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。

电磁干扰三要素

能量传播的途径

EMI(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。

EMS(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。

屏蔽技术

滤波技术

接地技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。