开关电源电磁兼容设计实例

1、对电流谐波的按捺

通常电容器C5的容量很大,其两头电压纹波很小,大概只要输入电压的10%左右,而仅当输入电压Ui大于电容器C5两头电压的时分,整流二极管才导通,因而在输入电压的一个周期内,整流二极管的导通时刻很短,即导通角很小。这么整流电路中将呈现脉冲尖峰电流,如图3所示。

这种脉冲尖峰电流如用傅立叶级数打开,将被当作由十分多的高次谐波电流构成,这些谐波电流将会下降电源设备的运用功率,即功率因数很低,并会倒灌到电网,对电网发生污染,严峻时还会导致电网频率的波动,即交流电源闪耀。脉冲电流谐波和交流电源闪耀测验规范为:IEC61000-3-2及IEC61000-3-3。通常测验脉冲电流谐波的上限是40次谐波频率。

处理整流电路中呈现脉冲尖峰电流过大的办法是在整流电路中串联一个功率因数校对(PFC)电路,或差模滤波电感器。PFC电路通常为一个并联式升压开关电源,其输出电压通常为直流400V,没有经功率因数校对之前的电源设备,其功率因数通常只要0.4~0.6,经校对后最高可到达0.98。PFC电路尽管能够处理整流电路中呈现脉冲尖峰电流过大的疑问,但又会带来新的高频搅扰疑问,这相同也要进行严厉的EMC规划。用差模滤波电感器能够有用地按捺脉冲电流的峰值,然后下降电流谐波搅扰,但不能进步功率因数。

图2中的L1为差模滤波电感器,差模滤波电感器通常用矽钢片资料制作,以进步电感量,为了避免大电流流过差模滤波电感器时发生磁饱满,通常差模滤波电感器的两个组线圈都各自留有一个漏感磁回路。

 

L1差模滤波电感可依据试验求得,也能够依据下式进行核算:E=L*di/dt (1)

式中E为输入电压Ui与电容器C5两头电压的差值,即L1两头的电压降,L为电感量,di/dt为电流上升率。显然,请求电流上升率越小,则请求电感量就越大。

2、对振铃电压的按捺

因为变压器的初级有漏感,当电源开关管V1由饱满导通到截止关断时会发生反电动势,反电动势又会对变压器初级线圈的分布电容进行充放电,然后发生阻尼振荡,即发生振铃,如图4所示。变压器初级漏感发生反电动势的电压起伏通常都很高,其能量也很大,如不采纳保护办法,反电动势通常都会把电源开关管击穿,一起反电动势发生的阻尼振荡还会发生很强的电磁辐射,不但对机器自身形成严峻搅扰,对机器周边环境也会发生严峻的电磁搅扰。

图2中的D1、R2、C6是按捺反电动势和振铃电压起伏的有用电路,当变压器初级漏感发生反电动势时,反电动势经过二极管D1对电容器C6进行充电,相当于电容器把反电动势的能量吸收掉,然后下降了反电动势和振铃电压的起伏。电容器C6充满电后,又会经过R2放电,准确挑选RC放电的时刻常数,使电容器在下次充电时的剩下电压刚好等于方波电压的起伏,此刻电源的工作功率最高。

3、对传导搅扰信号的按捺

图1中,当电源开关管V1导通或许关断时,在电容器C5、变压器T1的初级和电源开关管V1构成的电路中会发生脉动直流i1,假如把此电流回路当作是一个变压器的“初级线圈”,因为电流i1的变化速率很高,它在“初级线圈”中发生的电磁感应,也会对周围电路发生电磁感应,咱们能够把周围电路都当作是同一变压器的多个“次级线圈”,一起变压器T1的漏感也相同对各个“次级线圈”发生感应效果,因而电流i1经过电磁感应,在每个“次级线圈”中都会发生的感应电流,咱们分别把它们记为i2、i3、i4 ···。

其间i2和i3是差模搅扰信号,它们能够经过两根电源线传导到电网的其它线路之中和搅扰其它电子设备;i4是共模搅扰信号,它是电流i1回路经过电磁感应其它电路与大地或机壳构成的回路发生的,而且其它电路与大地或机壳是经过电容耦合构成回路的,共模搅扰信号能够经过电源线与大地传导到电网其它线路之中和搅扰其它电子设备。

与电源开关管V1的集电极相连的电路,也是发生共模搅扰信号的首要原因,因为在全部开关电源电路中,数电源开关管V1集电极的电位最高,最高可达600V以上,其它电路的电位都比它低,因而电源开关管V1的集电极与其它电路(也包含电源输入端的引线)之间存在很强的电场,在电场的效果下,电路会发生位移电流,这个位移电流根本归于共模搅扰信号。

图2中的电容器C1、C2和差模电感器L1对i1、i2和i3差模搅扰信号有很强的按捺能力。因为C1、C2在电源线拔出时还会带电,简单触电伤人,所以在电源输入的两头要接一个放电电阻R1。

 

对共模搅扰信号i4要进行彻底按捺,通常很艰难,特别是没有金属机壳屏蔽的情况下,因为在感应发生共模搅扰信号的回路中,其间的一个“元器材”是线路板与大地之间的等效电容,此“元器材”的数值通常是不稳定的,进行规划时对指标要留有满足的余量。图2中L2和C3、C4是共模搅扰信号按捺电路器材,在输入功率较大的电路中,L2通常要用两个,乃至三个,其间一个多为环形磁心电感。

依据上面剖析,发生电磁搅扰的原因首要是i1流过的首要回路,这个回路首要由电容器C5、变压器T1初级和电源开关管V1构成,依据电磁感应原理,这个回路发生的感应电动势为:e=dψ/dt=S*dB/dt (2)

式中e为感应电动势,ψ为磁通量,S电流回路的面积,B为磁感应密度,其值与电流强度成正比,dψ/dt为磁通变化率。由此可见,感应电动势与电流回路的面积成正比。因而要削减电磁搅扰,首先是要设法减小电流回路的面积,特别是i1电流流过的回路面积。别的,为了削减变压器漏感对周围电路发生电磁感应的影响,一方面请求变压器的漏感要做得小,另一方面必定要在变压器的外围包一层薄铜皮,以构成一个低阻抗短路线圈,把漏感发生的感应能量经过涡流损耗掉。

4、对辐射搅扰信号的按捺

电磁辐射搅扰也是经过电磁感应的办法,由带电体或电流回路及磁感应回路对外发生电磁辐射的。任何一根导体都能够当作是一根电磁感应天线,任何一个电流回路都能够当作是一个环形天线,电感线圈和变压器漏感也是电磁感应辐射的主要器材。要想彻底按捺电磁辐射是不可能的,但经过对电路进行合理规划,或许采纳有些屏蔽办法,能够大大减轻电磁搅扰的辐射。

例如,尽量缩短电路引线的长度和减小电流回路的面积,是减小电磁辐射的有用办法;准确运用储能滤波电容,把储能滤波电容尽量近地装置在有源器材电源引线的两头,每个有源器材独立供电,或单独用一个储能滤波电容供电(充满电的电容能够当作是一个独立电源),避免各电路中的有源器材(放大器)经过电源线和地线发生串扰;把电源引线的地和信号源的地严厉分隔,或对信号引线采纳双线并行对中交叉的办法,让搅扰信号互相抵消,也是一种减小电磁辐射的有用办法;使用散热片也能够对电磁搅扰进行部分屏蔽,对信号引线还能够采纳双地线并行屏蔽的办法,让信号线夹在两条平行地线的基地,这相当于双回路,搅扰信号也会互相抵消,屏蔽效果十分显著;机器或灵敏器材选用金属外壳是最佳的屏蔽电磁搅扰办法,但非金属外壳也能够喷涂导电资料(如石墨)进行电磁搅扰屏蔽。

5、对高压的静电的消除

图1中,假如输出电压高于1,000V,有必要思考静电消除。尽管大多数的开关电源都采纳变压器进行“冷热地”阻隔,因为“热地”,也叫“初级地”,经过电网可构成回路,当人体接触到“初级地”的时分会“触电”,所以大家都把“初级地”叫做“热地”,表明不能接触的意思。而“冷地”也叫“次级地”,尽管电压很高,但它与大地不构成回路,当人体接触到“次级地”的时分不会“触电”,因而,大家都把“次级地”叫做“冷地”,表明能够接触的意思。

但不管是"冷地"或许是"热地",其对大地的电位差都不可能是零,即仍是会带电。如彩色电视机中的开关电源,"热地"对大地的电位差大概有400VP-P(峰峰值),"冷地"对大地的电位差大概有1500VP-P(峰峰值)。

“热地”带电比较好了解,而"冷地"带电通常人是难以了解的。那么"冷地"带电这个电压是如何发生的呢?这个电压是由变压器次级发生的,尽管变压器次级的一端与“冷地”衔接,但真实的零电位是在变压器次级线圈的基地,或整流输出滤波电容器介质的基地。这一点称为电源的“浮地”,即它为零电位,但又不与大地相连。由此可知“冷地”带电的电压恰好等于输出电压的一半,如电视机显像管的高压阳极需求大概3万伏的高压,真实的零电位是在高压滤波电容(显像管石墨层之间的电容)的基地,或高压包的基地抽头处,由此能够求出电视机中的冷地与地之间的电压(静电)大概为1,5000V。同理,“热地”回路的“浮地”是在储能滤波电容器C5的基地,所以“热地”正常的带电电压为整流输出的一半,约为200 VP(峰值),如把开关管导通或截止时发生的反电动势也叠加在其之上,大概有400VP-P(峰峰值)。

图2中的R3即是用来下降冷地与大地之间静电电压的,C8的效果是下降冷热地之间的动态电阻。通常数字电路IC的耐压都很低,假如“冷地”带电的电压很高,经过静电感应,或人体接触,很简单就会把IC击穿。

“冷地”带电是归于静电的领域,它只相当于对一个小电容充电,这个小电容的一端是大地,电容量相当于“冷地”对大地之间的等效电容。别的,图2中的C1、C2、C3、C4、C8、R1、R8、T1归于安全器材,运用时要注意安全请求。


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