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開關(guān)電源電磁干擾分析及其抑制

時(shí)間:2008-11-10 13:32:00來(lái)源:fenghy

導(dǎo)語(yǔ):?功率開關(guān)器件的高額開關(guān)動(dòng)作是導(dǎo)致開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾(EMI)的主要原因。開關(guān)頻率的提高一方面減小了電源的體積和重量
引言 功率開關(guān)器件的高額開關(guān)動(dòng)作是導(dǎo)致開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾(EMI)的主要原因。開關(guān)頻率的提高一方面減小了電源的體積和重量,另一方面也導(dǎo)致了更為嚴(yán)重的EMI問(wèn)題。如何減小產(chǎn)品的EMI,使其順利通過(guò)FCC或IEC1000等EMC標(biāo)準(zhǔn)論證測(cè)試,已成為目前急須解決的問(wèn)題。 1 EMI分析 輸入為交流220V,經(jīng)功率二極管整流橋變?yōu)橹绷髯鳛榉醇ぷ儞Q器的輸入,輸出為三組直流:+5V,15V,12V,另外有一輔助電源5V,用來(lái)給光耦PC817供電??刂齐娐酚梅答伩刂?,選用TOPSwicth系列的TOP223Y芯片。 開關(guān)電源工作時(shí),其內(nèi)部的電壓和電流波形都是在非常短的時(shí)間內(nèi)上升和下降的,因此,開關(guān)電源本身是一個(gè)噪聲發(fā)生源。開關(guān)電源的干擾按噪聲源種類分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。使電源產(chǎn)生的干擾不至于對(duì)電子系統(tǒng)和電網(wǎng)造成危害的根本辦法是削弱噪聲發(fā)生源,或者切斷電源噪聲和電子系統(tǒng)、電網(wǎng)之間的耦合途徑。 本電路中,交流輸入電壓Ui經(jīng)功率二極管整流橋變?yōu)檎颐}動(dòng)電壓,經(jīng)電容C12平滑后變?yōu)橹绷鳎娙蓦娏鞯牟ㄐ尾皇钦也ǘ敲}沖波。 電流中含有高次諧波。大量電流諧波分量流入電網(wǎng),造成對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。另外,由于電流是脈沖波,使電源輸入功率因數(shù)降低。 2 EMI的抑制 2.1 高次諧波的抑制 在電路中采用共模扼流圈L11來(lái)抑制高次諧波。開關(guān)電源二根進(jìn)線而言,存在共模干擾和差模干擾。 在差模干擾信號(hào)作用下,干擾源產(chǎn)生的電流i,在磁芯中產(chǎn)生方向相反的磁通Φ,磁芯中等于沒(méi)有磁通,線圈電感幾乎為零。因此不能抑制差模干擾信號(hào)。 在共模干擾信號(hào)作用下,兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同,有相互加強(qiáng)的作用,每一線圈電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍。因此,這種接法的電磁線圈對(duì)共模干擾有很強(qiáng)的抑制作用。 電路中在電網(wǎng)與整流橋之間插入一共模扼流圈,該扼流圈對(duì)電網(wǎng)頻率的差模網(wǎng)側(cè)電流呈現(xiàn)極低的阻抗,因而對(duì)電網(wǎng)的壓降極低;而對(duì)電源產(chǎn)生的高頻共模噪聲,等效阻抗較高,因而可以得到希望的插入損耗。 2.2 扼流圈L11與C11組成低通濾波器 扼流圈L11的等效電感為L(zhǎng),以電源端作為輸入,電網(wǎng)方向作為輸出。 其傳遞函數(shù)為 G(s)= = (1) 幅值為 A(ω)=|G(jω)|= (2) 相位為 L(ω)=201gA(ω)=-201g (3) 在低頻段ω<< 時(shí),A(ω)≈1,L(ω)≈0 在高頻段ω>> 時(shí),A(ω)≈ ,L(ω)≈-401gωLC11如圖5所示。由此可見,以上LC網(wǎng)絡(luò)組成的低通濾波器,可濾除ω0=1/LC11以上的高次諧波。 2.3 共模和差模濾波器方案 本電路主要的EMI問(wèn)題是電源噪聲傳入電網(wǎng),將原來(lái)的共模扼流圈L11與電容C11及C12組成的濾波電路變?yōu)殡娐?。L1,L2,C1可除去差模干擾,L3,C2,C3可除去共模干擾。L1,L2為不易磁飽和的材料;C1可選陶瓷電容;L3為共模扼流圈;選定C=C2=C3及截止頻率fo,則可根據(jù)L3=1/〔(2πfo)2C〕計(jì)算L3;選定C1及截止頻率fo,可根據(jù)L1=L2=1/〔2(2πfo)2C1〕計(jì)算L1及L2。 2.4 緩沖電路 由于開關(guān)的快速通斷,開關(guān)電流、電壓波形為脈沖形式,產(chǎn)生噪聲污染,增大了電源輸出紋波,影響了電源的性能。 在電路中,輸入為交流220V,經(jīng)整流后電容上的電壓約為交流有效值的1.2~1.4倍,即最大時(shí)為Ucm=220×1.4=308V。另外,變壓器副邊折合到原邊的電壓Up=Un×88/9,Un取副邊第一繞組的電壓,一般為9V左右,使穩(wěn)壓輸出為5V。則Up=88V。因此,開關(guān)關(guān)斷時(shí)所要承受的總電壓Ut=Ucm+Up=308+88=396V??梢娪斜匾獙?duì)開關(guān)進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。電路選用的TOPSwitch開關(guān)芯片,其內(nèi)部有過(guò)壓保護(hù)和緩沖電路。為保險(xiǎn)起見,還增加了外部的緩沖電路,由R和C組成。 未加入緩沖電路和加入緩沖電路之后開關(guān)管電壓ut和管電流ic及關(guān)斷功耗pt的波形所示。加RC緩沖電路后,開關(guān)電壓上升速率變慢,噪聲減弱,抑制了EMI,并且開關(guān)功耗變小,使管子不致因過(guò)流過(guò)熱而損壞。緩沖電路中的R在開關(guān)開通,電容C放電時(shí)起限流作用,避免對(duì)開關(guān)管的沖擊。 對(duì)于開關(guān)開通時(shí)的電流沖擊,由于有變壓器原邊線圈Np的限流,在電路中沒(méi)加限流電感。 2.5 光電隔離 Flyback電路中使用PC817光耦對(duì)主電路和控制電路進(jìn)行隔離。電源電路中,開關(guān)的控制非常重要,精度、穩(wěn)定性要求高,且控制電路對(duì)噪聲敏感,一旦有噪聲,控制電路中的控制信號(hào)就會(huì)紊亂,嚴(yán)重影響電源的工作和性能。因此,用PC817將電源中的兩部分進(jìn)行隔離,這樣便防止了噪聲通過(guò)傳導(dǎo)的途徑傳入到控制電路中。 3 結(jié)語(yǔ) 通過(guò)EMI分析及采用相應(yīng)的抑制方法,設(shè)計(jì)的開關(guān)電源具有抗電磁干擾性強(qiáng),電源穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。在縫紉機(jī)伺服控制系統(tǒng)中,滿足了對(duì)三菱模塊(IPM)的驅(qū)動(dòng)控制,使電機(jī)運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定。

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