开关电源的电磁兼容性设计

2011-01-22,,

淮阴师范学院学报（自然科学版） 2011年1期

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(1.中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州 221008;2.淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,江苏淮安 223300)

0 引言

电源对任何电子设备来说都是必备部分,电源部分的可靠性直接关系到设备的可靠性．开关电源与线性稳压电源相比,具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点,广泛用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域[1-2]．但开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰(EMI)．EMI信号既占有很宽的频率范围,又有一定的幅度,经传导和辐射会污染电磁环境,对通信设备和电子仪器造成干扰[3]．如果处理不当,开关电源本身就会变成一个干扰源．随着电子产品的电磁兼容性(EMC)日益受到重视,抑制开关电源的EMI,提高电子产品的质量,使之符合有关EMC标准或规范,已成为电子产品设计者越来越关注的问题．

1 开关电源EMI分析

开关电源产生EMI的因素较多．因为开关电源内部的功率开关管、整流或续流二极管及主功率变压器在高压、大电流及高频开关的方式下工作,其电压电流波形多为方波,所以在高压大电流的方波切换过程中,方波电压电流会产生丰富的谐波电压及谐波电流．这些谐波电压及谐波电流可通过电源输入线或开关电源的输出线传出,对同一电网上供电的其它设备及电网产生干扰．由于电压差可

以产生电场,电流的流动可以产生磁场,丰富的谐波电压电流的高频部分,在开关电源内部就会产生电磁场,造成开关电源内部工作的不稳定,使电源的性能降低．而且部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙,向周围空间辐射,与通过电源线、直流输出线产生的辐射电磁场,一起通过空间传播的方式,对其它高频设备及对电磁场比较敏感的设备造成干扰,引起其它设备工作异常．

由于开关电源中的二级管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流,通过高频变压器、储能电感线圈和导线以及系统结构等若干因素的影响,基本整流器产生电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生尖峰电压干扰．基本整流器的整流过程常常会引起电磁干扰．因为正弦波通过整流器后不再是单一频率的电流,而是变成单向脉动电源,此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和．较高的谐波(特别是高次谐波)会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰,一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变,另一方面通过电源线产生射频干扰,使接收机等产生噪声[4-5]．

变压器型功率转换电路是实现变压、变频以及完成输出电压调整的部件,是开关稳压电源的核心,主要由开关管和高频变压器组成．它产生的尖峰电压是一种有较大辐度的窄脉冲,其频带较宽且谐波比较丰富,产生这种干扰的主要有如下一些原因:

1)开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感．在开关管导通的瞬间,变压器初级出现很大的电流,它在开关管过激励较大时,将造成尖峰噪声．这个尖峰噪声实际上是尖脉冲,轻者造成干扰,重者有可能击穿开关管．

3)由输出整流二级管产生的干扰．在输出整流二级管截止时,有一个反向电流,它恢复到零点的时间与结电容等因素有关．其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管为硬恢复特性二级管,这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下,将产生较强的高频干扰,其频率可达数十MHz．

开关电源中电磁干扰的产生与耦合途径．首先,整流器电路的非线形可能会对交流普通电产生不利影响;其次,初级电路中的功率晶体管与散热器之间的容性耦合会在电源输入端产生传导的共模噪声源,该共模传导的途径形成一个环路,该环路始于高变电压的晶体管外壳,经过该晶体管外壳与散热器之间的寄生电容耦合,再经过接地的散热器和安全接地线,通过交流的高频导纳和输入电源线返回．

2 开关电源EMI的抑制措施

从电磁兼容的三要素出发考虑,要解决开关电源的电磁干扰问题,可从3个方面入手: 1)减小干扰源产生的干扰信号;2)切断干扰信号的传播途径;3)增强受干扰体的抗干扰能力．为此,抑制开关电源电磁干扰要采取的主要方法有: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．

2.1 电路措施

图1 RC吸收电路

图2 D-RC吸收电路

图3 二极管两端的RC吸收电路

图4 EMI滤波器基本结构

3)EMI滤波．EMI滤波技术是抑制干扰的一种有效措施,尤其是在抑制开关电源的传导干扰方面,具有明显的效果．开关电源的传导干扰可分为共模干扰和差模干扰．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．差模干扰是在相线与中线间存在的干扰．其电流在相线与中线同时存在,大小相同,流向相反．无论是共模干扰还是差模干扰,都能使用EMI滤波器抑制．因为,通过对开关电源干扰的分析和实测可知,开关电源的干扰频率和频域要比电网频率高得多和宽得多．目前开关电源EMI滤波器主要采用的是性能优良的无源低通滤波器,其基本电路结构如图4所示．由于电源线中往往同时存在上述两种干扰,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．此外,在使用EMI滤波器时还要考虑滤波器的安装质量．

4)开关频率调制技术．频率固定不变的调制脉冲产生的干扰在低频段主要是调制频率的谐波干扰,且这些干扰主要集中的各谐波点上,如图5a所示．利用频率调制技术降低开关电源的EMI电平的基本思想是:通过调制开关频率fc的方法把集中在fc,2fc,3fc,…上的能量分散到它们周围的频带上,如图5b所示,由此降低各个频率点上的EMI幅值,从而实现EMI标准规定的限定值,但是图中方法却不能降低总的干扰能量．

(a)恒频PWM的EMI频谱 (b)开关频率调制PWM的EMI频谱

5)功率管优化驱动技术．通过缓冲吸收电路可以延缓功率开关器件的通断过程,从而降低开关电源的EMI电平,但同时会因为附加的吸收电路的损耗,导致电源总效率的下降．另一种降低开关电源EMI电平的方法是选择合适的驱动电路参数,使得驱动电路不仅能够满足开关管的正常导通的要求,还能控制开关开通和分断时其上电压电流的变化率．这样可以维持电路性能不变的同时降低EMI电平．

2.2 元器件选择

选择不易产生噪声的元器件也是减少开关电源电磁干扰的重要途径之一．基本原则是选择不易产生噪声的元器件、不易传导和辐射噪声的元器件．通常特别值的注意的是二极管和变压器等绕组类元器件的选用．

2.3 屏蔽

屏蔽的目的是使已产生的EMI不向外部辐射．用电磁屏蔽的方法解决EMI问题的最大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易受电磁波影响的元器件的屏蔽．在开关电源中,可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等,通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，以使其电磁波产生衰减．对抗电磁波较弱的元器件,必要的情况下也应采取相应的屏蔽措施．此外,为不使辐射干扰向外部发散,还应采取整体屏蔽的对策．即选用导电性良好的材料,将开关电源整体屏蔽,使可能向外部发散出去的电磁波衰减．然而,屏蔽材料的接缝、电线的输入输出端子和电线的引出口等处,均易产生电磁泄漏,且不易散热,结构成本也大幅度增加．因此,使用整体屏蔽时应充分考虑这些因素．

2.4 PCB抗干扰设计

图6 PCB布局流程

在开关电源中接地是抑制干扰的重要方法．接地有3种基本类型:安全接地、工作接地和屏蔽接地．安全接地是以安全为目的的保护地线,通常与金属机壳机架相连接;工作接地是指为设备中各个电路提供稳定的零基准电位,其地线称之为系统地线;为了抑制干扰,电缆、变压器等屏蔽层需要接地,相应的地线称之为屏蔽地线．根据电路的性质,将工作接地分为不同的种类,比如直流地、交流地、数字地、模拟地、功率地、信号地和电源地等．地线设计时应注意以下几点:

1)交流电源地与直流电源地分开．在开关电源中采用把交流电源地与直流电源地分开的“浮地”技术,可隔离来自交流电源地线的干扰．

2)模拟电路与数字电路的电源地分开．随着数字开关电源的开发,为了抑制数字芯片的干扰,数字芯片与模拟电路必须隔离,即数字电路与模拟电路的电源地分开．

3)功率地与弱电地分开．功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线．由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高,功率地线上的干扰较大．因此,功率地与其他弱电地必须分别设置．

4)尽量加粗地线．若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使定时控制信号电平不稳,抗噪声性能变坏．