开关电源中电磁干扰的产生及其抑制

摘要:电磁干扰对开关电源的效率和安全性及使用的影响日益成为人们关注的热点。本文分析了开关电源中电磁干扰产生的原因和传播路径,并提出了抑制干扰的有效措施。

    关键词:开关电源电磁干扰耦合通道电磁屏蔽

    1、引言

    电磁兼容EMC是英文electromagneticcompatibility的缩写。它包括两层含义,一是设备在工作中产生的电磁辐射必须限制在一定水平内,二是设备本身要有一定的抗干扰能力,它必须具备三个要素:干扰源、耦合通道、敏感体。给电子线路供电的开关电源对于干扰的抑制对保证电子系统的正常稳定运行具有重要意义。本文通过分析开关电源中的干扰源和耦合通道,提出了抑制干扰的有效措施。并提出了开关电源变压器的设计和制作方法。

    2、开关电源中的干扰源和耦合通道

    开关电源首先将工频交流电整流为直流电,然后经过开关管的控制变为高频,最后经过整流滤波电路输出,得到稳定的直流电压,因此,自身含有大量的谐波干扰。同时,由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰,都会产生不同程度的电磁干扰。开关电源中的干扰主要集中在电压、电流变化大(即dv/dt或di/dt很大)的元器件上,尤其是开关管、输出二极管和高频变压器等。同时,杂散电容会将电网的噪声传导到电子系统的电源而对电子线路的工作产生干扰。

    这里我们来分析一下几种干扰产生的原因及其耦合的路径。

    2.1输出整流滤波电路产生的滤波干扰开关电源输出端普遍采用桥式整流,电容滤波电路。由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用,使得输出电流成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流,如图1所示。这种畸变的输入电流,它除了基波外,还含有丰富的高次谐波分量。

    2.2开关电路产生的干扰

    如图2a所示开关电路的核心也是主要的干扰源之一,它主要由开关管和高频变压器组成。开关管产生的dv/dt具有较大的脉冲,频带较宽且谐波丰富。这种脉冲干扰产生的主要原因是:

    (1)在开关管导通瞬间,变压器初级线圈产生很大的涌流,并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压;在开关断开瞬间,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,储藏在漏感中的这部分能量将和开关管本身的极间电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在开关管的关断电压上,形成关尖峰电压。这个噪音声会传导到输入输出端,形成传导干扰。(2)输出二极管在正向导通时,PN接内的电荷被积累,二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。由于二次整流回路中V在开关转换时频率很高,即由导通转变为截止的时间很短,在短时间内要让存储电荷消失就产生反向电流的浪涌。由于直流输出中的分布电容、分布电感的存在,使因浪涌引起的干扰成为高频衰减减振荡。

    (3)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可能产生较大的空间辐射,形成辐射干扰。

    如图2b所示,I1是变压器初级线圈电流,I2是二次线圈电流,VDS是开关管漏源极间电压,VD是二次侧输出二极管上两端电压。开关管关独断时产生频率为f1的干扰,而输出二极管反向电流引起频率为f2的干扰。

    2.3干扰的耦合通道

    由于变压器的初次级线圈间存在杂散电容,开关电路产生的共模干扰通过变压器在原副边相互传播。相比较而言,差模干扰路径比较简单也易于处理。本文主要介绍共模干扰的产生和抑制。

    3、抑制干扰的措施

    下面就几种干扰讲我们制作开关电源时的抑制方法。

    3.1电源输入EMI滤波器在电源进线端通常采用如图3所示电路。该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。图中各元件的作用:

    (1)L,C1,C2用于滤除共模干扰信号。

    L是共模电感,通常电感量为2MH-33mH左右。

    C1,C2为旁路电容,又称Y电容。电容量要求2200pF左右。电容量过大会影响设备的绝缘性能。(2)C3,C4用于滤除差模干扰信号。

    C3,C4为电源跨接电容,又称X电容。常用陶瓷电容或聚酯薄膜电容。电容量取0.22μF-0.47μF。3.2开关管和输出二极管的缓冲电路

    由于开关管和输出二极管的高速开关引起的干扰,可以通过增加缓冲电路来减少。如图4所示:(1)图4中C1,R1,D1组成snubber电路,吸收残存在变压器漏感中的能量,能够减少开关关断时的浪涌电压。

    (2)图4中C2,R2,D2组成开关管缓冲电路,减少开关管的dv/dt,即减少由此产生的干扰。(3)图4中C3,R3组成输出二极管的缓冲电路,减少di/dt,另外输出二极管应采用肖特基或者超快速恢复二极管。

    3.3高频变压器的设计和制作

    变压器是开关电源的最关键器件之一。变压器不仅要设计合理,在制作上也很有讲究。一个好的变压器既要满足带负荷能力,还要能起到较少和抑制干扰的作用。首先应根据输出负载的大小选择变压器的类型和磁芯的型号。

    确定变压器的线径及线数。依据bobbin的槽宽并以电流密度6A/mm2为参考,综合考虑电流的趋肤效应,决定变压器的线径及线数。

    根据电路的拓扑结构和设计要素,计算初次级绕组的电感量,如果是反激式电源还应计算变压器气隙的大小,气隙的大小决定了变压器的带负载能力,同时也会影响变压器漏感的大小。而漏感是产生干扰的一个重要原因,在满足带负载能力的情况下,漏感以小些为好。

    变压器的结构设计和绕组分配。如图5,变压器有两种常见的绕法:顺序绕法和夹层绕法。顺序绕法一般漏感为原边电感量的5%左右,但由于初,次级只有一个接触面,原副边间杂散电容较小。夹层绕法一般漏感为原边电感量的1-3%左右,但由于初,次级只有一个接触面,原副边间杂散电容较大。漏感是产生干扰的重要因素,原副边间杂散电容是干扰的传播通道,为抑制干扰,既要减少漏感又要减小漏感原副边间杂散电容。因此,设计时应综合考虑这两个方面进行设计,具体采用何种绕法应该根据实际情况而定。

    变压器的屏蔽层。在EMI干扰较强的情况下,常在变压器的初次级之间加入一层屏蔽层,如图6,通过加入屏蔽层切断了初次级间杂散电容的路径,让其都对地形成电容,其屏蔽效果非常好,可以大为减少EMI,同时对于电网串入的瞬态干扰也有一定的抑制作用。但变压器的制作工艺和成本都上升。屏蔽层有铜层和绕线层两种,铜层的效果最佳。

    输出整流滤波为了增加对干扰的滤波效果,可以在电源的二次输出侧加入二级滤波和一个共模电感。如图7所示,L1,C1组成二级滤波电器,滤除差模干扰;L2是输出共模电感,滤除输出电压中所含有的共模干扰。

    3.5PCBLAYOUT应注意的问题

    布线开关电源中包含有高频信号,PCB上任何印制线都可以起到天线的作用,印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗,从而影响频率响应。因此应将所有通过高频交流的电流和印制线设计得尽可能短而宽,这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置的很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比,而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。根据印制线路经电流的大小,应尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻。

    4、结束语

    我们在设计和制作反激式开关电源时,采用了上述措施,变压器采用顺序绕法带铜屏蔽层,输出侧加共模滤波电感后,+5v输出电压波形上的毛刺和纹波的峰值都小于60Mv,而在才用这些措施前毛刺和纹波的峰值大于500Mv。通过比较,我们发现这些措施确实能够对干扰起到很好的作用。抑制开关电源电磁干扰的措施还有很多,比如屏蔽技术、接地等等。在设计开关电源时应综合考虑各种因数,尽可能抑制开关电源的各种噪音,提高开关电源的电磁兼容性,使开关电源得到更广泛的应用。参考文献[1]周志敏,周纪海,纪爱华,单片开关电源北京:电子工业出版社,2004.[2]张占松,蔡宣三。开关电源的原理与设计北京:电子工业出版社,2004.[3]AbrahamIPressmanSwitchingPowerSupplyDonnelleySonsCommpany,1991.[4]POWERINTEGRATIONS,INC.ApplicationNote.PI,1994.

采用变压器的供电电源体积较大,在一些要求小体积的制作中难以使用。本文介绍的小型无变压器电源,能提供3~15V的电压,最大电流150mA,可满足小型电子设备的供电需要。

    电路如图所示,220V经D2整流C1滤波,作为Q1的导通驱动电压,当220V正半周开始、但W滑动端上电压尚未足够大时,Q2处于截止状态,C1上的电压经R4加在Q1的栅极使Q1导通,220V正半周经D1、R5、Q1对电容C2快速充电。当W滑动端的电压升到足以使D3和Q2导通时,Q1栅极失去电压而截止。调节W即可调节对C2的充电时间,也就调节了输出电压。由于Q1的导通时间极短,因此C2选用了大容量电容,以保证有较平滑的输出电压。

    电路中R5是限流电阻,可减小对C2充电电流的峰值。稳压管D5是为了防止Q1因栅极电压过高损坏而设。D4用作输出保护,当C2两端电压过高时D4、Q2导通,使Q1截止。因在市电的负半周时电路不工作,为了加大输出电流,可在输入端加接一整流桥,使市电的正负半周都能得到利用,这样可使输出电流增加80mA,同时还能改善输出电压的平滑度。在实际应用时可将电位器W、R3用一个固定电阻代替。在输出电压稳定度要求高时,可加接三端稳压IC。

    此电路简单,只要焊接无误即可工作。该电路无隔离措施,使用时电源的L线、N线不要接错。

 


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