开关电源电磁干扰机理及抑制措施探讨X
闫海峰
(包头韵升强磁材料有限公司,内蒙古包头 014010)
摘 要:开关电源技术是一项综合性技术,其电磁干扰问题及与其它电子设备的电磁兼容问题已成为人们关注的热点,本文先分析了开关电源产生电磁干扰的机理,并从电路结构、EMI滤波、屏蔽、印制电路板抗干扰设计等几个方面,对开关电源电磁干扰的抑制措施进行了探讨。
关键词:开关电源;电磁干扰;抑制措施;耦合
中图分类号:T M15 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)02—0061—02
近年来,随着微电子技术的迅速发展,开关电源以其效率高、体积小、功耗小、稳压范围宽、输出稳定性好的优点,广泛应用于电视、计算机及外围设备、通讯、自动控制等领域。但是,由于开关电源工作在高频开关状态,内部会产生很高的电流、电压变化率,导致开关电源产生较强的电磁干扰(EMI)。目前,抑制开关电源的EMI,提高开关电源的质量使之符合EMC标准已成为设计者越来越关注的问题。本文讨论了开关电源电磁干扰问题并提出多种EMI 抑制措施。
1 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:
1.1 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。
1.2 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。
1.3 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。
1.4 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。
2 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。
3 开关电源电磁干扰的抑制措施
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;第三是提高受扰设备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。为此,抑制开关电源电磁干扰要采取的主要措施有:电路措施、EMI滤波、元器件选择、屏蔽、印制电路板抗干扰设计等。3 减少开关电源本身的干扰
3 吸收电路。开关电源产生MI的主要原因
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2012年第2期 内蒙古石油化工
X收稿日期
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是电压和电流的急剧变化,因而需要尽可能地降低电路中电压和电流的变化率。采用吸收电路能够抑制EMI,其基本原理就是在开关关断时为其提供旁路,吸收积蓄在寄生分布参数中的能量,从而抑制干扰的发生。具体地讲,可在开关管两端并联RC吸收电路,或在开关管两端并联RC吸收回路,RC回路可吸收开关管接通和断开瞬间产生的较高浪涌尖峰电压,降低开关回路的干扰。
3.1.2 软开关技术。软开关是在硬开关基础上发展起来的一种基于谐振技术或利用控制技术实现的在零电压/零电流状态下开通/关断的先进开关技术。其基本思想是在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件,利用电感和电容的谐振,降低开关过程中的电压电流变化率,使开关器件开通时电压的下降先于电流的上升,或关断时电流的下降先于电压的上升,来消除电压和电流的重叠。在理想情况下,这样不仅减小了开关损耗,还可以大大减小EMI电平。此外,软开关电路不同于一般的吸收电路,能够在降低EMI影响的同时减少开关损耗。
3.1.3 EMI滤波。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。
开关电源的传导干扰可分为共模和差模干扰。共模干扰存在于相线与地线间及中线与地线间,其电流在相线与中线同时存在,大小相等、流向相同。差模干扰是存在于相线与中线间的干扰。其电流在相线与中线同时存在,大小相同、流向相反。通常,线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的,故EMI 滤波器一般由共模和差模滤波电路综合构成。设计和选用EMI滤波器一定要根据电路的实际情况,首先测量传导到干扰的电平和频带,再与电磁兼容的标准或实际应用需要的信号电平进行比较,选择对超标信号或超过实际应用所需信号的幅值和频带有抑制作用的电源滤波器。
3.1.4 PCB设计。PCB抗干扰设计主要包括PCB 布局、布线及接地,其目的是减小PCB的电磁辐射和PCB电路之间的串扰。
设计PCB前应首先考虑PCB的尺寸与形状。
B尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;若尺寸过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状为矩形,长宽比为3或3。电路板面积尺寸大于×5mm时,应考虑电路板所受的机械强度。在确定PCB 的尺寸形状后,再确定特殊元器件(如各种发生器、晶振等)的位置。各种发生器、晶振等都易产生噪声,要相互靠近一些。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。布局时应以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。同时,在高频情况下,要考虑元器件之间的分布参数。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减小和缩短各元器件之间的引线和连接。
3.2 切断干扰信号的传播途径——共模、差模电源线滤波器
电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除,一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。
3.3 增强敏感电路的抗干扰能力
3.3.1 屏蔽。抑制开关电源电磁干扰的有效方法是屏蔽。即用导电良好的材料对电场进行屏蔽,用导磁率高的材料对磁场进行屏蔽。用电磁屏蔽的方法解决EMI问题的好处是不会影响电路的正常工作。屏蔽技术可分为对发出电磁波部位的屏蔽和对易受电磁波影响的元器件的屏蔽。
3.3.2 接地。在开关电源中接地是抑制干扰的重要方法。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。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,当磁力线穿过该环路时将产生磁感应噪声。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。地线设计时应注意:交流电源地与直流电源地分开;模拟电路与数字电路的电源地分开;功率地与弱电地分开;地线应当尽量粗。
4 结束语
开关电源技术是一项综合性技术,其电磁干扰问题及与其他电子设备的电磁兼容问题已日益成为人们关注的热点,为了有效地抑制开关电源所产生的电磁干扰,必须从多个方面采取多种手段抑制干扰,全面有效地提高开关电源的电磁兼容性,使其得到更广泛的应用。
[参考文献]
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62内蒙古石油化工 2012年第2期
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