開(kāi)關(guān)電源電磁干擾抑制

1、開(kāi)關(guān)電源電磁標(biāo)準(zhǔn)及其干擾抑制一、引言原文位置電磁兼容性(EMC)是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下不因電磁干擾而降低性能指標(biāo)，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于規(guī)定的極限電平，不影響其它電子設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并達(dá)到設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠地工作的目的。 世界各國(guó)都相應(yīng)制定了自己的EMC標(biāo)準(zhǔn)。比如國(guó)際電工委員會(huì)的1EC61000及(C1SPR系列標(biāo)準(zhǔn)、歐洲共同體的FN系列標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)聯(lián)邦通信委的FCC系列標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)現(xiàn)行的GT3/T13926系列EMC標(biāo)準(zhǔn)等。隨著國(guó)際電磁兼容法規(guī)的日益嚴(yán)格，產(chǎn)品的電磁兼容性能越來(lái)越受到重視。 開(kāi)關(guān)電源作為一種電源設(shè)備，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨

2、著電力電子器件的不斷更新?lián)Q代，開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率及開(kāi)關(guān)速度不斷提高，但開(kāi)關(guān)的快速通斷，引起電壓和電流的快速變化。這些瞬變的電壓和電流，通過(guò)電源線路、寄生參數(shù)和雜散的電磁場(chǎng)耦合，會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾。二、開(kāi)關(guān)電源的干擾源分析開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)，按耦合通道來(lái)分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾;按噪聲干擾源種類(lèi)來(lái)分可分為尖峰干擾和諧波干擾。開(kāi)關(guān)電源在工作過(guò)程中所產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓就形成了干擾源，工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開(kāi)關(guān)管高頻工作時(shí)的電壓切換以及輸出整流二極管的反向恢復(fù)電流都是這類(lèi)干擾源。三、電磁干擾的抑制措施電磁干擾由三個(gè)基本要素組合而產(chǎn)生：電磁干擾源;對(duì)該干擾能量敏感的

3、設(shè)備;將電磁干擾源傳輸?shù)矫舾性O(shè)備的媒介即傳輸通道或藕合途徑。對(duì)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾所采取的抑制措施，主要從兩個(gè)方而考慮：一是減小干擾源的干擾強(qiáng)度;一是切斷干擾傳播途徑。常用的抗干擾措施包括電路的隔離、屏蔽、接地、加裝EMI濾波器以及PCB板的合理布局與布線。1.電路的隔離在開(kāi)關(guān)電源中，電路的隔離主要有：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。主要目的是通過(guò)隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源的模擬信號(hào)控制系統(tǒng)的隔離，交流信號(hào)一般采用變壓器隔離，直流信號(hào)一般采用線性隔離器(如線性光電耦器)隔離。數(shù)字電路的隔離主要有:脈沖變壓器隔離、光電

4、耦合器隔離等。其中數(shù)字量輸入隔離方式主要采用脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離;而數(shù)字量輸出隔離方式主要采用光電耦合器隔離、高頻變壓器隔離。2. 屏蔽屏蔽一般分為兩類(lèi)，一類(lèi)是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響;另一類(lèi)是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場(chǎng)、交變磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響。屏蔽是抑制開(kāi)關(guān)電源輻射干擾的有效方法?？梢杂脤?dǎo)電良好的材料對(duì)電場(chǎng)屏蔽，而用導(dǎo)磁率高的材料對(duì)磁場(chǎng)屏蔽。3.接地為防止各種電路在工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地工作，根據(jù)電路的性質(zhì)，將工作接地分為不同的種類(lèi)。比如直流地、交流地、數(shù)字地、模擬地、信號(hào)地、功率地、電源地等。在電路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)將交流電源地與直流電源地分

5、開(kāi)，模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開(kāi)，功率地與弱電地分開(kāi)。4.加裝EMI濾波器電源濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，用于抑制電源線引出的傳導(dǎo)干擾，又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)干擾，對(duì)提高設(shè)備的可靠性有重要的作用。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾以傳導(dǎo)干擾為主，而傳導(dǎo)干擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。該濾波器由共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy組成。共模扼流圈L由兩個(gè)繞在同一個(gè)高磁導(dǎo)率磁芯上的繞組構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)使差模電流產(chǎn)生的磁通相互抵消。這種結(jié)構(gòu)以較小體積獲得較大的電感值，并且不用擔(dān)心由于工作電流導(dǎo)致飽和。每個(gè)繞組與電容Cy分別組成L-E和N-E兩對(duì)獨(dú)立端口的

6、低通濾波器，形成共模濾波網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)抑制電源線上存在的共模干擾。至于共模扼流圈L、差模電容Cx和共模電容Cy的取值大小，應(yīng)盡量做到濾波器的諧振頻率低于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)頻段的濾波。圖1 開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器5.PCB板的合理布局與布線開(kāi)關(guān)電源的輻射干擾與電流通路中的電流大小，通路的環(huán)路面積，以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比，即輻射干擾EI·A·f 2。運(yùn)用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠(yuǎn)小于頻率的波長(zhǎng)。上述關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵，這是說(shuō)開(kāi)關(guān)電源的元器件要彼此緊密排列。在初級(jí)電路中，要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近，且布線緊湊;在次級(jí)

7、電路中，要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。在印制板上，將正負(fù)載流導(dǎo)線分別布在印制板的兩面，并設(shè)法使兩個(gè)載流導(dǎo)體彼此間保持平行，因?yàn)槠叫芯o靠的正負(fù)載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)是趨向于相互抵消的。四、結(jié)束語(yǔ)要提高開(kāi)關(guān)頻率，提高開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的質(zhì)量，電磁兼容性是不容忽視的問(wèn)題。產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的因素還很多，抑制電磁干擾還有大量的工作。只有在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮電磁兼容問(wèn)題，才能使開(kāi)關(guān)電源得到更普遍的應(yīng)用。1.2 電源二次側(cè)回路的噪聲電源在工作時(shí)，整流二極管D7也處于高頻通斷狀態(tài)，由脈沖變壓器次級(jí)線圈L2、整流二極管D7和濾波電容C6構(gòu)成了高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路，如果布局、布線不合適，造成環(huán)路面積過(guò)大，可能向

8、空間輻射噪聲。同時(shí)，硅二極管在正向?qū)〞r(shí)結(jié)內(nèi)的電荷被積累，二極管加反向電壓時(shí)積累的電荷將消失并產(chǎn)生反向電流。由于二次整流回路中D7在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)頻率很高，即由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟臅r(shí)間很短，在短時(shí)間內(nèi)要讓存儲(chǔ)電荷消失就產(chǎn)生反電流的浪涌。由于直流輸出線路中的分布電容、分布電感的存在，使因浪涌引起的干擾成為高頻衰減振蕩。如圖2(C)所示，Vd波形具有電壓變化率高、上升沿和下降沿陡峭的特點(diǎn)。其峰值電壓由變壓器和輸出整流管的分布電容所決定。振鈴干擾波形的頻率變化是20-30MHZ。1.3脈沖變壓器的噪聲脈沖變壓器是開(kāi)關(guān)電源中進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存與傳輸?shù)闹匾考?，其性能的?yōu)劣，不僅對(duì)電源效率有較大的影響，而且直接關(guān)系到

9、電源電磁兼容性（EMC） 。對(duì)EMC而言，要求脈沖變壓器漏感小、繞組本身的分布電容及各繞組之間的耦合電容要小。2.開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)抑制開(kāi)關(guān)電源的噪聲可采取三方面的技術(shù)：一是濾波；二是變壓器的繞制；三是屏蔽。2.1 濾波針對(duì)開(kāi)關(guān)電源主要通過(guò)電源線向外傳輸噪聲的特點(diǎn)，采用濾波技術(shù)抑制干擾，可分為：交流側(cè)濾波、 直流側(cè)濾波及其他一些輔助措施。(1)交流側(cè)濾波：開(kāi)關(guān)電源的交流電源線輸入端插入共模和差模濾波器，防止開(kāi)關(guān)電源的共模和差模噪聲傳遞到電源線中，影響電網(wǎng)中其它用電設(shè)備，同時(shí)也抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲。交流側(cè)濾波器如圖3A、B、C、D所示，其中L為共模扼流圈，圖A、B中的電容器C能濾除串模干擾。

10、圖C、D抑制電磁干擾的效果更佳，圖C中的L、C1和C2用來(lái)濾除共模干擾，C3和C4用來(lái)濾除串模干擾，R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進(jìn)線端L、N不帶電，保證用戶(hù)的安全。TOPSwitch開(kāi)關(guān)電源具有單片集成化、外圍電路簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn)，在大多數(shù)的電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的各種噪聲卻形成了一個(gè)很強(qiáng)的電磁干擾源。這些干擾隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強(qiáng)，對(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅；同時(shí)，一些國(guó)家對(duì)此也有嚴(yán)格的指標(biāo)，不能滿足者將被拒之門(mén)外。本文以美國(guó)PI公司TOPSwitch系列為例，介紹開(kāi)

11、關(guān)電源的電磁干擾及其抑制。1 開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生噪聲的原因開(kāi)關(guān)電源工作在高頻、高壓、大電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并以開(kāi)和關(guān)的時(shí)間比來(lái)控制輸出電壓的高低。TOPSwitch系列器件工作頻率為100kHz，電源線路內(nèi)的dv/dt很大，產(chǎn)生的各種噪聲通過(guò)電源線以共?；虿钅７绞较蛲鈧鲗?dǎo)，同時(shí)還向周?chē)臻g輻射噪聲。圖1給出了一種典型TOPSwitch系列的開(kāi)關(guān)電源電路圖，下面以此為例分析其產(chǎn)生噪聲的主要原因。1.1電源一次側(cè)回路的噪聲在一次整流回路中，整流二極管D1D4只有在脈動(dòng)電壓超過(guò)C2的充電電壓的瞬間，電流才從電源輸入側(cè)流入。所以，一次整流回路產(chǎn)生高次畸變波，如圖1，形成噪聲，這是影響傳導(dǎo)輻射的一個(gè)重要指標(biāo)。此外，

12、 電源在工作時(shí)，TOPSwitch處于高頻率通斷狀態(tài)，在由脈沖變壓器初級(jí)線圈L1、TOPSwitch和濾波器C2構(gòu)成的高頻電流環(huán)路中，如果布局、布線不合適，造成環(huán)路面積過(guò)大，可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射噪聲。如圖2（A），為初級(jí)電流Ipri的波形，其基波為開(kāi)關(guān)頻率，諧波即為干擾波形。(2)直流側(cè)濾波：在開(kāi)關(guān)電源的直流輸出側(cè)插入如圖3所示的電源濾波器，它由共模扼流圈L1、扼流圈L2和電容C1、C2組成。為了防止磁芯在較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度下飽和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度大的恒磁芯。(3)其他：C3為安全電容，能濾除初、次級(jí)繞組耦合電容引起的干擾。C8和R7并聯(lián)在D7兩端

13、，能防止D7在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生自激振蕩（振鈴現(xiàn)象）；此外，在二次側(cè)整流濾波器上串聯(lián)磁珠也有一定效果。TOPSwitch由導(dǎo)通變成截止時(shí)，在開(kāi)關(guān)電源的一次繞組上就會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，這是由于脈沖變壓器漏感造成的，通常用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）D6和超快恢復(fù)二極管（SRD）D5組成的電路進(jìn)行鉗位，也有用R、C電路的，但效果要稍差一些。2.2 減小脈沖變壓器的漏感及分布電容對(duì)于一個(gè)符合絕緣及安全性標(biāo)準(zhǔn)的脈沖變壓器，其漏感量應(yīng)為次級(jí)開(kāi)路時(shí)初級(jí)電感量的13。在磁芯結(jié)構(gòu)尺寸、繞線匝數(shù)一定的情況下，線圈的繞組排列是減小漏感的重要因素，如圖4所示，繞組應(yīng)按同心方式排列，全部用漆包線繞制，留有安全邊距，且在次級(jí)繞

14、組與反饋繞組之間加上強(qiáng)化絕緣層。對(duì)于多路輸出的開(kāi)關(guān)電源，輸出功率最大的那個(gè)次級(jí)繞組應(yīng)靠近初級(jí)，以增加耦合，減小磁場(chǎng)泄漏。當(dāng)次級(jí)匝數(shù)很少時(shí)，為了增加與初級(jí)的耦合，宜采用多股線平行并繞方式均勻分布在整個(gè)骨架上，以增加覆蓋面積。在條件允許的情況下，用箔繞組作為次級(jí)也是增加耦合的一種好辦法。 在開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程中，繞組的分布電容反復(fù)被充、放電，不僅使電源效率降低, ，它還與繞組的分布電感構(gòu)成LC振蕩器，會(huì)產(chǎn)生振鈴噪聲。初級(jí)繞組分布電容的影響尤為顯著。為減小分布電容，應(yīng)盡量減小每匝導(dǎo)線的長(zhǎng)度，并將初級(jí)繞組的始端接漏極，利用一部分初級(jí)繞組起到屏蔽作用，減小相鄰繞組的分布參數(shù)耦合程度。2.3 屏蔽抑制輻射噪聲的有效方法是屏蔽。用導(dǎo)電良好的材料對(duì)電場(chǎng)屏蔽，用導(dǎo)磁率高的材料對(duì)磁場(chǎng)屏蔽。將電路置于屏蔽殼中，屏蔽殼可靠接地或中性線，接縫處最好焊接，以保證電