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蘇爾電氣 開關(guān)電源電磁騷擾抑制

時間:2011-10-21 14:54:16來源:caijuan

導(dǎo)語:?本文講述了開關(guān)電路電磁騷擾(EMD)的產(chǎn)生及傳播途經(jīng),重點介紹抑制開關(guān)電路電磁騷擾的措施和方法,包括選擇合適的開關(guān)電源電路拓撲及工作頻率、選擇合適的電路元器件、增加無源緩沖電路

  本文講述了開關(guān)電路電磁騷擾(EMD)的產(chǎn)生及傳播途經(jīng),重點介紹抑制開關(guān)電路電磁騷擾的措施和方法,包括選擇合適的開關(guān)電源電路拓撲及工作頻率、選擇合適的電路元器件、增加無源緩沖電路、一次整流電路中加功率因數(shù)校正(PFC)網(wǎng)絡(luò)、增加濾波網(wǎng)絡(luò)、接地等,這些措施和方法能明顯減小開關(guān)電路的騷擾。

  隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備或系統(tǒng)之中。開關(guān)電源性能的好壞,直接影響設(shè)備或系統(tǒng)的正常運行。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心,開關(guān)電路在高頻下的通、斷過程產(chǎn)生大幅度的電壓跳變,即產(chǎn)生的dv/dt具有較大幅度的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富,是開關(guān)電源電磁騷擾的主要因素。抑制開關(guān)電路的電磁騷擾已成為提高開關(guān)電源性能的主要途經(jīng)。

  1開關(guān)電路電磁騷擾(EMD)的產(chǎn)生及傳播途經(jīng)

  開關(guān)電源主要由一次整流電路、開關(guān)電路、二次整流電路、反饋觸發(fā)控制電路組成。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心,主要由功率開關(guān)管S和高頻變壓器(L1及L2)組成,如圖1所示。

  1.1開關(guān)電路產(chǎn)生電磁騷擾的原因

  功率開關(guān)管S的負載為高頻變壓器初級線圈L1,是感性負載。在S導(dǎo)通瞬間,L1產(chǎn)生很大的涌流,并在其兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;在S斷開瞬間,由于L1的漏磁通,致使一部分能量沒有從L1傳輸?shù)蕉尉€圈L2,儲藏在漏感中的這部分能量將和漏極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在關(guān)斷電壓上,形成關(guān)斷電壓尖峰,這種電壓會產(chǎn)生與L1接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變,這個噪聲會傳導(dǎo)到輸入輸出端,形成傳導(dǎo)騷擾,重者有可能擊穿開關(guān)管及該電路中其它元器件。

  L1,S和濾波電容C1構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會產(chǎn)生較大的空間輻射,形成輻射騷擾。如果電容C1濾波容量不足或高頻特性不好,電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。

  1.2電磁騷擾的傳播途經(jīng)

  開關(guān)電源中的電磁騷擾對外表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾可分為共模(CommonMode——CM)干擾和差模(DifferentialMode——DM)干擾。由于開關(guān)電路寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)器件的高頻開通與關(guān)斷,使得開關(guān)電源在其輸入端(即交流電網(wǎng)側(cè))產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾。

  共模干擾的特點是干擾的大小和方向一致,存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間。共模干擾也稱為縱模干擾、不對稱干擾或接地干擾。是載流體與大地之間的干擾。

  開關(guān)電路在高頻情況下,由于dv/dt很高,激發(fā)變壓器線圈間、以及開關(guān)管與散熱片間的寄生電容,從而產(chǎn)生了共模干擾。如圖1中的虛線所示,共模干擾電流從具有高dv/dt的開關(guān)管S出發(fā)經(jīng)過分布電容Ci流經(jīng)接地散熱片和地線,再由高頻LISN網(wǎng)絡(luò)(由兩個50Ω電阻等效)流回輸入線路。

  差模干擾的特點是大小相等,方向相反,存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。是施加于載流體之間的干擾。

  開關(guān)電路中的電流在高頻情況下作開關(guān)變化,從而在輸入、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的di/dt,即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應(yīng)了干擾電壓。這時就會產(chǎn)生差模干擾,如圖1中的實線所示。故選用高質(zhì)量的濾波電容(等效電感或阻抗很低)可以降低差模干擾。

  共模干擾說明干擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的,而差模干擾則說明干擾源于同一條電源電路的。通常這兩種干擾是同時存在的,由于線路阻抗的不平衡,兩種干擾在傳輸中還會相互轉(zhuǎn)化,情況十分復(fù)雜。

  2開關(guān)電路電磁騷擾的抑制

  2.1選擇合適的開關(guān)電源電路拓撲及工作頻率

  開關(guān)電源的工作頻率與其產(chǎn)生的騷擾強度密切相關(guān)。低的開關(guān)電源工作頻率不但可以減少騷擾的高頻分量,其傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾的傳播效率也會大大降低。

  2.2選擇合適的電路元器件

  在開關(guān)電路中,開關(guān)管是核心,不同品牌的開關(guān)管輻射騷擾相差可達15~20dB。開關(guān)電路中另一關(guān)鍵部件是脈沖變壓器,脈沖變壓器對電磁兼容的影響表現(xiàn)在兩個方面:一個是初級線圈與次級線圈的分布電容Cd,一個是脈沖變壓器的漏磁。通過在初級線圈與次級線圈間加靜電屏蔽層并引出接地,該接地線盡量靠近開關(guān)管的發(fā)射極接直流輸入的0V地(熱地),這樣可以大大減小分布電容Cd,從而減少了初、次級的電場的耦合騷擾。為了減小脈沖變壓器的漏磁,可以選擇封閉磁芯(如環(huán)形),封閉磁芯比開口磁芯的漏磁小。還可以通過在脈沖變壓器外包高磁導(dǎo)率的屏蔽材料抑制滑磁。從而減小了通過漏磁輻射的騷擾。

  2.3增加無源緩沖電路

  緩沖電路不僅可以抑制開通時的di/dt、限制關(guān)斷時的dv/dt,還具有電路簡單、成本較低的特點,因而得到了廣泛應(yīng)用。

  在開關(guān)電路的S兩端并聯(lián)RC〔如圖2(a)所示〕或DRC〔如圖2(b)所示〕吸收電路,可吸收S接通和斷開瞬間產(chǎn)生的較高的浪涌尖峰電壓,降低開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾。

  2.4一次整流電路中加功率因數(shù)校正(PFC)網(wǎng)絡(luò)

  對一次整流電路來講,最顯著的騷擾是整流電路作為諧波源對交流電網(wǎng)的騷擾,導(dǎo)致交流電網(wǎng)的波形畸變,功率因數(shù)偏低。為解決這個問題,可在一次整流電路加入現(xiàn)成的功率因數(shù)校正(PFC——PowerFactorCorrection)模塊,通過補償可把功率因數(shù)提高到0.99以上。

  2.5增加濾波網(wǎng)絡(luò)

  濾波是抑制干擾的一種有效措施,尤其是在對付開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾和某些輻射干擾方面,具有明顯的效果。電磁干擾(EMI)濾波器是以能夠有效抑制電磁干擾為目標(biāo)的濾波器,可分為信號線EMI濾波器、電源EMI濾波器、印刷電路板EMI濾波器、反射EMI濾波器、隔離EMI濾波器等。

  2.6接地

  2.6.1接地的作用

  電子設(shè)備一般有兩種接地,一種是安全接地,即將機殼接地,以保護工作人員的安全;另一種是工作接地,給電路系統(tǒng)提供一個基準(zhǔn)電位,同時也可將高頻干擾引走。但是,不正確的工作接地反而會增加干擾,比如共地線干擾,地環(huán)路干擾等。

  2.6.2接地的種類及接地要求

  1)單點接地工作接地按工作頻率采用不同的接地方式,工作頻率<1MHz時采用單點接地,地線的長度(L/m)與截面積(S/mm2)的關(guān)系為S>0.83L。

  2)多點接地工作頻率>30MHz時采用多點接地。工作頻率在上述兩者之間的可采用混合接地式。

  3)浮地浮地是電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實現(xiàn)電路或設(shè)備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大優(yōu)點是該電路不受大地電性能的影響,抗干擾性能好。其缺點是由于設(shè)備不與公共地相連,容易在兩者間造成靜電積累,當(dāng)電荷積累到一定程度后,在設(shè)備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電,而成為破環(huán)性很強的騷擾源。

  4)屏蔽地電路的屏蔽體,即用屏蔽材料將電磁輻射源屏蔽起來,并將屏蔽體接地,以降低電磁輻射的干擾。屏蔽體內(nèi)的電路地線只能一點接屏蔽體,而不得利用屏蔽體作返回導(dǎo)體。

  5)電纜的屏蔽層地對于多層屏蔽電纜,每個屏蔽層應(yīng)在一點接地,各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。當(dāng)電纜長度大于工作信號波長的0.15倍時,采用間隔工作信號波長的0.15倍的多點接地式,如果不能實現(xiàn),則至少應(yīng)將屏蔽層兩端接地。

  2.7電路元器件安裝要合理

  電路元器件安裝上應(yīng)使輸入交流和輸出直流插座分開并遠離。布線嚴格分開,簡化電流通路的途徑,減少相互交叉干擾,同時使輸入、輸出布線遠離靜電場和電磁場噪聲產(chǎn)生源。另外,凡是含有大的電流、電壓變化率的器件(功率晶體管和開關(guān)二極管等)的電路應(yīng)合理布局。盡可能縮短具有高的di/dt、dv/dt的布線,減小噪聲輻射源的有效區(qū)域。功率晶體管和開關(guān)二極管與散熱器組裝在一起時,用銅板屏蔽晶體管,以減小由于寄生電容引起的噪聲傳播。

  3結(jié)語

  抑制開關(guān)電源的騷擾是開發(fā)應(yīng)用開關(guān)電源的一個重要課題,因此,在減少和抑制EMI方面,除了上述抗干擾的措施和方法外,還要充分有效地利用了先進的半導(dǎo)體設(shè)計技術(shù)、磁性材料、電感元件技術(shù)、開關(guān)器件技術(shù),如移相式全橋ZVS-PWM技術(shù);零電壓過渡(ZVT)和零電流過渡(ZCT)的PWM技術(shù);功率因數(shù)校正控制技術(shù)等。實踐證明,這些措施和方法對減小開關(guān)電路的騷擾具有明顯的效果。

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