随着电子电气技术的发展,各类用电设备越来越多,电磁干扰的问题十分突出。同时,国际和国内不断制订或修订强制性的电磁兼容标准,如国内GB 4824—2013《工业、科学和医疗(ISM)射频设备骚扰特性限值和测量方法》在2015年1月13 日强制实施。可见,电磁兼容成为电子系统设计的重要组成部分。优秀的电子工程师必须具备坚实的电磁兼容知识[1-2]。本文依据我校自动化专业的教学计划,以增强大学生电磁兼容设计能力为目标,在本科毕业设计阶段,通过案例导入式教学方式,指导完成毕业设计作品,激发学生的学习兴趣,取得良好的教学效果。
1 我校自动化专业“电磁兼容”教学现状
我校自动化专业本科教学计划中未开设“电磁兼容”课程。学生在“大学物理”课程中学习“静电场”“稳恒磁场” “电磁感应”等电磁场基本知识,随后学习“电路”“模拟电子技术”“数字电子技术”“电力电子技术”“检测技术及控制仪表”等电子类课程,已初步掌握学习电磁兼容技术的先修知识。目前学生在电子类企业就业的比例较高,产品研发中会遇到各类电磁兼容相关的问题。那么,在本科毕业设计阶段,通过设计作品来提高他们的电磁兼容设计能力成为一个很好的教学尝试。结合科研经验选择开关电源作为毕业设计题目。一方面,开关电源是一类强调电磁兼容性的电子类产品；另一方面,开关电源也是一类闭环的高阶—非线性—时变系统,涉及现代控制理论和控制系统仿真等自动化专业知识,适合用于该专业毕业设计的教学实践。
2 电磁兼容的教学实践
2.1 开关电源EMI产生机理
相比于线性电源,开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点[3],在通信电源和电力操作电源中占据主导地位。其基本工作原理是反馈输出电压或电流给控制电路,调整驱动波形的占空比来控制功率半导体器件(如MOSFET、IGBT、MCT、GTO、Thyristor等)的导通和关断时间,从而实现稳定的输出。电源开关频率一般在几十KHz至几MHz,线路中存在突变的电压或电流,引起电磁干扰(EMI)问题[3]。
图1是小功率单端反激式开关电源主回路的电路简图,现在按照干扰源来说明电源EMI产生机理。
图1 单端反激式开关电源主回路电路图
(1) 输入整流滤波电路中产生的干扰。图2所示是全桥整流滤波电路。D1—D4是整流二极管,C1是滤波电容,R2是后级等效电阻,V1是电网输入交流电压。由于滤波电容的存在,整流二极管D1—D4仅在V1的瞬时值高于滤波电容电压时才能导通,电容电压和电网输入电流波形如图3所示。其中输入电流波形呈窄而陡的脉冲状。该脉冲电流包含大量的高频谐波分量,对电网产生谐波污染,同时会引起射频干扰问题[4]。
图2 全桥整流滤波电路图
图3 电容电压和电网输入电流波形图
(2) 主开关管工作时产生的干扰。图1中的主开关管Q1、高频变压器T1原边和电容C1形成电流环路,Q1按开关频率不断地导通和关断。无论采用连续控制模式(CCM),还是采用断续控制模式(DCM),环路电流都含有大量的谐波,通过线路会向周围空间辐射干扰。EMI正比于电流强度、环路面积和开关频率的平方[3]。即：
EMI=K×I×S×f2
式中,I是环路电流强度,S是环路面积,f是电源的开关频率,K是与线路板材等相关的常数。
(3) 高频变压器工作时产起的干扰。实际高频变压器绕组存在漏感。假设变压器T1原边的漏感量为Le,Q1关断时,T1原边漏感会产生感应电动势：
形成关断电压尖峰。一方面它会通过传导方式对电网形成电磁干扰,另一方面该电压尖峰也是导致射频干扰的重要原因。由于Q1极间电容CDS、导线电阻、线圈的分布电容等的存在,漏感存储的能量还会引起阻尼振荡。
(4) 输出整流电路中产生的干扰。输出整流二极管D5按开关频率导通和关断,流经D5的电压波形近似矩形波,电流含有高次谐波。同时,二极管存在反向恢复时间,当施加反向电压时,二极管结电容积累的电荷不会瞬间消除,形成很大的反向电流。当di/dt很大时形成尖峰电压。
2.2 抑制干扰的措施
图1电路中存在电流谐波、尖峰电压、传导、辐射等电磁干扰问题。抑制干扰的措施很多,介绍几种相对简单可行的措施,使学生在设计中能独立实现,以增强解决EMI问题的信心。
(1) EMI滤波器。图4所示是常用的EMI滤波器电路图,安装在电源的输入端。电容Cx1和Cx2为差模电容,一般选择安规电容,用于抑制差模干扰。R为泄放电阻,用于泄放电容上的静电荷[3]。电感L1为共模电感,与共模电容Cy1和Cy2共同抑制共模干扰。文献[5]详细介绍了EMI滤波器的设计步骤,得出文中电源的共模和差模干扰电流大小,并用Pspice软件进行了滤波器的仿真。
图4 常用EMI滤波器电路图
(2) 功率因数校正。针对图2所示整流滤波电路对电网会产生谐波污染问题,常用的解决办法是采用功率校正电路。单相功率校正技术已十分成熟。文献[3]采用填谷式无源功率校正电路与图2中普通整流滤波电路进行比较,电流总谐波含量从117.5%下降到28.0%。性能更佳的有源功率因数校正电路在中、大功率电源中早已成熟应用。
(3) 缓冲电路。如图5所示,采用RCD缓冲电路能有效减小变压器原边绕组上的尖峰电压幅度[6]。输出整流二极管D5两端可使用R5、C4组成的简单缓冲电路。这里注意,D5一定要选择使用超快恢复二极管或肖特基二极管[7]。
图5 两种简单实用的吸收电路
(4) 变压器的屏蔽。变压器原、副边的耦合电容以及变压器与电源机壳间的分布电容会为共模干扰电流提供传导路径。采用屏蔽技术能较好的解决这一问题[8-12]。在学生绕制变压器时,结合减小绕组漏感和屏蔽技术来讲解变压器的“三明治”绕法。具体步骤：①在变压器骨架上均匀绕制Np/2(Np指原边匝数)匝原边绕组,覆一层绝缘垫衬,用铜箔做屏蔽层,注意首尾端做绝缘处理,防止铜箔首尾短路,屏蔽层焊接一根短引线,通过变压器引脚最终与电源主回路原边的地
线相连。②绕制Ns匝副边绕组。③同①相同覆一层绝缘垫衬后,再用铜箔做一屏蔽层。④绕制剩余Np/2匝原边绕组。若电源是多路输出,再绕制其他绕组。用绝缘胶带缠紧,安装磁芯,调整磁路气隙,固定磁芯。高频变压器正常工作时,少量磁通利用空气产生漏磁。在变压器的外层用铜箔形成短路环,可有效屏蔽变压器对外电路的电磁干扰。
3 结语
多年指导自动化专业本科毕业设计的教学实践表明,用开关电源作为应用案例来进行电磁兼容技术的教学切实可行。通过动手调试电路以及书写毕业论文,让学生理解并掌握开关电源中EMC产生的机理及各类对策。通过谐波电流、尖峰电压、传导、辐射等概念或实测波形,学习理论知识。在设计毕业作品过程中,运用接地、屏蔽和滤波等电磁兼容技术提高实践能力。教学实践表明,学生学习兴趣大、主动性强、学习效率高,在工作中能力能很快得到体现。
E-mail：13905358550@126.com
随着电子电气技术的发展,各类用电设备越来越多,电磁干扰的问题十分突出。同时,国际和国内不断制订或修订强制性的电磁兼容标准,如国内GB 4824—2013《工业、科学和医疗(ISM)射频设备骚扰特性限值和测量方法》在2015年1月13 日强制实施。可见,电磁兼容成为电子系统设计的重要组成部分。优秀的电子工程师必须具备坚实的电磁兼容知识[1-2]。本文依据我校自动化专业的教学计划,以增强大学生电磁兼容设计能力为目标,在本科毕业设计阶段,通过案例导入式教学方式,指导完成毕业设计作品,激发学生的学习兴趣,取得良好的教学效果。
1 我校自动化专业“电磁兼容”教学现状
我校自动化专业本科教学计划中未开设“电磁兼容”课程。学生在“大学物理”课程中学习“静电场”“稳恒磁场” “电磁感应”等电磁场基本知识,随后学习“电路”“模拟电子技术”“数字电子技术”“电力电子技术”“检测技术及控制仪表”等电子类课程,已初步掌握学习电磁兼容技术的先修知识。目前学生在电子类企业就业的比例较高,产品研发中会遇到各类电磁兼容相关的问题。那么,在本科毕业设计阶段,通过设计作品来提高他们的电磁兼容设计能力成为一个很好的教学尝试。结合科研经验选择开关电源作为毕业设计题目。一方面,开关电源是一类强调电磁兼容性的电子类产品；另一方面,开关电源也是一类闭环的高阶—非线性—时变系统,涉及现代控制理论和控制系统仿真等自动化专业知识,适合用于该专业毕业设计的教学实践。
2 电磁兼容的教学实践
2.1 开关电源EMI产生机理
相比于线性电源,开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点[3],在通信电源和电力操作电源中占据主导地位。其基本工作原理是反馈输出电压或电流给控制电路,调整驱动波形的占空比来控制功率半导体器件(如MOSFET、IGBT、MCT、GTO、Thyristor等)的导通和关断时间,从而实现稳定的输出。电源开关频率一般在几十KHz至几MHz,线路中存在突变的电压或电流,引起电磁干扰(EMI)问题[3]。
图1是小功率单端反激式开关电源主回路的电路简图,现在按照干扰源来说明电源EMI产生机理。
图1 单端反激式开关电源主回路电路图
(1) 输入整流滤波电路中产生的干扰。图2所示是全桥整流滤波电路。D1—D4是整流二极管,C1是滤波电容,R2是后级等效电阻,V1是电网输入交流电压。由于滤波电容的存在,整流二极管D1—D4仅在V1的瞬时值高于滤波电容电压时才能导通,电容电压和电网输入电流波形如图3所示。其中输入电流波形呈窄而陡的脉冲状。该脉冲电流包含大量的高频谐波分量,对电网产生谐波污染,同时会引起射频干扰问题[4]。
图2 全桥整流滤波电路图
图3 电容电压和电网输入电流波形图
(2) 主开关管工作时产生的干扰。图1中的主开关管Q1、高频变压器T1原边和电容C1形成电流环路,Q1按开关频率不断地导通和关断。无论采用连续控制模式(CCM),还是采用断续控制模式(DCM),环路电流都含有大量的谐波,通过线路会向周围空间辐射干扰。EMI正比于电流强度、环路面积和开关频率的平方[3]。即：
EMI=K×I×S×f2
式中,I是环路电流强度,S是环路面积,f是电源的开关频率,K是与线路板材等相关的常数。
(3) 高频变压器工作时产起的干扰。实际高频变压器绕组存在漏感。假设变压器T1原边的漏感量为Le,Q1关断时,T1原边漏感会产生感应电动势：
形成关断电压尖峰。一方面它会通过传导方式对电网形成电磁干扰,另一方面该电压尖峰也是导致射频干扰的重要原因。由于Q1极间电容CDS、导线电阻、线圈的分布电容等的存在,漏感存储的能量还会引起阻尼振荡。
(4) 输出整流电路中产生的干扰。输出整流二极管D5按开关频率导通和关断,流经D5的电压波形近似矩形波,电流含有高次谐波。同时,二极管存在反向恢复时间,当施加反向电压时,二极管结电容积累的电荷不会瞬间消除,形成很大的反向电流。当di/dt很大时形成尖峰电压。
2.2 抑制干扰的措施
图1电路中存在电流谐波、尖峰电压、传导、辐射等电磁干扰问题。抑制干扰的措施很多,介绍几种相对简单可行的措施,使学生在设计中能独立实现,以增强解决EMI问题的信心。
(1) EMI滤波器。图4所示是常用的EMI滤波器电路图,安装在电源的输入端。电容Cx1和Cx2为差模电容,一般选择安规电容,用于抑制差模干扰。R为泄放电阻,用于泄放电容上的静电荷[3]。电感L1为共模电感,与共模电容Cy1和Cy2共同抑制共模干扰。文献[5]详细介绍了EMI滤波器的设计步骤,得出文中电源的共模和差模干扰电流大小,并用Pspice软件进行了滤波器的仿真。
图4 常用EMI滤波器电路图
(2) 功率因数校正。针对图2所示整流滤波电路对电网会产生谐波污染问题,常用的解决办法是采用功率校正电路。单相功率校正技术已十分成熟。文献[3]采用填谷式无源功率校正电路与图2中普通整流滤波电路进行比较,电流总谐波含量从117.5%下降到28.0%。性能更佳的有源功率因数校正电路在中、大功率电源中早已成熟应用。
(3) 缓冲电路。如图5所示,采用RCD缓冲电路能有效减小变压器原边绕组上的尖峰电压幅度[6]。输出整流二极管D5两端可使用R5、C4组成的简单缓冲电路。这里注意,D5一定要选择使用超快恢复二极管或肖特基二极管[7]。
图5 两种简单实用的吸收电路
(4) 变压器的屏蔽。变压器原、副边的耦合电容以及变压器与电源机壳间的分布电容会为共模干扰电流提供传导路径。采用屏蔽技术能较好的解决这一问题[8-12]。在学生绕制变压器时,结合减小绕组漏感和屏蔽技术来讲解变压器的“三明治”绕法。具体步骤：①在变压器骨架上均匀绕制Np/2(Np指原边匝数)匝原边绕组,覆一层绝缘垫衬,用铜箔做屏蔽层,注意首尾端做绝缘处理,防止铜箔首尾短路,屏蔽层焊接一根短引线,通过变压器引脚最终与电源主回路原边的地
线相连。②绕制Ns匝副边绕组。③同①相同覆一层绝缘垫衬后,再用铜箔做一屏蔽层。④绕制剩余Np/2匝原边绕组。若电源是多路输出,再绕制其他绕组。用绝缘胶带缠紧,安装磁芯,调整磁路气隙,固定磁芯。高频变压器正常工作时,少量磁通利用空气产生漏磁。在变压器的外层用铜箔形成短路环,可有效屏蔽变压器对外电路的电磁干扰。
3 结语
多年指导自动化专业本科毕业设计的教学实践表明,用开关电源作为应用案例来进行电磁兼容技术的教学切实可行。通过动手调试电路以及书写毕业论文,让学生理解并掌握开关电源中EMC产生的机理及各类对策。通过谐波电流、尖峰电压、传导、辐射等概念或实测波形,学习理论知识。在设计毕业作品过程中,运用接地、屏蔽和滤波等电磁兼容技术提高实践能力。教学实践表明,学生学习兴趣大、主动性强、学习效率高,在工作中能力能很快得到体现。
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文章来源：安全与电磁兼容 网址: http://aqydcjr.400nongye.com/lunwen/itemid-17864.shtml
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