开关电源传导干扰分析与整改

2015-07-26杜建立沈延峰中国电子科学研究院系统电磁效能测试评估中心北京100041

山东工业技术 2015年7期

关键词：抑制电源测试

杜建立,沈延峰（中国电子科学研究院系统电磁效能测试评估中心,北京 100041）

开关电源传导干扰分析与整改

杜建立,沈延峰
（中国电子科学研究院系统电磁效能测试评估中心,北京 100041）

摘要：本文针对开关电源在使用过程中对外围设备产生的干扰展开研究，分析了其可能带来的危害以及产生危害的原理，结合日常测试经验给出相应的抑制方法，最后，通过整改实例验证了该方法的有效性。

关键词：EMI；抑制；测试；电源

0 引言

随着现代科学技术的发展和电子产品种类的日新月异，各种电子设备和产品充斥着市场，机电、机械、微波、调频等等不同门类不同型号，使得人类的生活环境布满了各种频率和频段的电磁波谱和射线，这些射线相互影响、干扰已经严重威胁和影响了仪器设备的架设和正常使用，因此，EMC(电磁兼容)问题已经被广泛研究和高度重视。其中，开关电源传导干扰性问题也是不可以回避的问题。考虑到其与很多线性稳压电源不同，特别是效率高、功耗小、重量轻、体积小等问题，就更不能不进行相关抗干扰的研究。同时，考虑到其主要缺点是产生较强的电磁干扰(EMI)，其信号具有宽频率范围和幅度的特点以及在传导和辐射时会污染电磁环境的特点，必须采取有效措施开展抑制传导干扰的工作和研究，为此首先要对产品进行电磁辐射波诊断，找出干扰源所在的具体位置以及相互干扰的方法和途径，然后比对测试与分析的结果，最后根据结果对设备进行屏蔽整改。

1 干扰产生机理

由于开关电源中的开关管频率较高，在开关开、闭过程中二极管和晶体管就会产生较高的电压和电流，这种跃变所产生的峰值脉冲会对包括储能电感线圈、高频变压器、导线、供电电源、机架、接地平面、互感或电容等产生不可忽略的影响，其中压器型功率转换电路以及电流高次谐波干扰产生的脉冲跃变电压的影响最为大。究其原因主要有：正弦波被整流器整流以后成为多频率的电流，即单向脉动电流。该电流波形可以被分解成一个直流分量和一系列的交流分量。

分析产生这种脉冲干扰的原因发现主要存在以下几个问题：一是，开关功率晶体管的负载一般是储能电感。在开关管导通的时候，变压器会出现较大电流造成尖峰噪声峰值。这个峰值噪声就是尖脉冲，轻者造成电流干扰，重者有可能会导致开关管被击穿；二是，输入电流的畸变会产生干扰。开关电源输入端一般会采用桥式整流电容滤滤电路（见图1） ,这种电路滤波电容的充电时间短, 从而形成幅度高而宽度窄的脉冲电流（见图2）。

通过傅氏变换可以得到：丰富的谐波成分包含在畸变的电流中。而且，数据表明辐射干扰和传导干扰都是由于高次谐波的输入而产生的，是丰富的谐波畸变；3) 整流二极管输出会产生干扰。因为，反向电流在恢复到零点时该段时间与结电容相关，其决定于输出整流二极管截止时。如果将反向电流迅速恢复到零点的二极管，这种情况下，分布参数包括二极管都会在变压器漏感影响下产生强高频干扰。

2 干扰抑制方法

EMI 是一种有效抑制尖脉冲干扰的滤波技术, 被广泛用于滤除多种原因产生的传导干扰。

图3所示为一种由电感和电容组成的EM I 滤波装置。该装置接入开关电源。从该图中可以看到：高频电路电容（C1、C5）用以滤除掉两输入电源线间的差模干扰C2与L1、C4等组成的共模干扰滤波环节,同时由于L 3、L 4 的初次级匝数相等、交流电流、极性相反在磁芯中产生的磁通相反，我们可以将其用于滤除电源线与地之间非对称的共模干扰，从而实现有效抑制共模干扰。

3 整改实例分析

下面通过对某车载供电单元的整改实例加以分析（图4）为整改前测试结果，超标频段30kHz至60kHz和250kHz至400kHz。从测试结果可以看出，由于开关电源的总电流谐波含量比较高，导致谐波电流分别以传导干扰和辐射干扰的方式污染了电网, 造成相关仪器无法正常运行，（图5）为在DC28V滤波器入线端并连2.2μF电容一只。

桥式整流电容滤波电路有其自身特点的输入属性，其中，降低谐波含量是关键，同时也能提高线路功率。因为，电流谐波含量过高会导致功率因数发生重大变化，同时开关电源采用的该滤波电路也会导致电流谐波含量过高。在原滤波器基础上电源新输入端新增150μH共模电感一只、并连2.2μF电容一只，将其谐波含量降低。（图6）为整改后测试结果。将有效的滤波手段和方法用于对开关电源的控制, 以期达到电磁兼容性要求。