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开关电源的电磁兼容性设计

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标签: 电源

电源

开关电源的电磁兼容性设计开关电源的电磁兼容性设计

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开关电源的电磁兼容性设计
长春工程学院信息工程系(130012)谷树忠
摘 要: 系统地分析了开关电源产生噪声的主要原因及产生噪声的回路和部件,给出了相应的抗干扰措½,从而提高了开关
电源的电磁兼容性。
关键词: 开关电源 噪声电磁兼容性
开关电源不需要沉重的电源变压器,具有½积小、重量½、效率高的优点,且市场上已有成品开关电源集成控制模块,½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½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½在的威胁。因此,只有提高开关电源的电磁兼容性,才½½开关电源在那些对电源噪声指标
有严格要求的场合下被采用。
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并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½式等。½无论½种类型的开关电源½是利用半导½器件的开和关工½的,并以开和关的
时间比来控制输出电压的高½。由于它通常在
20kHz
以上的开关频率下工½,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
D1½D4
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,½成噪声。
1.2
开关回路的噪声
一是电磁辐射。电源在工½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½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½½引起的浪涌电压。在开关回路中开关管
T
的负½½是脉冲变压器的初级线圈
L1,是感性负½½
所以开关管在通
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断时,在脉冲变压器的初级线圈的两端会出现较高的浪涌电压,很可½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½时,整流二极管
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
C2
构成了高频开关电流环路,可½向空间辐射噪声。如果电容
C2
滤波不足,则高频电流将以差模½式混在输出直流电
压上,½响负½½电路的正常工½。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½换时频率很高,即由导通½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,½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½用。散热片
K
与开关管
T
的集电极间½然有绝缘垫片,½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½½略。因此高频电流会通过
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½用。脉冲变压器的初、次级之间存在的分布电容
Cd,可½会将原边高频电
压直接耦合到副边上去,在副边用½直流输出的两条电源线上产生同相½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½量;二是破坏干扰路径;三是采用屏½。
2.1
减小干扰源½量
由于开关电源的干扰源是不可½消除的,所以减小干扰源的½量就显得非常必要。一般采取的措½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½响电路正常工½;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½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,½用方便。
2.2
破坏干扰路径
一是针对开关电源中分布电容引起的电场噪声采取措½。主要抗干扰措½有:(1)减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容
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Ci。选用½介电常数的材料½绝缘垫,加厚垫片的厚度,并采用静电屏½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,½为静电屏½层,接在输入直流
0V
地上,散热片
仍接在机壳地上,这样将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½层将
Ci
分成
Ci1
Ci2
的串联½式,图
3
b
是实物图。(2)减少脉冲变压器的分布电容
Cd。在一次侧和
二次侧间加静电屏½层,屏½层应½量靠近发射极并接地,这样将耦合电容
Cd
也分成
Cd1
Cd2
的串联½式,如图
4
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½,即采用滤波技术破坏干
扰。采用的滤波技术有:(1)交流侧滤波。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,½响电½中其它用电设备,同时也抑制来自电½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
LD
100½700μH,CD
1½10μF,对抑制 10½150kHz
的噪声比较有效。LC、CC 抑制共模
噪声,一般
LC
1½3mH,CC
2000½6800pF,对抑制 150kHz
以上的共模噪声有效。对于具½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。在开关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½扼流圈失去½用,扼流圈的磁芯必须采用
高频特性½且饱和磁场强度大的恒μ磁芯。
2.3
屏½
抑制辐射噪声的有效方法是屏½。用导电良½的材料对电场屏½,用导磁率高的材料对磁场屏½。为了防止脉冲变压器的磁
场泄露,可利用闭合磁环½成磁屏½,对整个开关电源要进行屏½。在屏½时应考虑散热和通风问题,屏½盒上的通风孔最
½为圆½,接缝处最½焊接,以保证电磁的连续性。
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有问必答)
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½、元器件的布局以及各种电源线、信号线的捆扎、配½等,
有许多工½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,½开关电源得到更广泛的应用。
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