開關電源的電磁兼容性設計

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(1.中國礦業(yè)大學 信息與電氣工程學院,江蘇 徐州 221008;2.淮陰師范學院 物理與電子電氣工程學院,江蘇 淮安 223300)

0 引言

電源對任何電子設備來說都是必備部分,電源部分的可靠性直接關系到設備的可靠性．開關電源與線性穩(wěn)壓電源相比,具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等特點,廣泛用于計算機及其外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域[1-2]．但開關電源的突出缺點是產生較強的電磁干擾(EMI)．EMI信號既占有很寬的頻率范圍,又有一定的幅度,經傳導和輻射會污染電磁環(huán)境,對通信設備和電子儀器造成干擾[3]．如果處理不當,開關電源本身就會變成一個干擾源．隨著電子產品的電磁兼容性(EMC)日益受到重視,抑制開關電源的EMI,提高電子產品的質量,使之符合有關EMC標準或規(guī)范,已成為電子產品設計者越來越關注的問題．

1 開關電源EMI分析

開關電源產生EMI的因素較多．因為開關電源內部的功率開關管、整流或續(xù)流二極管及主功率變壓器在高壓、大電流及高頻開關的方式下工作,其電壓電流波形多為方波,所以在高壓大電流的方波切換過程中,方波電壓電流會產生豐富的諧波電壓及諧波電流．這些諧波電壓及諧波電流可通過電源輸入線或開關電源的輸出線傳出,對同一電網(wǎng)上供電的其它設備及電網(wǎng)產生干擾．由于電壓差可

以產生電場,電流的流動可以產生磁場,豐富的諧波電壓電流的高頻部分,在開關電源內部就會產生電磁場,造成開關電源內部工作的不穩(wěn)定,使電源的性能降低．而且部分電磁場通過開關電源機殼的縫隙,向周圍空間輻射,與通過電源線、直流輸出線產生的輻射電磁場,一起通過空間傳播的方式,對其它高頻設備及對電磁場比較敏感的設備造成干擾,引起其它設備工作異常．

由于開關電源中的二級管和晶體管在工作過程中產生的躍變電壓和電流,通過高頻變壓器、儲能電感線圈和導線以及系統(tǒng)結構等若干因素的影響,基本整流器產生電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉換電路產生尖峰電壓干擾．基本整流器的整流過程常常會引起電磁干擾．因為正弦波通過整流器后不再是單一頻率的電流,而是變成單向脈動電源,此電流波形分解為一直流分量和一系列頻率不同的交流分量之和．較高的諧波(特別是高次諧波)會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾,一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變,另一方面通過電源線產生射頻干擾,使接收機等產生噪聲[4-5]．

變壓器型功率轉換電路是實現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調整的部件,是開關穩(wěn)壓電源的核心,主要由開關管和高頻變壓器組成．它產生的尖峰電壓是一種有較大輻度的窄脈沖,其頻帶較寬且諧波比較豐富,產生這種干擾的主要有如下一些原因:

1)開關功率晶體管感性負載是高頻變壓器或儲能電感．在開關管導通的瞬間,變壓器初級出現(xiàn)很大的電流,它在開關管過激勵較大時,將造成尖峰噪聲．這個尖峰噪聲實際上是尖脈沖,輕者造成干擾,重者有可能擊穿開關管．

3)由輸出整流二級管產生的干擾．在輸出整流二級管截止時,有一個反向電流,它恢復到零點的時間與結電容等因素有關．其中能將反向電流迅速恢復到零點的二級管為硬恢復特性二級管,這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數(shù)的影響下,將產生較強的高頻干擾,其頻率可達數(shù)十MHz．

開關電源中電磁干擾的產生與耦合途徑．首先,整流器電路的非線形可能會對交流普通電產生不利影響;其次,初級電路中的功率晶體管與散熱器之間的容性耦合會在電源輸入端產生傳導的共模噪聲源,該共模傳導的途徑形成一個環(huán)路,該環(huán)路始于高變電壓的晶體管外殼,經過該晶體管外殼與散熱器之間的寄生電容耦合,再經過接地的散熱器和安全接地線,通過交流的高頻導納和輸入電源線返回．

2 開關電源EMI的抑制措施

從電磁兼容的三要素出發(fā)考慮,要解決開關電源的電磁干擾問題,可從3個方面入手: 1)減小干擾源產生的干擾信號;2)切斷干擾信號的傳播途徑;3)增強受干擾體的抗干擾能力．為此,抑制開關電源電磁干擾要采取的主要方法有:電路措施、EMI濾波、元器件選擇、屏蔽、印制電路板抗干擾設計等．

2.1 電路措施

圖1 RC吸收電路

圖2 D-RC吸收電路

圖3 二極管兩端的RC吸收電路

圖4 EMI濾波器基本結構

3)EMI濾波．EMI濾波技術是抑制干擾的一種有效措施,尤其是在抑制開關電源的傳導干擾方面,具有明顯的效果．開關電源的傳導干擾可分為共模干擾和差模干擾．共模干擾存在于相線與地線間及中線與地線間,其電流在相線與中線同時存在,大小相等,流向相同．差模干擾是在相線與中線間存在的干擾．其電流在相線與中線同時存在,大小相同,流向相反．無論是共模干擾還是差模干擾,都能使用EMI濾波器抑制．因為,通過對開關電源干擾的分析和實測可知,開關電源的干擾頻率和頻域要比電網(wǎng)頻率高得多和寬得多．目前開關電源EMI濾波器主要采用的是性能優(yōu)良的無源低通濾波器,其基本電路結構如圖4所示．由于電源線中往往同時存在上述兩種干擾,故EMI濾波器一般由共模和差模濾波電路綜合構成．設計和選用EMI濾波器一定要根據(jù)電路的實際情況,首先測量傳導到干擾的電平和頻帶,再與電磁兼容的標準或實際應用需要信號電平進行比較,選擇對超標信號或超過實際應用所需信號的幅值和頻帶有抑制作用的電源濾波器．此外,在使用EMI濾波器時還要考慮濾波器的安裝質量．

4)開關頻率調制技術．頻率固定不變的調制脈沖產生的干擾在低頻段主要是調制頻率的諧波干擾,且這些干擾主要集中的各諧波點上,如圖5a所示．利用頻率調制技術降低開關電源的EMI電平的基本思想是:通過調制開關頻率fc的方法把集中在fc,2fc,3fc,…上的能量分散到它們周圍的頻帶上,如圖5b所示,由此降低各個頻率點上的EMI幅值,從而實現(xiàn)EMI標準規(guī)定的限定值,但是圖中方法卻不能降低總的干擾能量．

(a)恒頻PWM的EMI頻譜 (b)開關頻率調制PWM的EMI頻譜

5)功率管優(yōu)化驅動技術．通過緩沖吸收電路可以延緩功率開關器件的通斷過程,從而降低開關電源的EMI電平,但同時會因為附加的吸收電路的損耗,導致電源總效率的下降．另一種降低開關電源EMI電平的方法是選擇合適的驅動電路參數(shù),使得驅動電路不僅能夠滿足開關管的正常導通的要求,還能控制開關開通和分斷時其上電壓電流的變化率．這樣可以維持電路性能不變的同時降低EMI電平．

2.2 元器件選擇

選擇不易產生噪聲的元器件也是減少開關電源電磁干擾的重要途徑之一．基本原則是選擇不易產生噪聲的元器件、不易傳導和輻射噪聲的元器件．通常特別值的注意的是二極管和變壓器等繞組類元器件的選用．

2.3 屏蔽

屏蔽的目的是使已產生的EMI不向外部輻射．用電磁屏蔽的方法解決EMI問題的最大的好處是不會影響電路的正常工作．屏蔽技術可分為對發(fā)出電磁波部位的屏蔽和易受電磁波影響的元器件的屏蔽．在開關電源中,可發(fā)出電磁波的元器件是指變壓器、電感器、功率器件等,通常在其周圍采用銅板或鐵板作為屏蔽，以使其電磁波產生衰減．對抗電磁波較弱的元器件,必要的情況下也應采取相應的屏蔽措施．此外,為不使輻射干擾向外部發(fā)散,還應采取整體屏蔽的對策．即選用導電性良好的材料,將開關電源整體屏蔽,使可能向外部發(fā)散出去的電磁波衰減．然而,屏蔽材料的接縫、電線的輸入輸出端子和電線的引出口等處,均易產生電磁泄漏,且不易散熱,結構成本也大幅度增加．因此,使用整體屏蔽時應充分考慮這些因素．

2.4 PCB抗干擾設計

圖6 PCB布局流程

在開關電源中接地是抑制干擾的重要方法．接地有3種基本類型:安全接地、工作接地和屏蔽接地．安全接地是以安全為目的的保護地線,通常與金屬機殼機架相連接;工作接地是指為設備中各個電路提供穩(wěn)定的零基準電位,其地線稱之為系統(tǒng)地線;為了抑制干擾,電纜、變壓器等屏蔽層需要接地,相應的地線稱之為屏蔽地線．根據(jù)電路的性質,將工作接地分為不同的種類,比如直流地、交流地、數(shù)字地、模擬地、功率地、信號地和電源地等．地線設計時應注意以下幾點:

1)交流電源地與直流電源地分開．在開關電源中采用把交流電源地與直流電源地分開的“浮地”技術,可隔離來自交流電源地線的干擾．

2)模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開．隨著數(shù)字開關電源的開發(fā),為了抑制數(shù)字芯片的干擾,數(shù)字芯片與模擬電路必須隔離,即數(shù)字電路與模擬電路的電源地分開．

3)功率地與弱電地分開．功率地是負載電路或功率驅動電路的零電位的公共基準地線．由于負載電路或功率驅動電路的電流較強、電壓較高,功率地線上的干擾較大．因此,功率地與其他弱電地必須分別設置．

4)盡量加粗地線．若接地線很細,接地電位則隨電流的變化而變化,致使定時控制信號電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞．

3 結束語

開關電源由于在體積、重量和效率等方面的優(yōu)點,獲得迅速發(fā)展,已廣泛應用于各個領域．但電磁干擾對電子和電氣設備的工作有較大影響．為了有效地抑制開關電源所產生的電磁干擾,必須從多個方面采取多種手段抑制干擾,全面有效地提高開關電源的電磁兼容性,使其得到更廣泛的應用．

[1]區(qū)健昌.電子設備的電磁兼容性設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[2]周志敏.周紀海.開關電源實用技術設計與應用[M].北京:人民郵電出版社,2003.

[3]孫慧賢.開關電源電磁干擾的抑制措施[J].低壓電器,2005(8):54-58

[4]周宏.開關電源的電磁兼容分析及改進[J].艦船電子對抗,2005(4):53-57

[5]周超.開關電源電磁兼容(EMC)研究[J].通信電源技術,2004(2):16-19