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工程師設計驅動(dòng)模塊時(shí)不可不考慮的電磁兼容問(wèn)題
日期：2024-06-25 06:08
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摘要： 作為大功率模塊的驅動(dòng)電源來(lái)說(shuō)，其中的開(kāi)關(guān)電路、放大電路和逆變電路等主電路可能對電磁環(huán)境存在干擾。因此在設計驅動(dòng)模塊時(shí)，必須考慮電磁兼容性問(wèn)題，避免驅動(dòng)單元對外界的干擾。
1、電磁兼容基本原理
電磁兼容性指電器及電子設備在共同的電磁環(huán)境中能執行各自功能的共存狀態(tài)，均能正常工作互不干擾，達到兼容狀態(tài)。
電磁干擾可以通過(guò)時(shí)域和頻域進(jìn)行表示，大部分干擾信號都是時(shí)變的，為討論和分析方便，都采用頻域分析方法為宜。典型的信號表示方式有正弦、非正弦、周期性、非周期性和脈沖...
作為大功率模塊的驅動(dòng)電源來(lái)說(shuō)，其中的開(kāi)關(guān)電路、放大電路和逆變電路等主電路可能對電磁環(huán)境存在干擾。因此在設計驅動(dòng)模塊時(shí)，必須考慮電磁兼容性問(wèn)題，避免驅動(dòng)單元對外界的干擾。
1、電磁兼容基本原理
電磁兼容性指電器及電子設備在共同的電磁環(huán)境中能執行各自功能的共存狀態(tài)，均能正常工作互不干擾，達到兼容狀態(tài)。
同樣也可以對脈沖信號進(jìn)行傅立葉變換，得出頻譜圖。
電磁干擾是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行傳播的，因此，其基本單位也可以用電場(chǎng)和磁場(chǎng)的單位來(lái)表示，工程上普遍采用分貝來(lái)對電磁干擾進(jìn)行量測，即db。
2、電磁兼容具體實(shí)施
在驅動(dòng)單元外殼選取時(shí)，應綜合性?xún)r(jià)比考慮屏蔽效果較好的材料。在驅動(dòng)單元的的設計中，中間點(diǎn)鉗位型pwm逆變電路作為主工作電路，在功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)，電路會(huì )產(chǎn)生諧波電流，同時(shí)高頻成分會(huì )向空間輻射。pwm逆變工作電路如圖1。
為此，在元器件選擇、電路板設計和接口設計等各個(gè)環(huán)節就應充分考慮電磁兼容性，使驅動(dòng)模塊工作在正常狀態(tài)而不影響其他設備。
2.1 元器件的EMC考慮
為達到電磁兼容而使用的元件通常是采用減少并聯(lián)通路阻抗的方法來(lái)減小噪聲電壓或增加電流通路阻抗來(lái)減小噪聲電流。
所有元件及互連線(xiàn)都會(huì )產(chǎn)生諧振現象，因此在元件選擇上，要充分保證線(xiàn)路的低阻抗配電。串聯(lián)諧振電路的輸入阻抗很低，但是根據電路不同的q值，輸出電壓可能大大高于輸入電壓，由于大電流高電壓的出現，串聯(lián)諧振非常容易產(chǎn)生高電平的輻射或傳到發(fā)射；并聯(lián)諧振會(huì )形成一個(gè)高的線(xiàn)路阻抗，也會(huì )產(chǎn)生高電流。
2.2 電路的板級EMC考慮
在電路原理圖設計時(shí)，就應充分考慮一般元器件和功率器件的放置，主要應該注意以下五點(diǎn)：
（1）控制芯片無(wú)用端要通過(guò)相應的匹配電阻接電源或接地集成電路上接地或接電源端都要接，不要懸空；
（2）繼電器需要匹配上高頻電容；
（3）每個(gè)集成電路需配一個(gè)去耦電容；
（4）降低負載電容，以使靠近輸出端的集電極開(kāi)路驅動(dòng)器便于上拉，電阻值盡量大；
（5）看門(mén)狗電路上不要使用可編程器件。
在pcb設計時(shí)，盡量不要使用單面板，同時(shí)，模擬電路和數字電路要分開(kāi)布局；中、高速電路也應分開(kāi)布局；接地線(xiàn)要明確，不能所有接地都共用；pcb走線(xiàn)上需串接電阻，以降低控制信號線(xiàn)上下沿的跳變速率；處理器或發(fā)熱器件需通過(guò)導熱材料與其它芯片隔離，并在處理器周?chē)帱c(diǎn)射頻接地。
在pwm逆變工作電路上，為限制輸入端諧波電流，可以在直流環(huán)節前端并聯(lián)濾波電容器，如圖2所示；同時(shí)還可以在直流母線(xiàn)上串聯(lián)直流電抗器。另外，可以在電路的輸入端加諧波濾波器，此方法加裝簡(jiǎn)單、成本低、維修方便，但是容易受系統參數的影響。
2.3 接地考慮
接地是電磁兼容重要措施，接地可以降低功率模塊噪聲、降低串擾和防止靜電的積聚。驅動(dòng)單元的接地原則是信號地和電源地分開(kāi)；高功率在*近的位置單點(diǎn)接地；同時(shí)ac**地應與單元外殼相連。
2.4 接口濾波考慮
為方便通訊，驅動(dòng)單元都留有RS232或RS485接口，為此，設計中接口電路需進(jìn)行濾波處理。通常采用差動(dòng)線(xiàn)路驅動(dòng)和接收的方法來(lái)提高線(xiàn)路接口的抗擾度。低于信號電平并加在非畸變信號上的噪聲脈沖電壓與疊加在畸變信號上的噪聲脈沖相比，不可能超過(guò)接收器輸入端的開(kāi)關(guān)閾值，因此在接收器輸入端加端接電阻可以減少反射并改善信號質(zhì)量和提高電路接口抗擾性。差動(dòng)接收電路如圖3。
3、結束語(yǔ)
電磁兼容問(wèn)題是工程人員在設計驅動(dòng)單元中經(jīng)常遇到且必須解決的，本文列出的幾種處理方法已在實(shí)際運用中得要驗證，效果較好。
1、電磁兼容基本原理
電磁兼容性指電器及電子設備在共同的電磁環(huán)境中能執行各自功能的共存狀態(tài)，均能正常工作互不干擾，達到兼容狀態(tài)。
電磁干擾可以通過(guò)時(shí)域和頻域進(jìn)行表示，大部分干擾信號都是時(shí)變的，為討論和分析方便，都采用頻域分析方法為宜。典型的信號表示方式有正弦、非正弦、周期性、非周期性和脈沖等，它們都是通過(guò)空間輻射和通過(guò)導線(xiàn)傳導的。工程中對非周期信號和脈沖信號運用較多，將干擾信號用f（t）表示，非周期性信號傅立葉積分為
同樣也可以對脈沖信號進(jìn)行傅立葉變換，得出頻譜圖。
電磁干擾是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行傳播的，因此，其基本單位也可以用電場(chǎng)和磁場(chǎng)的單位來(lái)表示，工程上普遍采用分貝來(lái)對電磁干擾進(jìn)行量測，即db。
2、電磁兼容具體實(shí)施
在驅動(dòng)單元外殼選取時(shí)，應綜合性?xún)r(jià)比考慮屏蔽效果較好的材料。在驅動(dòng)單元的的設計中，中間點(diǎn)鉗位型pwm逆變電路作為主工作電路，在功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)，電路會(huì )產(chǎn)生諧波電流，同時(shí)高頻成分會(huì )向空間輻射。pwm逆變工作電路如圖1。
為此，在元器件選擇、電路板設計和接口設計等各個(gè)環(huán)節就應充分考慮電磁兼容性，使驅動(dòng)模塊工作在正常狀態(tài)而不影響其他設備。
2.1 元器件的EMC考慮
為達到電磁兼容而使用的元件通常是采用減少并聯(lián)通路阻抗的方法來(lái)減小噪聲電壓或增加電流通路阻抗來(lái)減小噪聲電流。
所有元件及互連線(xiàn)都會(huì )產(chǎn)生諧振現象，因此在元件選擇上，要充分保證線(xiàn)路的低阻抗配電。串聯(lián)諧振電路的輸入阻抗很低，但是根據電路不同的q值，輸出電壓可能大大高于輸入電壓，由于大電流高電壓的出現，串聯(lián)諧振非常容易產(chǎn)生高電平的輻射或傳到發(fā)射；并聯(lián)諧振會(huì )形成一個(gè)高的線(xiàn)路阻抗，也會(huì )產(chǎn)生高電流。
2.2 電路的板級EMC考慮
在電路原理圖設計時(shí)，就應充分考慮一般元器件和功率器件的放置，主要應該注意以下五點(diǎn)：
（1）控制芯片無(wú)用端要通過(guò)相應的匹配電阻接電源或接地集成電路上接地或接電源端都要接，不要懸空；
（2）繼電器需要匹配上高頻電容；
（3）每個(gè)集成電路需配一個(gè)去耦電容；
（4）降低負載電容，以使靠近輸出端的集電極開(kāi)路驅動(dòng)器便于上拉，電阻值盡量大；
（5）看門(mén)狗電路上不要使用可編程器件。
在pcb設計時(shí)，盡量不要使用單面板，同時(shí)，模擬電路和數字電路要分開(kāi)布局；中、高速電路也應分開(kāi)布局；接地線(xiàn)要明確，不能所有接地都共用；pcb走線(xiàn)上需串接電阻，以降低控制信號線(xiàn)上下沿的跳變速率；處理器或發(fā)熱器件需通過(guò)導熱材料與其它芯片隔離，并在處理器周?chē)帱c(diǎn)射頻接地。
在pwm逆變工作電路上，為限制輸入端諧波電流，可以在直流環(huán)節前端并聯(lián)濾波電容器，如圖2所示；同時(shí)還可以在直流母線(xiàn)上串聯(lián)直流電抗器。另外，可以在電路的輸入端加諧波濾波器，此方法加裝簡(jiǎn)單、成本低、維修方便，但是容易受系統參數的影響。
2.3 接地考慮
接地是電磁兼容重要措施，接地可以降低功率模塊噪聲、降低串擾和防止靜電的積聚。驅動(dòng)單元的接地原則是信號地和電源地分開(kāi)；高功率在*近的位置單點(diǎn)接地；同時(shí)ac**地應與單元外殼相連。
2.4 接口濾波考慮
為方便通訊，驅動(dòng)單元都留有RS232或RS485接口，為此，設計中接口電路需進(jìn)行濾波處理。通常采用差動(dòng)線(xiàn)路驅動(dòng)和接收的方法來(lái)提高線(xiàn)路接口的抗擾度。低于信號電平并加在非畸變信號上的噪聲脈沖電壓與疊加在畸變信號上的噪聲脈沖相比，不可能超過(guò)接收器輸入端的開(kāi)關(guān)閾值，因此在接收器輸入端加端接電阻可以減少反射并改善信號質(zhì)量和提高電路接口抗擾性。差動(dòng)接收電路如圖3。
3、結束語(yǔ)
電磁兼容問(wèn)題是工程人員在設計驅動(dòng)單元中經(jīng)常遇到且必須解決的，本文列出的幾種處理方法已在實(shí)際運用中得要驗證，效果較好。
