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                        簡析開關電源EMI的產生原因及五大抑制策略

                        文字:[大][中][小] 2018-11-21  瀏覽次數:2483

                        導讀: 隨著開關電源的體積越來越小、功率密度越來越大,EMI控制問題成為開關電源穩定性的一個關鍵因素。由上述分析可知,采用EMI濾波技術、屏蔽技術、密封技術及接地技術等,可以有效地抑制、消除干擾源及受擾設備之間的禍合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑,從而提高開關電源的電磁兼容性。

                         開關電源是一種應用功率半導體器件并綜合電力變換技術、電子電磁技術、自動控制技術等的電力電子產品。因其具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、工作穩定、安全可靠以及穩壓范圍寬等優點,而被廣泛應用于計算機、通信、電子儀器、工業自動控制、國防及家用電器等領域。但是開關電源瞬態響應較差、易產生電磁干擾(EMD,且EMI信號占有很寬的頻率范圍,并具有一定的幅度。這些EMI信號經過傳導和輻射方式污染電磁環境,對通信設備和電子儀器造成干擾,因而在一定程度上限制了開關電源的使用。

                          開關電源產生電磁干擾的原因

                          電磁干擾 (EMI,Electromagneticlnterference)是一種電子系統或分系統受非預期的電磁擾動造成的性能損害。它由三個基本要素組成:干擾源,即產生電磁干擾能量的設備;藕合途徑,即傳輸電磁干擾的通路或媒介;敏感設備,即受電磁干擾而被損害的器件、設備、分系統或系統。基于此,控制電磁干擾的基本措施就是:抑制干擾源、切斷禍合途徑及降低敏感設備對干擾的響應或增加電磁敏感性電平。

                          根據開關電源工作原理知:開關電源首先將工頻交流電整流為直流電,再逆變為高頻交流電,最后經過整流濾波輸出,得到穩定的直流電壓。在電路中,功率三極管、二極管主要工作在開關管狀態,且工作在微秒量級;三極管、二極管在開一閉翻轉過程中,在上升、下降時間內電流變化大、易產生射頻能量,形成干擾源。同時,由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰,也會形成潛在的電磁干擾。

                          開關電源通常工作在高頻狀態,頻率在02 kHz以上,因而其分布電容不可忽略。一方面散熱片與開關管的集電極間的絕緣片,由于其接觸面積較大,絕緣片較薄,因此,兩者間的分布電容在高頻時不能忽略,高頻電流會通過分布電容流到散熱片上,再流到機殼地,產生共模千擾;另一方面脈沖變壓器的初次級之間存在著分布電容,可將初級繞組電壓直接禍合到次級繞組上,在次級繞組作直流輸出的兩條電源線上產生共模干擾。

                          因此 開關電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大,如開關管、二極管、高頻變壓器等元件,以及交流輸人、整流輸出電路部分。

                          抑制開關電源電磁干擾的措施

                          通常開關電源EMI控制主要采用濾波技術、屏蔽技術、密封技術、接地技術等。EMI干擾按傳播途徑分為傳導干擾和輻射干擾。開關電源主要是傳導干擾,且頻率范圍最寬,約為10kHz一30MHz。抑制傳導干擾的對策基本上10kHz一150kHz、150kHz一10MHz、10MHz以上三個頻段來解決。10kHz一150kHz范圍內主要是常態干擾,一般采用通用LC濾波器來解決。150kHz一10 MHz范圍內主要是共模干擾,通常采用共模抑制濾波器來解決。10MHz以上頻段的對策是改進濾波器的外形以及采取電磁屏蔽措施。

                          采用交流輸入EMI濾波器

                          通常干擾電流在導線上傳輸時有兩種方式:共模方式和差模方式。共模干擾是載流體與大地之間的干擾:干擾大小和方向一致,存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間,主要是由du/dt產生的,di/dt也產生一定的共模干擾。而差模干擾是載流體之間的干擾:干擾大小相等、方向相反,存在于電源相線與中線及相線與相線之間。干擾電流在導線上傳輸時既可以共模方式出現,也可以差模方式出現;但共模干擾電流只有變成差模干擾電流后,才能對有用信號構成干擾。

                          交流電源輸人線上存在以上兩種干擾,通常為低頻段差模干擾和高頻段共模干擾。在一般情況下差模干擾幅度小、頻率低、造成的干擾小;共模干擾幅度大、頻率高,還可以通過導線產生輻射,造成的干擾較大。若在交流電源輸人端采用適當的EMI濾波器,則可有效地抑制電磁干擾。電源線EMI濾波器基本原理如圖1所示,其中差模電容C1、C2用來短路差模干擾電流,而中間連線接地電容C3、C4則用來短路共模干擾電流。共模扼流圈是由兩股等粗并且按同方向繞制在一個磁芯上的線圈組成。如果兩個線圈之間的磁藕合非常緊密,那么漏感就會很小,在電源線頻率范圍內差

                          模電抗將會變得很小;當負載電流流過共模扼流圈時,串聯在相線上的線圈所產生的磁力線和串聯在中線上線圈所產生的磁力線方向相反,它們在磁芯中相互抵消。因此即使在大負載電流的情況下,磁芯也不會飽和。而對于共模干擾電流,兩個線圈產生的磁場是同方向的,會呈現較大電感,從而起到衰減共模干擾信號的作用。這里共模扼流圈要采用導磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料。


                          圖1 電源線濾波器基本電路圖

                          利用吸收回路改善開關波形

                          開關 二極管在開通和關斷過程中,由于存在變壓器漏感和線路電感,二極管存儲電容和分布電容,容易在開關管集電極、發射極兩端和二極管上產生尖峰電壓。通常情況下采用RC/RCD吸收回路,RCD浪涌電壓吸收回路如圖2所示。


                          圖2 RCD浪涌電壓吸收回路

                        當吸收回路上的電壓超過一定幅度時,各器件迅速導通,從而將浪涌能量泄放掉,同時將浪涌電壓限制在一定的幅度。在開關管集電極和輸出二極管的正極引線上串接可飽和磁芯線圈或微晶磁珠,材質一般為鈷(Co),當通過正常電流時磁芯飽和,電感量很小。一旦電流要反向流過時,它將產生很大的反電勢,這樣就能有效地抑制二極管VD的反向浪涌電流。

                         

                        利用開關頻率調制技術

                          頻率控制技術是基于開關干擾的能量主要集中在特定的頻率上,并具有較大的頻譜峰值。如果能將這些能量分散在較寬的頻帶上,則可以達到降低于擾頻譜峰值的目的。通常有兩種處理方法:隨機頻率法和調制頻率法。

                          隨機頻率法是在電路開關間隔中加人一個隨機擾動分量,使開關干擾能量分散在一定范圍的頻帶中。研究表明,開關干擾頻譜由原來離散的尖峰脈沖干擾變成連續分布干擾,其峰值大大下降。

                          調制頻率法是在鋸齒波中加人調制波(白噪聲),在產生干擾的離散頻段周圍形成邊頻帶,將干擾的離散頻帶調制展開成一個分布頻帶。這樣,干擾能量就分散到這些分布頻段上。在不影響變換器工作特性的情況下,這種控制方法可以很好地抑制開通、關斷時的干擾。

                          采用軟開關技術

                          開關電源的干擾之一是來自功率開關管通/斷時的du/dt,因此,減小功率開關管通/斷的du/dt是抑制開關電源干擾的一項重要措施。而軟開關技術可以減小開關管通/斷的du/dt。

                          如果 關電路的基礎上增加一個很小的電感、電容等諧振元件就構成輔助網絡。在開關過程前后引人諧振過程,使開關開通前電壓先降為零,這樣就可以消除開通過程中電壓、電流重疊的現象,降低、甚至消除開關損耗和干擾,這種電路稱為軟開關電路。

                          根據上述原理可以采用兩種方法,即在開關關斷前使其電流為零,則開關關斷時就不會產生損耗和干擾,這種關斷方式稱為零電流關斷;或在開關開通前使其電壓為零,則開關開通時也不會產生損耗和干擾,這種開通方式稱為零電壓開通。在很多情況下,不再指出開通或關斷,僅稱零電流開關和零電壓開關,基本電路如圖3和圖4所示。


                          圖3 零電壓開關諧振電路


                          圖4 零電流開關諧振電路

                          通常采用軟開關電路控制技術,結合合理的元器件布局及印制電路板布線、接地技術,對開關電源的EMI干擾具有一定的改善作用。

                          采用電磁屏蔽措施

                          一般采用電磁屏蔽措施都能有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。開關電源的屏蔽措施主要是針對開關管和高頻變壓器而言。開關管工作時產生大量的熱量,需要給它裝散熱片,從而使開關管的集電極與散熱片間產生較大的分布電容。因此,在開關管的集電極與散熱片間放置絕緣屏蔽金屬層,并且散熱片接機殼地,金屬層接到熱端零電位,減小集電極與散熱片間藕合電容,從而減小散熱片產生的輻射干擾。針對高頻變壓器,首先應根據導磁體屏蔽性質來選擇導磁體結構,如用罐型鐵芯和El型鐵芯,則導磁體的屏蔽效果很好。變壓器外加屏蔽時,屏蔽盒不應緊貼在變壓器外面,應留有一定的氣隙。如采用有氣隙的多層屏蔽物時,所得的屏蔽效果會更好。另外,在高頻變壓器中,常常需要消除初、次級線圈間的分布電容,可沿著線圈的全長,在線圈間墊上銅箔制成的開路帶環,以減小它們之間的禍合,這個開路帶環既與變壓器的鐵芯連接,又與電源的地連接,起到靜電屏蔽作用。如果條件允許,對整個開關電源加裝屏蔽罩,那樣就會更好地抑制輻射干擾。

                          結束語

                          隨著開關電源的體積越來越小、功率密度越來越大,EMI控制問題成為開關電源穩定性的一個關鍵因素。由上述分析可知,采用EMI濾波技術、屏蔽技術、密封技術及接地技術等,可以有效地抑制、消除干擾源及受擾設備之間的禍合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑,從而提高開關電源的電磁兼容性。

                         

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