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电磁兼容在数据中心模块化UPS的设计应用
  • 信息时代IT产品的应用范围扩大,如果市电出现故障,不间断电源(UPS)的保护显得非常重要,这对数据中心是至关重要的,因为其所提供的保护远远超出其本身提供电源的作用。它是集自动控制技术、电力电子技术为一体的高功率密度的电源产品,而UPS本身是一个大的电磁波发射源,犹如一个电磁干扰发生器,可能对周围的环境和设备产生电磁干扰,同时自身的控制系统又可能受到周围电磁环境干扰,使UPS工作故障甚至损坏。所以,高质量的UPS必须具有良好的电磁兼容特性。

    1 UPS的电磁兼容特性
      
      模块化UPS与箝入式仪器一样,有许多优点;灵活性强、费用较低、性能选择范围大、大量的软件工具可用、充分利用PC技术、适合多通道大规模系统集成、便于为多功能便携的测试设备服务等。
      
      随着人类对模块化UPS的不断开发和利用,人们越来越注意到模块化UPS在造福人类的同时,也存在着危害的一面,UPS本身是一个大的电磁波发射源,可能对周围的环境和设备产生电磁干  扰,因而,近年来国家相继规定了相关的电磁兼容标准,例如,销售到欧洲的电子产品必须通过CE认证,美国则要求通过FCC认证,中国目前逐步要求通过CCC认证等。
      
      因此,合格的UPS必须符合电磁兼容相关的标准和要求。
      
      2 UPS所产生的电磁干 扰特性
      
      (1)电磁干 扰三要素
      
      任何电磁干 扰问题都包含三个要素,即干 扰源、敏感源和耦合路径,这三个要素中缺少一个,电磁干 扰问题就不会存在。因此,在解决电磁干 扰问题时,也要从这三个要素入手进行分析,查清这三个要素是什么,然后根据具体情况,采取适当的措施消除其中的一个。
      
      (2)能量传播的途径
      
      电磁能量从设备内传出或从外界传入设备的途径只有两个;一个是以电磁波的形式从空间传播,称之为辐射发射,另一个是以电流的形式沿导线传播,称之为传导发射。
      
      3 电磁兼容性设计̶如何抑制电磁干 扰
      
      (1)EMC设计程序
      
      EMC(电磁兼容)设计从分析任务的电磁环境和功能要求开始,首先在方案设计的基础上对系统频谱特性进行分析预测;重点编制EMC设计规范;包括确定系统的电磁环境要求,明确电磁环境试验要求;对系统内各分系统及其设备进行EMC分析,预估计系统内的电磁环境状况,选定现行有效的EMC标准,并根据实际工程要求作适当裁剪;提出电路设计、结构设计、工艺设计要求及对接地和搭接、布局和布线、屏蔽、滤波、隔离等设计技术的具体实施约定等。
      
      (2)EMC设计和研究的技术内容
      
      ①EMI(电磁干 扰):传导发射、幅射发射;从电源线传导出来的电磁干 扰;从信号线、控制线传导出来的电磁干 扰;从产品壳体(包括产品中的所有电缆)幅射出来的电磁骚扰;从电源线传导出来的谐波电流(Harmonic);电源产生的电压波动和闪烁测量。
      
      ②EMS(电源抗扰度性能);敏感度从电源端口传入的传导干 扰、电源端口的电快速瞬变脉冲群、信号线、控制线端口的电快速瞬变脉冲群、电源端口的浪涌和雷击、信号线、控制线端口的浪涌和雷击、从空间传递给产品(壳体及所有电缆)的电磁辐射、电源端口的电压跌落与中断、静电放电。
      
      4 电磁兼容常用到的控制技术
      
      ①屏蔽技术
      
      机箱(柜)屏蔽和设备内部某些元器件的屏蔽用于切断骚扰通过空间传播的途径;
      
      ②滤波技术
      
      用于切断沿导线传播的传导骚扰。电源线、信号线和控制线端口一般采用低通滤波器来滤除频率较高的共模骚扰(线-地间骚扰)和差模骚扰(线-线间的骚扰);
      
      ③接地技术
      
      接地可以理解为一个等电位点或等电位面,是电路或系统的基准电位,但不一定为大地电位。
      
      UPS产品EMC试验中不能达标或安装在系统中工作不正常,到底是什么原因造成?怎样分析是这些原因,如何分析和判断其原因,我们要关注以下情况:
      
      屏蔽——怎样完整!——屏蔽必须要保证屏蔽的完整性;
      
      滤波——怎样有效果!——滤波必须要保证滤波的有效性;
      
      接地——怎样合理!——接地必须要保证接地的合理性。
      
      5 屏蔽、滤波、接地方法的具体要求与实施
      
      (1)屏蔽外壳结构设计要求(机箱、机柜的屏蔽)实际机箱上有许多泄漏源:不同部分结合处的缝隙通风口、显示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等(见图1)。
      
      屏蔽是利用导电或导磁材料制成的壳、板、套、筒等各种形状的屏蔽体,将电磁能量制限在一定空间范围内的抑制辐射干 扰的一种有效措施。对于含有数字电路的设备往往是必要的,特别是通过辐射发射或敏感度测试,是必需的。屏蔽能有效抑制通过空间传播的电磁干 扰。

       采用屏蔽的目的有两个:一是限制设备内部的辐射电磁能越出某一区域。二是防止外部的辐射电磁能进入某一区域。在较低的频率范围内,干 扰一般发生在近场。
      
      (2)实心材料屏蔽效能的计算(见图2)
      
      电磁波在穿过屏蔽体时发生衰减是因为能量有了损耗,这种损耗可以分为两部分:反射损耗和吸收损耗。
      
      可用屏蔽效能(SE)对屏蔽罩的适用性进行评估,其单位是dB,计算公式为SE(dB)=A(dB)+R(dB)+B(dB)
      
      其中A:吸收损耗(dB);R:反射损耗(dB);B:校正因子(dB)
      
      一个简单的屏蔽罩会使电磁场强度降至最初的十分之一,即SE等于20dB。吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量,它与场强频率(f)、金属的相对磁导率(μr)、金属的相对电导率(σr)、屏蔽罩厚度相关。

      反射损耗(近场)的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离。
      
      (3)EMI滤波器的作用(为什么要装滤波器?)(见图3)
      
      电源滤波器的主要作用、功能:
      
      ①抑制传导发射干 扰、提高敏感电路的抗干 扰能力—低频;
      
      ②与屏蔽体结合抑制幅射发射干 扰、提高敏感电路的抗干 扰能力;
      
      ③消除地环路噪声(设备之间、板卡之间联接)、是十分必要的。
      
      无论是抑制(内、外)干 扰源、消除传导发射、辐射发射或提高敏感电路的抗干 扰能力,消除地环路,都可以采用滤波技术。用EMI滤波器将无用的干 扰频率滤除。保证电路系统工作正常。
      
      (4)接地、搭接技术要点
      
      传统定义:在从事电路设计的人员范围内,如果谁提出这样一个问题:什么是地线,地线起什么作用?马上会引起同事的嘲笑。因为电路接地实在是再自然不过的事情了。定义也在教科书中不知陈述过多少遍:地线就是电路中的电位参考点,它为系统中的所有电路提供一个电位基准。
      
      新定义:如上所述,传统定义仅给出了地线应该具有的等电位状态,并没有反映真实地线的情况。因此用这个定义无法分析实际的电磁兼容问题。新的定义将地线定义为信号流回源的低阻抗路径。这个定义突出了电流的流动。当电流流过有限阻抗时,必然会导致电压降,因此这个定义反映了实际地线上的电位情况。
      
      电气设备从安全的角度考虑,接地是十分必要的。从电路工作的角度看,接地也是必要的。
      
      (5)接地的目的
      
      “接地”一般指电路或系统与“地”之间建立低阻通路,其中一点通常是系统的一个电气或电子元(组)件,而另一点则是称之为“地”的参考点。
      
      接地类型:

        系统、设备中:

      
      我们重点关注信号(工作)接地:即“等电位参考点”,地线引发干 扰问题的原因,地线干 扰的问题是许多人感到困惑的问题。有经验的电路工程师在分析干 扰故障时,知道要用示波器检查地线上的噪声电压,但是对这种噪声产生的原因并不是很清楚。结果是面对噪声电压束手无策。
      
      V=IR→地线电压→地线是等电位的假设不成立,电流走最小阻抗路径→我们并不知道地电流的确切路径→→地电流失去控制。
      
      应用上面给出的信号地的定义,结合我们具备的电路常识,很容易发现地线噪声的秘密:地线不是等电位体。欧姆定律指出,电流流过一个电阻时,就要在电阻上产生电压。我们用作地线的导体都是有一定阻抗的,实际上,设计不当的地线的阻抗相当大。因此地线电流流过地线时,就会在地线上产生电压。我们在设计电路时,往往将地线作为所有电路的公共地线,因此地线上的电流成份很多,电压也很杂乱,这就是地线噪声电压。
      
      地线噪声电压的严重性:地线噪声意味着地线并不是我们做设计时假设的、可以作为电位参考点的等电位体,实际的地线上各点的电位是不相同的。这样,我们设计电路的假设(前提)就被破坏了,电路也就不能正常工作了。这就是地线造成电磁干 扰现象的实质。
      
      (6)关注“频率较高的电流”
      
      接地可以理解为一个等电位点或等电位面,是电路或系统的基准电位,但不一定为大地电位。为了防止共地线干 扰,每个设备中可能有多种接地线,但概括起来可以分为单点接地,多点接地,串接接地,并联接地,串、并联混合接地。图4是串联单点接地和并联单点接地的示意图。为了抑制噪声,一般工作接地又根据供电电压、数字和模拟电路等分别设置地线。设备的地线布置一般采用树形结构,最后三类地线都连接到设备的一个接地点上。
      
      6 结束语
      
      从设计的一开始就考虑采取各种措施,避免电磁兼容问题。由于在设计阶段采取电磁兼容措施,因此可以采取电路与结构相结合的技术措施。采取这种方法通常能在正式产品完成之前解决90%的电磁兼容问题。在产品的最后阶段解决电磁兼容问题不仅困难大,而且成本很高。
      
      个人简介
      
      余承亮,高级工程师,泰派斯特公司电磁兼容事业部技术专家。曾任中船重工705所陕西海泰电子公司电磁兼容事业部技术专家。
      
      编辑:Harris
      
      

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