《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 開關(guān)電源的干擾及其抑制
開關(guān)電源的干擾及其抑制
摘要: 開關(guān)電源作為電子設(shè)備的供電裝置,具有體積小、重量輕,、效率高等優(yōu)點(diǎn),,在數(shù)字電路中得到了廣泛的應(yīng)用,,然而由于工作在高頻開關(guān)狀態(tài),屬于強(qiáng)干擾源,其本身產(chǎn)生的干擾直接危害著電子設(shè)備的正常工作。因此,,抑制開關(guān)電源本身的電磁噪聲,同時(shí)提高其對(duì)電磁干擾的抗擾性,,以保證電子設(shè)備能夠長(zhǎng)期安全可靠地工作,,是開發(fā)和設(shè)計(jì)開關(guān)電源的一個(gè)重要課題。
Abstract:
Key words :

  0 引言

  開關(guān)電源作為電子設(shè)備的供電裝置,,具有體積小,、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn),,在數(shù)字電路中得到了廣泛的應(yīng)用,,然而由于工作在高頻開關(guān)狀態(tài),屬于強(qiáng)干擾源,其本身產(chǎn)生的干擾直接危害著電子設(shè)備的正常工作,。因此,抑制開關(guān)電源本身的電磁噪聲,,同時(shí)提高其對(duì)電磁干擾的抗擾性,,以保證電子設(shè)備能夠長(zhǎng)期安全可靠地工作,是開發(fā)和設(shè)計(jì)開關(guān)電源的一個(gè)重要課題,。

 

  1 開關(guān)電源干擾的產(chǎn)生

  開關(guān)電源的干擾一般分為兩大類:一是開關(guān)電源內(nèi)部元器件形成的干擾,;二是由于外界因素影響而使開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾。兩者都涉及到人為因素和自然因素,。

  1.1 開關(guān)電源內(nèi)部干擾

  開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI主要是由基本整流器產(chǎn)生的高次諧波電流干擾和功率變換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾,。

  1.1.1基本整流器

  基本整流器的整流過程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因?yàn)楣ゎl交流正弦波通 
過整流后不再是單一頻率的電流,,而變成一直流分量和一系列頻率不同的諧波分量,,諧波(特別是高次諧波)會(huì)沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾,使前端電流發(fā)生畸變,,一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變,,另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。

  1 1.2功率變換電路

  功率變換電路是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心,,它產(chǎn)帶較寬且諧波比較豐富,。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要元器件為

  1)開關(guān)管開關(guān)管及其散熱器與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容,當(dāng)開關(guān)管流過大的脈沖電流(大體上是矩形波)時(shí),,該波形含有許多高頻成份,;同時(shí),關(guān)電源使用的器件參數(shù)如開關(guān)功率管的存儲(chǔ)時(shí)間,,輸出級(jí)的大電流,,開關(guān)整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間,會(huì)造成回路瞬間短路,,產(chǎn)生很大短路電流,,另外,開關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器或儲(chǔ)能電感,,在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間,,變壓器初級(jí)出現(xiàn)很大的涌流,造成尖峰噪聲,。

  2)高頻變壓器 開關(guān)電源中的變壓器,,用作隔離和變壓,但由于漏感的原因,,會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)噪聲,;同時(shí),在高頻狀況下變壓器層間的分布電容會(huì)將一次側(cè)高次諧波噪聲傳遞給次級(jí),而變壓器對(duì)外殼的分布電容形成另一條高頻通路,,使變壓器周圍產(chǎn)生的電磁場(chǎng)更容易在其他引線上耦合形成噪聲,。

  3)整流二極管二次側(cè)整流二極管用作高頻整流時(shí),由于反向恢復(fù)時(shí)間的因素,,往往正向電流蓄積的電荷在加上反向電壓時(shí)不能立即消除(因載流子的存在,,還有電流流過)。一旦這個(gè)反向電流恢復(fù)時(shí)的斜率過大,,流過線圈的電感就產(chǎn)生了尖峰電壓,,在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾,其頻率可達(dá)幾十MHz,。

  4)電容,、電感器和導(dǎo)線開關(guān)電源由于工作在較高頻率,會(huì)使低頻元件特性發(fā)生變化,,由此產(chǎn)生噪聲,。

  1.2 開關(guān)電源外部干擾

  開關(guān)電源外部干擾可以以“共模”或“差模”方式存在。干擾類型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進(jìn)行變化,。其中也包括電壓變化,、頻率變化、波形失真,、持續(xù)噪聲或雜波以及瞬變等,,電源干擾的類型見表1。

電源干擾類型

  在表1中的幾種干擾中,,能夠通過電源進(jìn)行傳輸并造成設(shè)備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波,,而靜電放電等干擾只要電源設(shè)備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象,,就不會(huì)造成因電源引起的對(duì)用電設(shè)備的影響,。

  2 開關(guān)電源干擾耦合途徑

  開關(guān)電源干擾耦合途徑有兩種方式:一種是傳導(dǎo)耦合方式,另一種是輻射耦合方式,。

  2.1 傳導(dǎo)耦合

  傳導(dǎo)耦合是騷擾源與敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一,。傳導(dǎo)耦合必須在騷擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接,電磁騷擾沿著這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設(shè)備,,產(chǎn)生電磁干擾,。按其耦合方式可分為電路性耦合、電容性耦合和電感性耦合,。在開關(guān)電源中,,這3種耦合方式同時(shí)存在,互相聯(lián)系,。

  2.1.1電路性耦合

  電路性耦合是最常見,、最簡(jiǎn)單的傳導(dǎo)耦合方式。其又有以下幾種:

  1)直接傳導(dǎo)耦合導(dǎo)線經(jīng)過存在騷擾的環(huán)境時(shí),即拾取騷擾能量并沿導(dǎo)線傳導(dǎo)至電路而造成對(duì)電路的干擾,。

  2)共阻抗耦合由于兩個(gè)以上電路有公共阻抗,,當(dāng)兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí),一個(gè)電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會(huì)影響到另一個(gè)電路,,這就是共阻抗耦合,。形成共阻抗耦合騷擾的有電源輸出阻抗、接地線的公共阻抗等,。

  2.1.2電容性耦合

  電容性耦合也稱為電耦合,由于兩個(gè)電路之生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖,,其頻間存在寄生電容,,使一個(gè)電路的電荷通過寄生電容影響到另一條支路。

  2.1.3 電感性耦合

  電感性耦合也稱為磁耦合,,兩個(gè)電路之間存在互感時(shí),,當(dāng)干擾源是以電源形式出現(xiàn)時(shí),此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)形成干擾,。

  2.2 輻射耦合

  通過輻射途徑造成的騷擾耦合稱為輻射耦合,。輻射耦合是以電磁場(chǎng)的形式將電磁能量從騷擾源經(jīng)空間傳輸?shù)浇邮芷鳌Mǔ4嬖?種主要耦合途徑:天線耦合,、導(dǎo)線感應(yīng)耦合,、閉合回路耦合和孔縫耦合。

  2.2.1 天線與天線間的輻射耦合

  在實(shí)際工程中,,存在大量的天線電磁耦合,。例如,開關(guān)電源中長(zhǎng)的信號(hào)線,、控制線,、輸入和輸出引線等具有天線效應(yīng),能夠接收電磁騷擾,,形成天線輻射耦合,。

  2.2.2 電磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線的感應(yīng)耦合

  開關(guān)電源的電纜線一般是由信號(hào)回路的連接線、功率級(jí)回路的供電線以及地線一起構(gòu)成,,其中每一根導(dǎo)線都由輸入端阻抗,、輸出端阻抗和返回導(dǎo)線構(gòu)成一個(gè)回路。因此,,電纜線是內(nèi)部電路暴露在機(jī)箱外面的部分,,最易受到騷擾源輻射場(chǎng)的耦合而感應(yīng)出騷擾電壓或騷擾電流,沿導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)備形成輻射騷擾,。

  2.2.3 電磁場(chǎng)對(duì)閉合回路的耦合

  電磁場(chǎng)對(duì)閉合回路的耦合是指回路受感應(yīng)最大部分的長(zhǎng)度小于波長(zhǎng)的1/4,。在輻射騷擾電磁場(chǎng)的頻率比較低的情況下,輻射騷擾電磁場(chǎng)與閉合回路的電磁耦合。

  2.2.4 電磁場(chǎng)通過孔縫的耦合

  電磁場(chǎng)通過孔縫的耦合是指輻射騷擾電磁場(chǎng)通過非金屬設(shè)備外殼,、金屬設(shè)備外殼上的孔縫,、電纜的編織金屬屏蔽體等對(duì)其內(nèi)部的電磁騷擾。

  3 抑制干擾的一些措施

  形成電磁干擾的三要素是騷擾源,、傳播途徑和受擾設(shè)備,。因而,抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面人手,,采取適當(dāng)措施,。首先應(yīng)該抑制騷擾源,直接消除干擾原因,;其次是消除騷擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射,,切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力,,減低其對(duì)噪聲的敏感度,。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁騷擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道。常用的方法是屏蔽,、接地和濾波,。

  1)采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾,即用電導(dǎo)率良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽,,用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽,。屏蔽有兩個(gè)目的,一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出,,二是防止外來的輻射干擾進(jìn)入該內(nèi)部區(qū)域,。其原理是利用屏蔽體對(duì)電磁能量的反射、吸收和引導(dǎo)作用,。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射,,電磁騷擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響,可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來加工屏蔽罩,,然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體,,就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。

  2)所謂接地,,就是在兩點(diǎn)間建立傳導(dǎo)通路,,以便將電子設(shè)備或元器件連接到某些叫作“地”的參考點(diǎn)上。接地是開關(guān)電源設(shè)備抑制電磁干擾的重要方法,,電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用,。在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則,如果形成多點(diǎn)接地,,會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路,,當(dāng)磁力線穿過該環(huán)路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲,。實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”,因此,,為降低接地阻抗,,消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地,利用一個(gè)導(dǎo)電平面作為參考地,,需要接地的各部分就近接到該參考地上,。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅值,。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中,,應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路,、功率電路的地線單獨(dú)連接后,,再連接到公共參考點(diǎn)上。

  3)濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的有效方法,,在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)中具有極其重要的作用。EMI濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元,,可以抑制來自電網(wǎng)的干擾對(duì)電源本身的侵害,,也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。在濾波電路中,,還采用很多專用的濾波元件,,如穿心電容器、三端電容器,、鐵氧體磁環(huán),,它們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)或選擇濾波器,,并正確地安裝和使用濾波器,,是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。

  選擇濾波器時(shí)要注意以下幾點(diǎn):

  (1)明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率,,如兩者非常接近,,則需要應(yīng)用頻率特性非常陡峭的濾波器,才能把兩種頻率分開,;
  (2)保證濾波器在高壓情況下能夠可靠地工作,;
  (3)濾波器連續(xù)通以最大額定電流時(shí),其溫升要低,,以保證在該額定電流連續(xù)工作時(shí),,不破壞濾波
器中元件的工作性能;
  (4)為使工作時(shí)的濾波器頻率特性與設(shè)計(jì)值相符合,,要求與它連接的信號(hào)源阻抗和負(fù)載阻抗的數(shù)值等于設(shè)計(jì)時(shí)的規(guī)定值:
  (5)濾波器必須具有屏蔽結(jié)構(gòu),,屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸,,濾波器的電容引線應(yīng)盡量短,最好選用短引線低電感的穿心電容,;
  (6)要有較高的工作可靠性,,因?yàn)樽鞣雷o(hù)電磁干擾用的濾波器,其故障往往比其他元器件的故障更難找,。

  安裝濾波器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

  (1)電源線路濾波器應(yīng)安裝在離設(shè)備電源人口盡量靠近的地方,,不要讓未經(jīng)過濾波器的電源線在設(shè)備框內(nèi)迂回;

  (2)濾波器中的電容器引線應(yīng)盡可能短,,以免因引線感抗和容抗在較低頻率上諧振,;

  (3)濾波器的接地導(dǎo)線上有很大的短路電流通過,會(huì)引起附加的電磁輻射,,故應(yīng)對(duì)濾波器元件本身進(jìn)行良好的屏蔽和接地處理,;

  (4)濾波器的輸人和輸出線不能交叉,否則會(huì)因?yàn)V波器的輸入和輸出電容耦合通路引起串?dāng)_,,從而降低濾波特性,,通常的辦法是輸入和輸出端之間加隔板或屏蔽層。

  4 結(jié)語

  開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的因素還有很多,,抑制電磁干擾還有大量的工作要做,。全面抑制開關(guān)電源的各種噪聲將使開關(guān)電源更加安全可靠地運(yùn)行。

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