开关电源的电磁兼容性设计

2006-05-07 15:49:48来源: 电子技术应用

开关电源不需要沉重的电源变压器,具有体积小、重量轻、效率高的优点,且市场上已有成品开关电源集成控制模块,使电源设计、调试简化许多,所以,在大多数的电子设备(如计算机、电视机及各种控制系统)中得到了广泛的应用。然而,开关电源自身产生的各种噪声却形成了一个很强的电磁干扰源。这些干扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强,对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁。因此,只有提高开关电源的电磁兼容性,才能使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求的场下被采用。

1 开关电源产生噪声的原因

开关电源的种类很多,按变换器的电路结构可分为串行联式和直流变换式两种;按激励方式可分为自激和它激两种;按开关管的组合可分为桥式、半桥式、推换式等。但无论体积类型的开关电源都是利用半导体器件的开和关工作的,并以开和关的时间比来控制输出电压的高低。由于它通常在20kHz以上的开关频率下工作,所以电源线路内的dv/dt、di/dt很大,产生很大的浪涌电压、浪涌电流和其它各种噪声。它们通过电源线以共模或差模方式向外传导,同时还向周围空间辐射噪声。图1给出了一种典型的开关电源电路的简图,下面以此为例分析其产生噪声的主要原因。

1.1 一次整流回路的噪声

在一次整流回路中,整流二极管D1~D4只有在脉动电压超过C1的充电电压的瞬间,电流才从电源输入侧流入。所以,一次整流回路产生高次畸变波,形成噪声。

1.2 开关回路的噪声

一是电磁辐射。电源在工作时,开关管T处于高频率通断状态,在由脉冲变压器初级线圈L1、开关管T和滤波器C1构成的高频电流环路中,可能会产生较大的空间辐射噪声。如果C1的滤波不足,则高频电流还会以差模方式传导到交流电源中去。二是感性负载引起的浪涌电压。在开关回路中开关管T的负载是脉冲变压器的初级线圈L1,是感性负载,所以开关管高的浪涌电压,很可很造成与此同一回路的电子器件(尤其是开关管T)的损坏。

1.3 二次整流回路的噪声

一是电磁辐射。电源在工作时,整流二极D5也处于高频通断状态,由脉冲变压器次级线圈L2、整流二极管D5和滤波电容C2构成了高频开关电流环路,电流将以差模形式混在输出直流电压上,影响负载电路的正常工作。二是浪涌电流。硅二极管在正向导通时PN结内的电荷被积累,二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。由于二次整流回路中D5在开关转换时频率很高,即由导通转变为截止的时间很短。在短时间内要让存储电荷消失就产生反电流的浪涌。由于直流输出线路中的分布电容、分布电感的存在,使因浪涌引起的干扰成为高频衰减振荡。

1.4 控制回路的噪声

控制回路中的脉冲控制信号是主要的噪声源。

1.5 分布电容引起的噪声

一是Ci的作用。散热片K与开关管T的集电极间虽然有绝缘垫片,但由于其接触面较大,绝缘垫较薄,因此两者之间的分布电容Ci在高频时不能忽略。因此高频电容会通过Ci流到散热片上,再流到机壳地,最终流到与机壳地相连的交流电源的保护地线PE中,以产生共模辐射。二是Cd的作用。脉冲变压器的初、次级之间存在的分布电容Cd,可能会将原边高频电压直接耦合到副边上去,在副边用作直流输出的两条电源线上产生同相位的共模噪声。

2 开关电源的电磁兼容性设计

抑制开关电源的噪声可采取三方面的技术。一是减小干扰源的干扰能量;二是破坏干扰路径;三是采用屏蔽。

2.1 减小干扰源能量

由于开关电源的干扰源是不可能消除的,所以减小干扰源的能量不显得非常必要。一般采取的措施有:(1)并接RC电路。在开关管T两端加RC吸收电路,如图2(a)所示。在二次整流回路中的整流二极管D5两端加RC吸收电路,如图2(b)所示,抑制浪涌电压。(2)串接可饱和磁芯线圈。在二次整流回路中,与整流二极管D6串接带可饱和磁芯的线圈,如炉图2(b)所示。可饱和磁芯线圈在通过正常电流时磁芯饱和,电感量很小,不会影响电路正常工作;一旦电流要反向流过时,磁芯线圈将产生很大的反电势,阻止反向电流的上升,因此将它与二极管D6串联就能有效地抑制二极管D5的反向浪涌电流。目前已有超小型非晶型磁环成品,可以直接套在二极管的正极引线上,使用方便。

2.2 破坏干扰路径

一是针对开磁电源中分布电容引起的电场噪声采取措施。主要抗干扰措施有:(1)减少开磁管集电极和散热片之间的耦合电容Ci。选用低介电常数的材料作绝缘垫,加厚垫片的厚度,并采用静电屏蔽的方法,如图3所示。一般开关管的外壳是集电极,在集电极和散热片之间垫上一层夹心绝缘物,即绝缘物中间夹一层铜箔,作为静电屏蔽层,接在输入直流0V地上,散热片仍接在机壳地上,这样钭大大减少集电极与散热片之间的耦合电容Ci,也就减少了它们之间的电场耦合。图3(a)是减少Ci的原理图,屏蔽层将Ci分成Ci1和Ci2的串联形式,图3(b)是实物图。(2)减少脉冲变压器的分布电容Cd。在一痤侧和二次侧间加静电屏蔽层,屏蔽层应尽量靠近发射极并接地,这样将耦合电容Cd也分成Cd1和Cd2的串联形式,如图4所示,减少了一、二次侧的电场的耦合干扰。二是针对开关电源通过电源线向外传输噪声的特点采取措施,即采用滤波技术破坏干扰。采用的滤波技术有:(1)交流侧流滤波。开关电源的交流电源线输入端插入共模和差模滤波器,防止开关电源的共模和差模噪声传递到电源线中,影响电网中其它用电设备,同时也抑制来自电网的噪声。交流侧滤波器如图5(a)所示,其中LD、CD用于抑制差模噪声,一般ID取100~700μH,CD取1~10μF,对抑制10~150kHz的噪声比较有效。Ic/Cc抑制共模噪声,一般Lc取1~3mH,Cc取2000~6800pF,对抑制150kHz以上的共模噪声有效。对于具体的开关电路要对其上述元件的参数进行调试确定。(2)直流侧滤波。在开磁电源的直流输出侧插入如图5(b)所示的电源滤波器,它由共模扼流圈L1、L2,扼流圈L3和电容C1、C2组成。为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用,扼流圈的磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒μ磁芯。

2.3 屏蔽

抑制辐射噪声的有效方法是蔽。用导电良好的材料对电场屏蔽,用导磁率高的材料对磁场屏蔽。为了防止脉冲变压器的磁场泄露,可利用闭合磁环形成磁屏蔽,对整个开关电流要进行屏蔽。在屏蔽的应考虑散热和通风问题,屏蔽盒上的通风孔最好为圆形,接缝处最好焊接,以保证电磁的连续性。

开关电源的电磁兼容性设计考虑的因素还很多,如印制板的制作、元器件的布局以及各种电源线、信号线的捆扎、配置等,有许多工作要做。全面抑制开关电源的各种噪声会大大提高开关电源的电磁兼容性,使开关电源得到更广泛的应用。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2133.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 安防电子 医疗电子 工业控制

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved