《電子技術(shù)應(yīng)用》
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開關(guān)電源中電磁干擾的抑制
摘要: 本文針對一種桌面式180W塑殼開關(guān)電源(負(fù)載是12V/15A的半導(dǎo)體制冷冰箱,,電源外形大小205mm×90mm×62mm)所存在的電磁干擾超標(biāo)問題,從原理上進(jìn)行了分析,,并探討了解決方案。
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       0 引言

  隨著開關(guān)電源技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟,,各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹂_關(guān)電源的需求也不斷增長,,但是,開關(guān)電源存在嚴(yán)重的電磁干擾()問題,。它不僅對電網(wǎng)造成污染,,直接影響到其它用電電器的正常工作,而且作為輻射干擾闖入空間,,對空間也造成電磁污染,。于是便產(chǎn)生了開關(guān)電源的電磁兼容(EMC)問題。電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力,。

  開關(guān)電源的電磁干擾可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩大類,。傳導(dǎo)干擾通過交流電源傳播,頻率低于30 MHz,。輻射干擾通過空氣傳播,,頻率在30MHz以上,。

  本文針對一種桌面式180W塑殼開關(guān)電源(負(fù)載是12V/15A的半導(dǎo)體制冷冰箱,電源外形大小205mm×90mm×62mm)所存在的電磁干擾超標(biāo)問題,,從原理上進(jìn)行了分析,,并探討了解決方案。

       1 180 W開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)分析與電磁干擾測試

       1.1 主電路與結(jié)構(gòu)布局分析

  該開關(guān)電源的電路原理如圖1所示,。

開關(guān)電源的電路原理

  電容濾波整流器功率因數(shù)低,,整流二極管導(dǎo)通時間較短,濾波電容充電電流瞬時值的峰值大,,整流后的電流波形為脈動狀,,產(chǎn)生高的諧波電流。

  半橋電路中高頻導(dǎo)通和截止的S1,、S2,、D3、D4和變壓器T1是開關(guān)電源的主要騷擾源,,產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩,,該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波,通過開關(guān)管與散熱器問的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射,。

  該開關(guān)電源的內(nèi)部布局如圖2所示,,左邊是交流電源輸入和直流輸出,靠左邊上下兩側(cè)留有通風(fēng)孔,,風(fēng)機(jī)在右邊,,采用向外抽風(fēng)方式散熱,保證塑殼內(nèi)的熱量及時排出,,避免熱量在塑殼內(nèi)積聚,。該布局的優(yōu)點(diǎn)是通風(fēng)路比較通暢,但也存在缺點(diǎn)—輸入輸出接口安裝得較近,,在它們之間容易產(chǎn)生空間耦合,,形成輻射騷擾。

開關(guān)電源的內(nèi)部布局

       1.2 電磁干擾測試

  表l所列為測得的7~21次諧波電流的數(shù)值,,其中11,、15、17次諧波電流都超標(biāo),。

諧波電流的數(shù)值

  輻射騷擾預(yù)測結(jié)果在30~50MHz和100MHz處超出限值,,如圖4所示。

輻射騷擾預(yù)測結(jié)果

       2 電磁干擾的抑制

 

       2.1 諧波電流的抑制

  采用功率因數(shù)校正可以解決諧波電流超標(biāo)的問題,。有源功率因數(shù)校正采用Boost升壓PFC電路,,功率因數(shù)提高到O.99以上,使得諧波電流很小,,但電路復(fù)雜,,成本也不低,,而且電路中的開關(guān)管和高壓整流二極管的開關(guān)噪聲將成為新的騷擾源,使整機(jī)的EMI達(dá)標(biāo)增加了難度,。

  考慮到在交流輸入電壓(AC 220~250V)范圍內(nèi),,滿足電壓調(diào)整率情況下,適當(dāng)減小濾波電容,,輸入串聯(lián)電阻可以在一定程度上降低濾波電容充電電流瞬時值的峰值,滿足諧波電流限值,,且功率損耗在可以接受的范圍之內(nèi),,整機(jī)電源效率下降不多,也不失為較好方法,。采用這一方法后實(shí)測諧波電流值如表2所列,。

實(shí)測諧波電流值

        2.2傳導(dǎo)騷擾的抑制

  傳導(dǎo)噪聲主要來源半橋中功率開關(guān)管S1及S2以頻率25 kHz交替工作,功率開關(guān)管集電極發(fā)射極電壓Uce和發(fā)射極電流,,,。波形接近矩形波。傅立葉分析表明,,矩形波脈沖具有相當(dāng)寬的頻率帶寬,,含有豐富的高次諧波,脈沖波形的頻譜幅度在低頻段較高,。另外,,功率開關(guān)管在截止期間.高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會產(chǎn)生尖峰干擾,。

  輸入濾波器是為變換器的電磁騷擾電平和外界的電磁騷擾源設(shè)計的一種低阻抗通道(即低通濾波器),,以抑制或去除電磁騷擾,達(dá)到電磁兼容的目的,。

  如圖5所示,,輸人濾波器是由電感(LFI、LF2)和CY電容(C4,、C5)及Cx電容(C1,、C2、C3)組成的低通濾波器電路構(gòu)成,。對頻率較高的噪聲信號有較大的衰減,。C1、C2,、C3是濾除共模干擾的電容,,C4、C5是濾除差模干擾的電容,,LF1,、LF2是共模線圈,。

輸人濾波器

點(diǎn)擊看原圖

 

 

  圖3中低頻傳導(dǎo)干擾(O.15~lMHz范圍)超標(biāo),共模噪聲的主要騷擾源是功率開關(guān)管,,低頻傳導(dǎo)干擾抑制以增加共模電感的電感量為主,,當(dāng)共模電感從原設(shè)計的15mH增加到24mH時,低頻傳導(dǎo)干擾最大處下降30dB,,得到了顯著改善,。如圖6所示。

寄生參數(shù)影響傳導(dǎo)超標(biāo)

  輸入濾波器對20MHz以下噪聲抑制有明顯的效果,。理想輸入濾波器是低通濾波器,,但實(shí)際上是帶阻濾波器 ,電容器的引線電感和電感線圈上的寄生電容,,在頻率較高時影響就不能忽視,。在1MHz時就變得十分明顯了。


 

  當(dāng)開關(guān)電源頻率增加時,,所需的共模電感可大大減小,,共模電感體積也減小。但是,,開關(guān)電源在20MHz以上頻帶的輻射噪聲份量有所增加,,給輻射騷擾的達(dá)標(biāo)帶來麻煩。開關(guān)頻率和共模電感的關(guān)系如表3所列,。

開關(guān)頻率和共模電感的關(guān)系

  由于共模電感線圈存在寄生電容,,高頻噪聲成分經(jīng)過寄生電容向外發(fā)射騷擾,故使用單個大感量共模電感不容易達(dá)到好的高頻濾波效果,,一般采用兩個共模電感,,同樣的電感量抑制高頻噪聲很見效,將有6dB以上的差值,。

  Cx電容器高頻阻抗頻率特性是一個關(guān)系電磁騷擾抑制效果的重要參數(shù),。電容器在高頻使用時等效為r(等效串聯(lián)電阻)+c+L(等效串聯(lián)電感)電路。由于電容器自身的固有電感(即等效串聯(lián)電感)存在,,在頻率低的范圍,,電容器電抗呈容性,在頻率高的范圍,,電容器電抗呈感性,,這時抑制騷擾的能力就明顯下降。電容器的固有引線電感越小和騷擾源的高頻內(nèi)阻抗越大,,則抑制騷擾的效果越好,。

  首先,從電磁騷擾源產(chǎn)生的機(jī)理人手,查找輻射騷擾源的所在,,從根本上降低其產(chǎn)生輻射騷擾噪聲的電平,。在輸出電壓比較低的情況下,輸出整流器和平滑電路的干擾可能比較

 

嚴(yán)重+通過減小環(huán)路面積可以抑制di/dt環(huán)路產(chǎn)生的磁場輻射,。整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài),,也是個高頻騷擾源。二極管的引線寄生電感,、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響,,使之工作在很高的電壓及電流變化率下,且產(chǎn)生高頻振蕩,,二極管反向恢復(fù)的時間也越長,,則尖峰電流的影響也越大。

 

  C4及Cs的引線和連接地引線應(yīng)盡量短,,以使接地阻抗盡量小,噪聲能經(jīng)過電容旁路到地線,,C4及C5取較大電容量濾波效果好,,但是,隨著電容量的增加泄漏電流也增加了,,而泄漏電流值是電氣安全中的重要指標(biāo),,決不允許超過規(guī)定數(shù)值一一般的漏電流限制是3.5 mA,此桌面式塑殼開關(guān)電源屬手持式設(shè)備,,最大漏電流限制為O.75 mA,,實(shí)測值為O.55mA。

  電源輸入線纜要短,,濾波器盡量靠近輸入端口,,避免濾波器輸入輸出發(fā)生耦合,而失去濾波作用,。接地盡量簡短可靠,,減小高頻阻抗,使干擾有效旁路,。經(jīng)過數(shù)次整改后,,得到滿意的結(jié)果如圖7所示。

傳導(dǎo)騷擾合格

       2.3輻射騷擾的抑制

  輻射騷擾足指由任何部件,、天線,、電纜或連接線輻射的電磁干擾。

  通常在電路元件布局上,,應(yīng)盡量使輸入交流和輸出直流插座(包括引線)分開并遠(yuǎn)離,。采用一端輸入另一端輸出是.種合理的布局。但考慮電源內(nèi)部散熱通風(fēng),該電源采用圖2的散熱結(jié)構(gòu),。不可回避的問題是輸入輸出線纜之間可能發(fā)生空間耦合,,當(dāng)有高頻傳導(dǎo)電流通過時就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射。

  首先,,從電磁騷擾源產(chǎn)生的機(jī)理入手,,查找輻射騷擾源的所在,從根本上降低其產(chǎn)生輻射騷擾噪聲的電平,。在輸出電壓比較低的情況下,,輸出整流器和平滑電路的干擾可能比較嚴(yán)重,通過減小環(huán)路面積可以抑制di/dt環(huán)路產(chǎn)生的磁場輻射,。整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài),,也是個高頻騷擾源。二極管的引線寄生電感,、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響,,使之工作在很高的電壓及電流變化率下,且產(chǎn)生高頻振蕩,,二極管反向恢復(fù)的時間也越長,,則尖峰電流的影響也越大。

  鐵氧體磁環(huán)和磁珠使用方便,,價格便宜,,抑制電磁干擾效果明顯。鐵氧體電感的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路,,L和R都是頻率的函數(shù),。電阻值隨著頻率增加而增加,這樣就構(gòu)成了一個低通濾波器,。低頻時R很小,,L起豐要作用,電磁干擾被反射而受到抑制,;高頻時R增大,,電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能,使高頻干擾大大衰減,。不同的鐵氧體抑制元件,,有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導(dǎo)率越高,,抑制的頻率就越低,。此外,鐵氧體的體積越大,,抑制效果越好,。在體積一定時,,長而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好,內(nèi)徑越小抑制效果也越好,。鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近干擾源的地方,。對于輸入、輸出電路,,則應(yīng)盡量靠近屏蔽殼的進(jìn),、出口處。

  整流二極管使用肖特基二極管,,其陽極套鐵氧體磁珠(φ3.5×φ1.3×3.5),,直流輸出線纜用鐵氧體磁環(huán)繞(φ13.5×φ7.5×7)2.5圈且靠近出口處。整改后輻射干擾最大處下降了約lOdB,,但40MHz和100 MHz處余量較小,,準(zhǔn)峰值測試僅有5dB裕量??紤]到認(rèn)證過程繁瑣,,周期長,而且各個認(rèn)證檢測服務(wù)中心之間允許有2~3dB的誤差,,產(chǎn)品的預(yù)測應(yīng)在6dB以上的裕量為合適,,如圖8所示。

3m法電波暗室測試

3m法電波暗室測得

  鐵氧體磁珠,、鐵氧體磁環(huán)的使用對騷擾源噪聲的抑制有了較大改善,,如仍還不能滿足要求,,只好采用屏蔽措施,,在輸入輸出之間用2mm厚的鋁板隔離,以切斷通過空間耦合形成的電磁噪聲傳播途徑,。結(jié)果輻射騷擾噪聲裕量達(dá)到了12dB以上,,抑制噪聲效果相當(dāng)明顯。通過以上措施大 大降低輻射騷擾噪聲電平,,如圖9所示,。

 


  3m法電波暗室與IOm法電波暗室測試規(guī)定限值的轉(zhuǎn)換:由于標(biāo)準(zhǔn)GB9254認(rèn)定ITE(信息技術(shù)設(shè)備)在10m測量距離處得到輻射騷擾限值,而較多的EMC檢測服務(wù)中心是在3m電波暗室內(nèi)測試,,因?yàn)閳鰪?qiáng)大小與距離成反比,,所以在3m法中測得的噪聲電平比在10m法時的噪聲電平值要下降10 dB。

 

  圖4,、圖8,、圖9是由3m法電波暗室測得,其輻射騷擾限值為30~230MHz準(zhǔn)峰值限值40dB,,230~1000MHz準(zhǔn)峰值限值47dB,。圖10是由10m法電波暗室測得,圖9與圖lO比較,輻射噪聲波形相差不多,。僅在兒個頻率點(diǎn)的噪聲電平略有增加,。

10m法電波暗室測

  3 結(jié)語

  經(jīng)過以上的整改后,再次測試l80W電源的電磁兼容完全達(dá)到了設(shè)計要求,。在電源設(shè)計初期解決EMI問題,,結(jié)構(gòu)尚未定型,可選用的方法多,,有利于降低成本,。

  除以上所述的抑制措施外,還有其它一些方案,,但設(shè)計方案都要兼顧電源成本,。

  與EMI相關(guān)的因素多且復(fù)雜,僅做到上述的幾點(diǎn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,,還有接地技術(shù),、PCB布局走線等都是很重要的。電磁兼容的設(shè)計任重而道遠(yuǎn),,我們要不斷進(jìn)行研究,,以使我國的電子產(chǎn)品電磁兼容水平與國際同步。

 

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