军工电源系统电磁兼容设计基础与应用技巧

引言：军工电源系统电磁兼容的重要性

军用电源系统在极其严苛的电磁环境中运行。这要求对电磁兼容性（EMC）给予高度重视，以确保关键设备的可靠运行。电磁干扰（EMI）在军事应用中可能造成的后果非常严重，从通信故障、导航错误到武器系统失灵，都可能导致任务失败甚至人员伤亡。军事标准，主要是MIL-STD-461和MIL-STD-464，定义了严格的发射和敏感度要求，通常远高于商业标准。本报告将重点介绍功率范围在100-3000W的电源系统的电磁兼容设计考虑因素，这是一个涵盖各种军事应用的常见功率范围。在军事领域，由于强大的发射机和灵敏的接收机非常接近，这使得电源系统既要低辐射又要具有高抗扰性，因此其环境带来了独特的挑战。100-3000W的功率范围非常重要，因为它涵盖了广泛的军事硬件，从车载系统到机载和舰载设备。军事行动通常涉及各种电子系统的协同使用，许多系统以高功率水平运行，用于通信、雷达和电子战。如果这些系统中的电源发出过多的电磁干扰或容易受到干扰，则可能危及整个行动。指定的功率范围可能代表了许多关键子系统的核心功率需求，使其电磁兼容性能至关重要。

2. 电磁干扰 (EMI) 的基本原理

什么是电磁干扰？

电磁干扰是指任何可能扰乱电子设备预期运行的不需要的电磁能量。

电磁兼容性是指电子设备在不引起或不受电磁干扰影响的情况下运行的能力。

一个电磁干扰问题需要一个干扰源、一个耦合路径和一个受扰对象。

电源（100-3000W）中的电磁干扰源

开关电源由于电压和电流的快速切换，固有地会产生电磁干扰，从而在高频下产生谐波。

具有快速上升和下降时间的现代功率开关是高频噪声的主要来源。

其他来源包括二极管反向恢复、变压器屏蔽振铃以及并联电容器或整流器之间的振铃。

此功率范围内的军用电源通常包含电磁干扰滤波器。

分析：电源中更高功率密度和更快开关速度的趋势加剧了电磁干扰的挑战。此范围内的军用电源虽然通常包含初始滤波，但仍需要仔细设计以减轻其运行产生的固有噪声。为了在尺寸和重量限制内实现所需的功率输出，军用电源通常采用高开关频率。虽然这提高了效率并减小了组件尺寸，但它固有地导致更高频率的电磁干扰产生增加。了解此功率范围内开关电源的特定噪声特性对于有效的电磁兼容设计至关重要。

共模噪声和差模噪声

差模噪声是电源线和回线之间流动的电流。

共模噪声是电源线和回线一起流向地（机箱）的电流。即使是很小的共模电流也会导致显著的辐射发射。

开关电源会产生差模噪声和共模噪声。

分析：区分共模噪声和差模噪声至关重要，因为它们需要不同的抑制技术。共模噪声由于其辐射趋势，通常更难抑制。差模噪声通常可以通过线间滤波器解决，而共模噪声则需要线对地滤波器和共模扼流圈。在军事系统中，辐射发射受到严格控制以防止探测或干扰敏感设备，因此管理共模噪声尤为重要。

军事环境中的电磁干扰

军用设备在恶劣的电磁环境中运行，周围存在高功率的无线电和雷达照射。

军械电磁辐射危害和电磁脉冲的可能性进一步增加了复杂性。

与商业标准相比，军事电磁兼容标准涵盖更宽的频率范围，并具有更严格的限制。

分析：军用电源系统不仅要设计成最大限度地减少自身的电磁干扰，还要能够抵抗其运行环境中存在的高水平电磁能量。这种双重需求需要强大的电磁兼容设计实践。与主要关注消费电子产品之间干扰的商业应用不同，军事环境涉及有意和无意的高功率电磁源。电源必须能够抵抗这些外部场以保持功能，并且其辐射不得干扰其他关键军事系统的运行或被敌方探测到。

3. 电源系统中电磁干扰的耦合途径

电磁干扰可以通过四种主要机制从干扰源耦合到受扰对象：

传导耦合：噪声通过导线、印刷电路板走线和组件之间的直接电气连接传播。这可以是差模或共模。

辐射耦合：电磁场（电场和磁场）通过空气传播并在附近的导体中感应电流。频率越高，辐射越有效。

感性耦合：来自一个导体（承载高di/dt电流）的不断变化的磁场通过互感在附近的回路中感应电压。变压器和电感器是为此设计的，但寄生电感会导致不必要的耦合。

容性耦合：由于寄生电容，导体之间不断变化的电场（由于高dv/dt电压）产生位移电流。这在高频和具有较大电压差的节点之间更为显著。

分析：了解电源产生的电磁干扰的主要耦合路径对于选择适当的抑制技术至关重要。例如，高频开关噪声可能主要通过辐射耦合，需要屏蔽，而较低频率的谐波可能通过传导耦合，需要滤波。电源的设计，包括其开关频率、组件布局和印刷电路板布局，都显著影响着主要的电磁干扰耦合机制。通过分析电路并识别潜在的高di/dt和dv/dt节点，工程师可以预测噪声传播的主要路径，然后实施有针对性的对策。

4. 军工电源系统的关键电磁兼容设计技巧

接地：

适当的接地对于安全和电磁兼容都至关重要。接地是零电压参考和不需要电流的低阻抗路径。它与电流回路不同。

接地策略：

单点接地（星形接地）：将所有接地点连接到单个参考点，以最大限度地减少接地环路，适用于较低频率。

多点接地：在多个位置连接接地点，通常在高频下与接地平面一起使用，以最大限度地减少阻抗。

接地平面：

为高频电流提供低阻抗回流路径，减少回路电感和辐射发射。

充当辐射电磁干扰的屏蔽。

应保持完整和连续，避免分割，因为分割会迫使回流电流采取更长的路径，从而增加电磁干扰。

声明： 本网站所发布文章，均来自于互联网，不代表本站观点，如有侵权，请联系删除。