《電子技術(shù)應用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 設計應用 > 開關電源的EMC設計
開關電源的EMC設計
摘要: 開關電源因體積小,、功率因數(shù)較大等優(yōu)點,,在通信、控制,、計算機等領域應用廣泛,。但由于會產(chǎn)生電磁干擾,,其進一步的應用受到一定程度上的限制。本文將分析開關電源電磁干擾的各種產(chǎn)生機理,,并在其基礎之上,,提出開關電源的電磁兼容設計方法。
Abstract:
Key words :

  開關電源因體積小,、功率因數(shù)較大等優(yōu)點,,在通信、控制、計算機等領域應用廣泛,。但由于會產(chǎn)生電磁干擾,,其進一步的應用受到一定程度上的限制。本文將分析開關電源電磁干擾的各種產(chǎn)生機理,,并在其基礎之上,,提出開關電源的電磁兼容設計方法。

  開關電源的電磁干擾分析

  開關電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示,。首先將工頻交流整流為直流,,再逆變?yōu)楦哳l,最后再經(jīng)整流濾波電路輸出,,得到穩(wěn)定的直流電壓,。電路設計及布局不合理、機械振動,、接地不良等都會形成內(nèi)部電磁干擾,。同時,變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰,,也是潛在的強干擾源,。

AC/DC開關電源基本框圖

  
圖1  AC/DC開關電源基本框圖

  1 內(nèi)部干擾源

  ● 開關電路

  開關電路主要由開關管和高頻變壓器組成。開關管及其散熱片與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容,,它產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖,,頻帶較寬且諧波豐富。開關管負載為高頻變壓器初級線圈,,是感性負載,。當原來導通的開關管關斷時,高頻變壓器的漏感產(chǎn)生了反電勢E=-Ldi/dt,,其值與集電極的電流變化率成正比,,與漏感成正比,迭加在關斷電壓上,,形成關斷電壓尖峰,,從而形成傳導干擾。

  

 

● 整流電路的整流二極管

  輸出整流二極管截止時有一個反向電流,,其恢復到零點的時間與結(jié)電容等因素有關,。它會在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下產(chǎn)生很大的電流變化di/dt,產(chǎn)生較強的高頻干擾,,頻率可達幾十兆赫茲,。

  ● 雜散參數(shù)

  由于工作在較高頻率,開關電源中的低頻元器件特性會發(fā)生變化,,由此產(chǎn)生噪聲,。在高頻時,雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大,而分布電容成為電磁干擾的通道,。

  2 外部干擾源

  外部干擾源可以分為電源干擾和雷電干擾,,而電源干擾以“共模”和“差模”方式存在。同時,,由于交流電網(wǎng)直接連到整流橋和濾波電路上,,在半個周期內(nèi),只有輸入電壓的峰值時間才有輸入電流,,導致電源的輸入功率因數(shù)很低(大約為0.6),。而且,該電流含有大量電流諧波分量,,會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”,。

  開關電源的EMC設計

  產(chǎn)生電磁干擾有3個必要條件:干擾源、傳輸介質(zhì),、敏感設備,,EMC設計的目的就是破壞這3個條件中的一個。針對于此,,主要采取的方法有:電路措施,、EMI濾波、屏蔽,、印制電路板抗干擾設計等,。

  1 降低開關損耗和開關噪聲的軟開關技術(shù)

  軟開關是在硬開關基礎上發(fā)展起來的一種基于諧振技術(shù)或利用控制技術(shù)實現(xiàn)的在零電壓/電流狀態(tài)下的先進開關技術(shù)。

  軟開關的實現(xiàn)方法是:在原電路中增加小電感、電容等諧振元件,在開關過程前后引入諧振,,消除電壓、電流的重疊,。圖2給出了一種使用軟開關技術(shù)的基本開關單元。

降壓斬波器中的基本開關單元

  
圖2  降壓斬波器中的基本開關單元

  2 減小干擾源干擾能量的緩沖電路

  在開關控制電源的輸入部分加入緩沖電路(見圖3),,其由線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡組成,,用于消除電力線干擾、電快速瞬變,、電涌、電壓高低變化和電力線諧波等潛在的干擾,。緩沖電路器件參數(shù)為D1為MUR460,,R1=500Ω,C=6nF,,L=36mH,,R=150Ω。

緩沖電路

  
圖3  緩沖電路

  3 切斷干擾噪聲傳播路徑的EMI濾波

  在開關電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器,是抑制傳導發(fā)射的一個很有效方法,。其參數(shù)主要有:放電電阻,、插入損耗、Cx電容,、Cy電容和電感值,。其中,插入損耗是濾波器性能的一個關鍵參數(shù),。在考慮機械性能,、環(huán)境、成本等前提下,,應該盡量使插入損耗大一些,。用共模、差模干擾的測量結(jié)果與標準限值,,加上適當?shù)脑A靠傻玫綖V波器的插入損耗IL,。

  ILCM(dB)=Vcm(dB)-Vlimt(dB)-3(dB)+M(dB)                     (1)

  ILDM(dB)=VDM(dB)-Vlimt(dB)-3(dB)+M(dB)                    (2)

  式中,3dB表示在分離共模,、差模傳導干擾的測試過程中測試結(jié)果比實際值大3dB,;M(dB)表示設計裕量,一般取6dB,;Vlimit(dB)為相關標準如CISPR,FCC等規(guī)定的傳導干擾限值,。        圖4是220V/50Hz交流輸入的開關電源交流側(cè)EMI濾波器的電路。Cy=3300pF,,L1,、L2=0.7mH,它們構(gòu)成共模濾波電路,,抑制0.5~30MHz的共模干擾信號,。Cx=0.1μF,L3,、L4=200~500μH,,采用金屬粉壓磁芯,與L1/L2,、Cx構(gòu)成L-N端口間低通濾波器,,用于抑制電源線上存在的0.15~ 0.5MHz差模干擾信號。R用于消除可能在濾波器中出現(xiàn)的靜電積累,。

 

 

開關電源交流側(cè)EMI濾波器電路

  
圖4  開關電源交流側(cè)EMI濾波器電路

  圖5是開關電源的直流輸出側(cè)濾波電路,,它由共模扼流圈L1、L2,,扼流圈L3和電容C1,、C2組成,。為了防止磁芯在較大的磁場強度下飽和而使扼流圈失去作用,磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場強度大的恒μ磁芯,。

支流側(cè)濾波電路

  
圖5  支流側(cè)濾波電路

  4 用屏蔽來抑制輻射及感應干擾

 

  開關電源干擾頻譜集中在30MHz以下的頻段,,直徑r<λ/2π,主要是近場性質(zhì)的電磁場,且屬低阻抗場,??捎脤щ娏己玫牟牧蠈﹄妶銎帘危脤Т怕矢叩牟牧蠈Υ艌銎帘?。此外,,還要對變壓器、電感器,、功率器件等采取有效的屏蔽措施,。屏蔽外殼上的通風孔最好為圓形,在滿足通風的條件下,,孔的數(shù)量可以多,,每個孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接,,以保證電磁的連續(xù)性,。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施,。對于電場屏蔽,,屏蔽外殼一定要接地。對于磁場屏蔽,,屏蔽外殼不需接地,。

 

  5 合理的PCB布局及布線

  敏感線路主要是指控制電路和直接與干擾測量設備相連的線路。要降低干擾水平,,最簡單的方法就是增大干擾源與敏感線路的間距,。但由于受電源尺寸的限制,單純的增大間距并非解決問題的最佳途徑,,更為合理的方法是根據(jù)干擾電場的分布情況將敏感線路放在干擾較弱的地方,。PCB抗干擾布局設計流程如圖6所示。

PCB抗干擾布局設計流程

  
圖6  PCB抗干擾布局設計流程

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。