼容问题，要进行EMC电磁兼容的测试。
2023-08-03 11:29:271053
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电磁兼容对应概念定义 一个电磁兼容问题包含哪些部分
电磁兼容是确保电气及电子系统安全可靠运行的关键技术,在科
学研究、设备开发、电路板及微电子设计、解决实际工程问题等
方面都具有非常重要的作用。
2023-10-19 11:11:03157
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工商网监
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