剖析开关电源电磁搅扰发生原因

电磁兼容(ElectroMagneticCompatibility,简称EMC)是指电子设备或体系在其电磁环境能正常作业,且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁打扰的才能。它包含电磁搅扰(EMI)和电磁敏感(EMS)两方面的内容。EMI是指电器产品向外宣布搅扰。EMS是指电器产品反抗电磁搅扰的才能。一台具备杰出电磁兼容性的设备应既不受周围电磁噪声的影响,也不对周围环境构成电磁搅扰。电磁搅扰的三个要素是搅扰源、耦合通道和敏感体。按捺开关电源发生的搅扰对确保电子体系的正常安稳运行具有十分重要的含义,电磁搅扰的按捺技能首要包含削弱搅扰的能量,阻隔和减弱噪声耦合途径及进步设备对电磁打扰的反抗才能等。本文剖析了开关电源电磁搅扰发生原因,介绍了开关电源电磁搅扰按捺技能及规划办法。

1.开关电源电磁搅扰的发生

开关电源一般是将工频交流电整流为直流电,然后经过开关管的操控使其变为高频,再经过整流滤波电路输出,得到安稳的直流电压。工频整流滤波运用大容量电容充、放电,开关管高频通断,输出整流二极管的反向恢复等作业进程中发生了极高的di/dt和du/dt,构成了激烈的浪涌电流和尖峰电压,它是开关电源电磁搅扰发生的最基本原因。别的,开关管的驱动波形,MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形状的周期波。因而,其频率是MHz等级的,这些高频信号对开关电源的基本信号,特别是操控电路的信号构成搅扰。

1.1输入整流电路的谐波搅扰

开关电源输入端一般选用桥式整流、电容滤波电路。整流桥只有在脉动电压超过输入滤波电容上的电压时才能导通,电流才从市电电源输入,并对滤波电容充电。一旦滤波电容上的电压高于市电电源的瞬时电压,整流管便截止。所以,输入电路的电流是脉冲性质的,并且有着丰厚的高效谐波电流。这是由于整流电路的非线性特性,整流桥交流侧的电流严峻失真。

而直流侧的谐波次数是n倍。所以,整流电路直流侧高频谐波电流不只使电路发生功率,增加电路的无功功率,并且高频谐波会沿着传输线路发生传导搅扰和辐射搅扰。

1.2开关电路发生的搅扰

开关电路在开关电源中起着关键的效果,一起也是首要的搅扰源之一。开关管负载为高频变压器初级线圈,是感性负载。其在导通瞬间,初级线圈发生很大的涌流,并在初级线圈的两头出现较高的浪涌尖峰电压;在断开瞬间,由于初级线圈的漏磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻构成带有尖峰的衰减震荡,叠加在关断电压上,构成关断电压尖峰。假如尖峰有足够高的起伏,那么很有或许把开关管击穿。

1.3高频变压器发生的共模传导打扰

高频变压器是开关电源中完成能量储存、阻隔、输出、电压改换的重要部件,它的漏感和散布电容对电路的电磁兼容功能发生较大的影响。由于初级线圈有漏磁通,致使一部分能量没有传输到次级线圈,而是经过集电极电路中的电容、电阻构成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上,构成关断电压尖峰,发生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变,这个噪声会传导到输入、输出端,构成传导打扰,重者有或许击穿开关管。别的,高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路或许会发生较大的空间辐射,构成辐射打扰。

开关电源的调频变压器初次级之间存在着散布电容。用一个设备电容(设备对地的散布电容)来与整个开关电源等效,就构成了搅扰通道。共模搅扰经过变压器的耦合电容,经过设备电容再回来大地,就得到一个由变压器耦合电容与设备电容构成的分压器。脉冲变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路或许会发生较大的空间辐射,构成辐射打扰。

1.4散布及寄生参数引起的开关电源噪声

开关电源的散布参数是大都搅扰的内涵因素,开关电源和散热器之间的散布电容、变压器初次级之间的散布电容、原副边的漏感都是噪声源。共模搅扰便是经过变压器初、次级之间的散布电容以及开关电源与散热器之间的散布电容传输的。其中变压器绕组的散布电容与高频变压器绕组结构、制作工艺有关。开关电源与散热器之间的散布电容与开关管的结构以及开关管的安装方法有关。选用带有屏蔽的绝缘衬垫能够减小开关管与散热器之间的散布电容。

在高频作业下的元件都有高频寄生特性,对其作业状况发生影响。高频作业时导线变成了发射线、电容变成了电感、电感变成了电容、电阻变成了共振电路,当频率过高时各元件的频率特性发生了相当大的改变。为了确保开关电源在高频作业时的安稳性,规划开关电源时要充分考虑元件在高频作业时的特性,挑选运用高频特性比较好的元件。别的,在高频时,导线寄生电感的感抗显著增加,由于电感的不可控性,最终使其变成一根发射线,也就成为了开关电源中的辐射搅扰源。

2.按捺电磁搅扰的办法

开关电源存在着共模搅扰和差模搅扰两种电磁搅扰方式。依据前面剖析的电磁搅扰源,结合它们的耦合途径,能够从EMI滤波器、吸收电路、接地和屏蔽等几个方面来按捺搅扰,把电磁搅扰衰减到答应极限之内。

2.1交流输入EMI滤波器

滤波是一种按捺传导搅扰的办法,在电源输入端接上滤波器能够按捺来自电网的噪声对电源本身的侵害,也能够按捺由开关电源发生并向电网反应的搅扰。电源滤波器作为按捺电源线传导搅扰的重要单元,在设备或体系的电磁兼容规划中具有极其重要的效果。电源进线端一般选用如图1所示的EMI滤波器电路。该电路能够有效地按捺交流电源输入端的低频差模打扰和高频段共模打扰。在电路中,跨接在电源两头的差模电容Cx1、Cx2(亦称X电容)用于滤除差模搅扰信号,一般选用陶瓷电容器或聚脂薄膜电容器,电容值一般取0.1~0.47F。而中心连线接地的共模电容Cy1和Cy2(亦称Y电容)则用来短路共模噪声电流,取值规模一般为C1=C2#2200pF。按捺电感L1、L2一般取100~130H,共模扼流圈L是由两股等同并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成,一般要求其电感量L#15~25mH。当负载电流渡过共模扼流圈时,串联在火线上的线圈所发生的磁力线和串联在零线上线圈所发生的磁力线方向相反,它们在磁芯中彼此抵消。因而,即使在大负载电流的情况下,磁芯也不会饱满。而关于共模搅扰电流,两个线圈发生的磁场是同方向的,会出现较大电感,然后起到衰减共模搅扰信号的效果。

2.2运用吸收电路

开关电源发生EMI的首要原因是电压和电流的急剧改变,因而需求尽或许地下降电路中电压和电流的改变率(du/dt和di/dt)。采取吸收电路能够按捺EMI,其基本原理便是在开关关断时为其供给旁路,吸收积蓄在寄生散布参数中的能量,然后按捺搅扰的发生。能够在开关管两头并联如图2(a)所示的RC吸收电路,开关管或二极管在注册和关断进程中,管中发生的反向尖峰电流和尖峰电压,能够经过缓冲的办法予以克服。缓冲吸收电路能够削减尖峰电压的起伏和削减电压波形的改变率,这关于半导体器材运用的安全性非常有好处。与此一起,缓冲吸收电路还下降了射频辐射的频谱成份,有益于下降射频辐射的能量。箝位电路首要用来避免半导体器材和电容器被击穿的风险。兼顾箝位电路维护效果和开关电源的效率要求,TVS管的击穿电压挑选为初级绕组感应电压的1.5倍。当TVS上的电压超过必定起伏时,器材迅速导通,然后将浪涌能量泄放掉,并将浪涌电压的幅值约束在必定的起伏。在开关管漏极和输出二极管的正极引线上可串联带可饱满磁芯线圈或微晶磁珠,材质一般为钴,当经过正常电流时磁芯饱满,电感量非常小。一旦电流要反向流过时,它将发生非常大的反电势,这样就能有效地按捺二极管的反向浪涌电流。

2.3屏蔽办法

按捺辐射噪声的有效办法便是屏蔽。能够用导电功能杰出的资料对电场进行屏蔽,用磁导率高的资料对磁场进行屏蔽。为了避免变压器的磁场走漏,使变压器初次级耦合杰出,能够运用闭合磁环构成磁屏蔽,如罐型磁芯的漏磁通就显着比E型的小很多。开关电源的连接线,电源线都应该运用具有屏蔽层的导线,尽量避免外部搅扰耦合到电路中。或许运用磁珠、磁环等EMC元件,滤除电源及信号线的高频搅扰。可是,要注意信号频率不能遭到EMC元件的搅扰,也便是信号频率要在滤波器的通带之内。整个开关电源的外壳也需求有杰出的屏蔽特性,接缝处要契合EMC规则的屏蔽要求。经过上述办法确保开关电源既不受外部电磁环境的搅扰也不会对外部电子设备发生搅扰。

2.4变压器的绕制

在规划高频变压器时必须把漏感减到最小。由于漏感越大,发生的尖峰电压幅值越高,漏极箝位电路的损耗就越大,这必然导致电源效率下降。减小变压器的漏感一般选用削减原边绕组的匝数、增大绕组的宽度、减小各绕组之间的绝缘层等办法。

变压器首要的寄生参数为漏感、绕组间电容、交叉耦合电容。变压器绕组间的交叉耦合电容为共模噪声流过整个体系供给了通路。

在变压器的绕制进程中选用法拉第屏蔽来减小交叉耦合电容。法拉第屏蔽简单来说便是用铜箔或铝箔包绕在原边绕组和副边绕组之间,构成一个表面屏蔽层阻隔区,并接地,其华夏边绕组和副边绕组交织绕制,以减小交叉耦合电容。在安装规程上一般要求散热器接地,那么开关管漏极与散热器之间的寄生电容就为共模噪声供给了通路,能够在漏极和散热器之间加一铜箔或铝箔并接地以减小此寄生电容。

2.5接地技能的使用

开关电源需求重视地线的连接,地线承担着参阅电平的重担,特别是操控电路的参阅地,如电流检测电阻的地电平缓无阻隔输出的分压电阻的地电平。

(1)设备的信号接地。设备的信号接地,或许是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参阅点,它为设备中的所有信号供给了一个公共参阅电位。如浮地和混合接地,别的还有单点接地和多点接地。

(2)设备接大地。在工程实践中,除仔细考虑设备内部的信号接地外,一般还将设备的信号地,机壳与大地连在一起,以大地作为设备的接地参阅点。

操控信号的地电平衰减应尽或许的小,因而,选用操控部分一点接地,然后将公共连接点再单点接至功率地。这种接地方法能够使噪声源和敏感电路别离。别的,地线尽量铺宽,对空白区域可敷铜填满,力求下降地电平差错和EMI。

 


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