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开关电源电磁干扰的产生机理


www.fskali.com 2009-7-13 点击数 : 19

广东佛山市卡立电子实业有限公司是一家研制,生产,销售开关电源厂家。本厂有着十几年的设计,生产经验,可以高效灵活地为客户提供全面解决电源方案和要求。欢迎来电来图订购。联系电话:0757-81271093。

一、开关电源电磁干扰的产生机理
  开关电源产生的干扰,按噪声干扰源种类来分,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种;若按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种。现在按噪声干扰源来分别说明:
  1.二极管的反向恢复时间引起的干扰
  高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,由于PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时间里,电流会反向流动,致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。
  2.开关管工作时产生的谐波干扰
  功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波,其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时,这种谐波干扰将会很小。另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。
  3.交流输入回路产生的干扰
  无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。
  开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量,通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰;而谐波和寄生振荡的能量,通过输入输出线传播时,都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
  4.其他原因
  元器件的寄生参数,开关电源的原理图设计不够完美,印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置,具有很大的随意性,PCB的近场干扰大,并且印刷板上器件的安装、放置,以及方位的不合理都会造成EMI干扰。
  二、开关电源EMI的特点
  作为工作于开关状态的能量转换装置,开关电源的电压、电流变化率很高,产生的干扰强度较大;干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器,相对于数字电路干扰源的位置较为清楚;开关频率不高(从几十千赫和数兆赫兹),主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰;而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线,具有更大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度.
  三、EMI测试技术
  目前诊断差模共模干扰的三种方法:射频电流探头、差模抑制网络、噪声分离网络。用射频电流探头是测量差模 共模干扰最简单的方法,但测量结果与标准限值比较要经过较复杂的换算。差模抑制网络结构简单(见图1),测量结果可直接与标准限值比较,但只能测量共模干扰。噪声分离网络是最理想的方法,但其关键部件变压器的制造要求很高。   四、目前抑制干扰的几种措施
  形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而,抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源,直接消除干扰原因;其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径(见图2);第三是提高受扰设备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道,它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。
   采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。例如,功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗,为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘,这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容,开关电源的底板是交流电源的地线,因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰,解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割断了射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射,电磁干扰对其他电子设备的影响,可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩,然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体,就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如,静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰;电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地,但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应,所以仍以接地为好,这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连,可为信号回路提供稳定的参考电位。因此,系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后,最终都与大地相连.
  在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则,如果形成多点接地,会出现闭合的接地环路,当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声,实际上很难实现“一点接地”。因此,为降低接地阻抗,消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地,利用一个导电平面(底板或多层印制板电路的导电平面层等)作为参考地,需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降,可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中,应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后,再连接到公共参考点上。
  滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如,在电源输入端接上滤波器,可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰,也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中,还采用很多专用的滤波元件,如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环,它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器,并正确地安装和使用滤波器,是抗干扰技术的重要组成部分。
一、开关电源电磁干扰的抑制措施
1 EMI滤波器
滤波器具有双向滤波的作用,既能阻止来自于电网的干扰进入电源内部,又能阻止电源本身产生的干扰污染电网。利用电流探头分离开关电源的共模和差模干扰,进而分别设计共模和差模滤波器[3]。图2示出实际使用的EMI滤波电路。

由图可见,Y电容C202,C302与共模电感L101,L201对电源中的共模干扰起抑制作用;X电容C101,C201, C30l,C102与共模电感的漏感Lpo对电源中的差模干扰起抑制作用。R101,R201为泄放电阻,断电之后,可使X电容上的电压快速降低,并达到安全规范的要求。 RV30l为压敏电阻,它的响应时间仅有几个纳秒,并且没有延迟现象,所以压敏电阻能吸收上升很陡的浪涌电压引起的EMI,并能保护电源中的器件,防止电压畸变,特别是对防雷效果很好。' {* J* @4 N2 w
图3示出加滤波器前后的传导EMI测试结果。可见,EMI滤波器使开关电源的传导EMI下降了20多个dB?μV。特别是在1MHz以上的高频段效果更佳,起到了很好的抑制效果。
2 对电流谐波的抑制
对于整流电路中的尖峰电压及其高次谐波可通过功率因数校正电路(PFC)予以解决。通过补偿可有效抑制高次谐波,其功率因数可提高到0.99以上,基本上实现了无谐波,消除了谐波对电网的污染。
3 减小du/dt和di/dt
对于VM等开关器件在开通时产生的di/dt和关断时产生的du/dt,可以加无源缓冲电路和软开关谐振技术来抑制。图4示出在VM两端并联的RCD吸收电路。它可吸收接通和关端瞬间产生的浪涌峰值电压,降低开关电路产生的电磁干扰。图5a示出加吸收和软开关谐振电路时传导EMI的测试结果。与图3b相比,EMI平均下降了约6dB?μV。 l2 }- T9 J) D/ I1 A

4 高频变压器产生干扰的抑制
选择高磁导率的磁芯,初级绕组和次级绕组要紧密相连,并且初级与次级交叉并绕,以达到减小漏磁,进而减小因漏感引起的电磁感应噪声。在变压器的线包和磁芯外表面包一层薄的铜皮作为屏蔽层也会起到良好的抑制作用。在高频时,干扰能量通过变压器的分布电容在初次级之间传递,把干扰能量消耗在电路中,为了减小分布电容,常用的方法是在变压器的初次级跨接一个Y电容。图5b示出在变压器外加屏蔽铜皮和在初次级跨接Y电容。与图5a相比可见,虽然在1MHz以下的频段,EMI下降得比较明显,但因干扰能量在变压器的初次级之间互相传递,在其余频段却有所上升,因而总体上达到了CISPER EN550022B的标准。 3 w W8 z' j4 q4 [
0 H/ j: K0 d5 o0 r9 T
5 调频技术抑制干扰# v9 F d: q/ x; \. r
调频技术也叫“频率抖动技术”[4],即将主开关频率进行调制,在主频率的周围产生一系列频带,把集中在主频率及其2次、3次等谐波上的能量分散到周围很宽的频带上,从而降低干扰。
6结论
研究了开关电源中的EMI干扰源,通过对正激变换拓扑结构的剖析,根据干扰源产生的机理,采用了几中抑制措施,实验结果表明,效果很好。它为抑制开关电源的干扰源,以及解决EMI超标问题提供了参考依据。
二、高频开关电源辅助电源电磁干扰(EMI)问题
随着电源技术的发展,高频开关电源控制从最初的模拟电路逐渐发展到微处理器、DSP等高集成度的控制器件,这些器件体积小、精密度高,但开关电源内的电磁干扰、辐射相对其他通讯设备工作环境更强,这对辅助电源提出了更高的要求。本文对高频开关电源内辅助电源的工作特性和波形加以阐述,并着重根据实验数据来分析高频开关电源设计中应注意的问题和参数的选择。
1高频开关电源的干扰问题  
:在目前的智能开关电源中,都有机内微处理器或DSP,作机内监控和通讯之用。微处理芯片对供电电源要求很高,要求幅值相当稳定,更不能带有较大尖峰毛刺,造成电磁干扰,而且要求辅助电源的交流适应能力比整流器正常工作的范围更广,当整流器接上交流输入电时,必须是监控部分先正常工作,进行自检和各种状况的检测,以确定整流器能否开机;如遇极高或极低交流电压,整流器虽已停止工作,但监控部分仍要正常工作,保持正常的监控和通讯。  
某些电源产品运行过程中曾出现无故复位等现象,在进行大功率开关电源的辅助电源设计的时候,对其进行分析,发现其辅助电源在不同交流输入电压、不同负载条件下存在比较多的问题:交流适应范围窄,负载能力低,工作波形不稳且极不对称,出现偏磁,电磁干扰极严重等。  
一般开关整流器辅助电源的工作原理是:输入交流电经整流成为高压直流电,然后经变换电路成为低压高频方波,再经由整流滤波电路成为系统所需的平稳低压直流电,一般由三端稳压器稳压,由一路直流输出提供高频变换驱动脉冲控制环的电压反馈信号。由功率变换的主回路上串电阻采样作为电流反馈信号,功率变换管的驱动脉冲由UC3844等控制芯片及其外围电路产生。 (注:交流低压是辅助电源开始启动工作时最低输入电压实测值)
可以看到,在较低的交流输入电压、无电流反馈条件下辅助变压器已经不能正常工作,其波形的脉宽是不一样的,有的宽有的窄,而且发生抖动,示波器已无法稳定地抓住波形。电流反馈,波形的脉宽也是有宽有窄,占空比达到了47%,而UC3844的最大占空比仅为50%,如果增加负载,输出电压会降低。  
如何使辅助电源能在交流输入的上极限、下极限电压下稳定工作,如何使辅助电源所带负载从空载到过载的全范围内能稳定正常工作,都有比较大的难度,这涉及几方面的技术难题:功率器件的耐压、过载能力;高频变压器的设计;驱动脉冲控制回路参数的选择。
2解决方法  
技术人员通过一定的理论分析和实验摸索,对辅助变压器和控制回路作了相应的改进,终于解决了这个问题。解决办法是:调整辅助变压器的匝比,改变原边匝数 Np,降低原副边匝比比例,使低电压时的占空比减小,远小于UC3844规定的上限45%;将UC3844的电流反馈环节的RC滤波网络进行参数调节,通过多次实验摸索,终于获得了比较理想的参数,滤波电容加大。再次在同样条件下测试辅助变压器的同一副边绕组。  
改进后的辅助电源无论在交流输入极高或极低的情况下(且启动工作电压较改进前要低一些),还是在空载或带重负载的情况下,其工作波形都较改进前更稳定,脉宽对称更均衡,而且带载能力明显优于改进前。对比在低输入电压下,改进后的占空比相对改进前的占空比下降了7%,表明辅助电源的交流输入在增加负载的情况下,输出电压仍能保持稳定,带载能力明显强于改进前,辅助电源改进工作取得了明显效果。
3经验总结  
在辅助电源的改进过程中,技术人员曾经从多个方面入手,包括改变电压反馈环的PI调节参数、改变脉冲频率、增大副边整流后的滤波电容等,但没有找到问题根源,在交流输入高低电压、轻载和过载等情况下,其波形仍然抖动厉害,直流输出电压不稳,在调节UC3844的电流反馈环节的RC滤波网络参数时,也进行了多次实验才找到了较为合适的匹配参数,由此可见,工程人员在进行理论分析之后仍需要通过不断实验来验证改进结果。 

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