鉅大LARGE | 點擊量:1921次 | 2020年05月19日
詳解幾種可有效開關(guān)電源的電磁干擾抑制方法
目前,許多大學(xué)及科研單位都進行了開關(guān)電源EMI(ElectromagneticInterference)的研究,他們中有些從EMI出現(xiàn)的機理出發(fā),有些從EMI出現(xiàn)的影響出發(fā),都提出了許多實用有價值的方法。這里分析與比較了幾種有效的方法,并為開關(guān)電源EMI的抑制措施提出新的參考建議。
開關(guān)電源電磁干擾的出現(xiàn)機理
開關(guān)電源出現(xiàn)的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種,若按耦合通路來分,可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種?,F(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明:
1、二極管的反向恢復(fù)時間引起的干擾
高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r有較大的正向電流流過,在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時,由于pN結(jié)中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時間里,電流會反向流動,致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。
2、開關(guān)管工作時出現(xiàn)的諧波干擾
功率開關(guān)管在導(dǎo)通時流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波,其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開關(guān)時,這種諧波干擾將會很小。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,也會出現(xiàn)尖峰干擾。
3、交流輸入回路出現(xiàn)的干擾
無工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會引起高頻衰減振蕩出現(xiàn)干擾。
開關(guān)電源出現(xiàn)的尖峰干擾和諧波干擾能量,通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾;而諧波和寄生振蕩的能量,通過輸入輸出線傳播時,都會在空間出現(xiàn)電場和磁場。這種通過電磁輻射出現(xiàn)的干擾稱為輻射干擾。
4、其他原因
元器件的寄生參數(shù),開關(guān)電源的原理圖設(shè)計不夠完美,印刷線路板(pCB)走線通常采用手工布置,具有很大的隨意性,pCB的近場干擾大,并且印刷板上器件的安裝、放置,以及方位的不合理都會造成EMI干擾。
開關(guān)電源EMI的特點
作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置,開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高,出現(xiàn)的干擾強度較大;干擾源重要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器,相關(guān)于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚;開關(guān)頻率不高(從幾十千赫和數(shù)兆赫茲),重要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場干擾;而印刷線路板(pCB)走線通常采用手工布線,具有更大的隨意性,這新增了pCB分布參數(shù)的提取和近場干擾估計的難度.
EMI測試技術(shù)
目前診斷差模共模干擾的三種方法:射頻電流探頭、差模抑制網(wǎng)絡(luò)、噪聲分離網(wǎng)絡(luò)。用射頻電流探頭是測量差模共模干擾最簡單的方法,但測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值比較要經(jīng)過較復(fù)雜的換算。差模抑制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單(見圖1),測量結(jié)果可直接與標(biāo)準(zhǔn)限值比較,但只能測量共模干擾。噪聲分離網(wǎng)絡(luò)是最理想的方法,但其關(guān)鍵部件變壓器的制造要求很高。
圖1差模抑制網(wǎng)絡(luò)
圖2電磁干擾源與耦合途徑模型
在電路系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)遵循“一點接地”的原則,假如形成多點接地,會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路,當(dāng)磁力線穿過該回路時將出現(xiàn)磁感應(yīng)噪聲,實際上很難實現(xiàn)“一點接地”。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接地,利用一個導(dǎo)電平面(底板或多層印制板電路的導(dǎo)電平面層等)作為參考地,要接地的各部分就近接到該參考地上。為進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連接后,再連接到公共參考點上。
濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,可以抑制開關(guān)電源出現(xiàn)并向電網(wǎng)反饋的干擾,也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。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。
EMI濾波技術(shù)是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施,可以濾除多種原因出現(xiàn)的傳導(dǎo)干擾。圖3是一種由電容、電感組成的EMI濾波器,接在開關(guān)電源的輸入端。電路中,C1、C5是高頻旁路電容,用于濾除兩輸入電源線間的差模干擾;L1與C2、C4;L2與C3、C4組成共模干擾濾波環(huán)節(jié),用于濾除電源線與地之間非對稱的共模干擾;L3、L4的初次級匝數(shù)相等、極性相反,交流電流在磁芯中出現(xiàn)的磁通相反,因而可有效地抑制共模干擾。測試表明,只要適當(dāng)選擇元器件的參數(shù),便可較好地抑制開關(guān)電源出現(xiàn)的傳導(dǎo)干擾。
目前從電磁干擾的傳播途徑出發(fā)來抑制干擾,已漸進成熟。我們的視點要回到開關(guān)電源器件本身來。從多年的工作實踐來看,在電路方面要注意以下幾點:
(1)印制板布局時,要將模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)合理地分開,電源和地線單獨引出,電源供給處匯集到一點;pCB布線時,高頻數(shù)字信號線要用短線,重要信號線最好集中在pCB板中心,同時電源線盡可能遠離高頻數(shù)字信號線或用地線隔開。其次,可以根據(jù)耦合系數(shù)來布線,盡量減少干擾耦合。(見表1)