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開關電源電磁干擾機理與抑制措施

深圳市興中科電源科技有限公司發布時間:2020-12-23


  開關電源電磁干擾抑制的目的是使產品在一定的電磁環境下受到電磁干擾時,無性能的下降或故障,能工作正常,同時對電磁環境不構成污染。

  

  一、開關電源電磁干擾的產生機理

  

  開關電源產生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種?,F在按噪聲干擾源來分別說明;

  

  1、二極管的反向恢復時間引起的干擾

  

  高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過,在其受反偏電壓而轉向截止時,由于pn結中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時間里,電流會反向流動,致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化(di/dt)。

  

  2開關管工作時產生的諧波干擾

  

  功率開關管在導通時流過較大的脈沖電流。例如正激型,推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波,其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時,這種諧波干擾將會很小。另外,功率開關管在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會產生尖峰干擾。

  

  3交流輸入回路產生的干擾

  

  無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產生干擾。

  

  開關電源產生的尖峰干擾和諧波干擾能量,通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導干擾;而諧波和寄生振蕩的能量,通過輸入輸出線傳播時,都會在空間產生電場和磁場。這種通過電磁輻射產生的干擾稱為輻射干擾。

  

  4、其他原因

  

  元器件的寄生參數,開關電源的原理圖設計不夠完美,印刷線路板(pcb)走線通常采用手工布置,具有很大的隨意性,pcb的近場干擾大,并且印刷板上器件的安裝、放置,以及方位的不合理都會造成emi干擾。

  

  二、電磁干擾的相關理論

  

  1、開關電源的主要電磁干擾源

  

  開關電源中的電磁干擾源主要有開關器件、二極管和非線性無源元件。在開關電源中,印制板布線不當也是引起電磁干擾的一個主要因數。

  

  1.1開關電路產生的電磁干擾

  

  對開關電源來說,開關電路產生的電磁干擾是其主要干擾源之一。開關電路是開關電源的核心,主要由開關管和高額變壓器組成。他產生的dv/dt具有較大的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產生的主要原因是:

  

  (1)開關管負載為高頻變壓器初級線圈,是感性負載。在開關導通瞬間,初級線圈產生很大的涌流,并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓.在開關管斷開瞬間,由于初級線圈的漏磁通,致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈,儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在關斷電壓上,形成關斷尖峰電壓。

  

  這種電源電壓中斷會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變,這個噪聲會傳導到輸入輸出端,形成傳導干擾,重者有可能擊穿開關管。

  

  (2)脈沖變壓器初級線圈,開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能產生較大的空間輻射,形成輻射干擾,如果電容濾波容量不足或高頻特性不好,電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導干擾。

  

  1.1.2二極管整流電路產生的電磁干擾

  

  主電路中整流二極管產生的反向恢復電流的1di/dt1遠比續流二極管恢復電流Idi/dtl小得多。作為電磁干擾源來研究,整流二極管反向恢復電流形成的干擾強度大,頻帶寬。整流二極管產生的電壓跳變遠小于電源中的功率開關管導通和關斷時產生的電壓跳變。因此,不計整流二極管產生的Idv/dtI和Idi/dtl的影響,而把整流電路當成電磁干擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。

  

  2、開關電源電磁干擾的耦合通道

  

  開關電源通過耦合通道對自身產生干擾。通常多采用差模和共模干擾加以分析。

  

  “共模干擾”是指干擾大小和方向一致,其存在于電源任何一相對大地,或中線對大地間。共模干擾也稱縱模干擾、不對稱干擾或接地干擾。是載流體與大地之間的干擾。

  

  “差模干擾”是指干擾大小相等,方向相反,其存在于電源相線與中線之間。差模干擾也稱常模干擾、橫模干擾或對稱干擾?!み@是載流體之間的干擾。

  

  共模干擾說明了干擾是由輻射或串擾耦合到電路中的。而差模干擾則說明了干擾是源于同一條電路的。通常這兩種干擾是同時存在的,由于線路阻抗的不平衡,兩種干擾在傳輸中還會互相轉化.所以情況非常復雜。

  

  三、抑制干擾的幾種措施

  

  形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因而,抑制電磁干擾也應該從這3方面著手。首先應該抑制干擾源,直接消除干擾原因,其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道,它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

  

  采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。例如,功率開關管和輸出二極管通常有較大的功率損耗,為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣.這就使器件與底板和散熱器之間產生了分布電容,開關電源的底板是交流電源的地線,因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產生共模干擾,解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割斷了射頻干擾向輸入電網傳播的途徑。為了抑制開關電源產生的輻射,電磁干擾對其他電子設備的影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個屏蔽罩與系統的機殼和地連接為一體,就能對電磁場進行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾。

  

  電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導體時常增強靜電耦合而產生所謂“負靜電屏蔽”效應。所以仍以接地為好,這樣使電磁屏蔽能同時發揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連,可為信號回路提供穩定的參考電位。因此,系統中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連.

  

  在電路系統設計中應遵循。一點接地”的原則,如果形成多點接地,會出現閉合的接地環路,當磁力線穿過該回路時將產生磁感應噪聲,實際上很難實現“一點接地”。因此,為降低接地阻抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地.利用一個導電平面(底板或多層印制板電路的導電平面層等)作為參考地。需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統中,應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后,再連接到公共參考點上。

  

  濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,可以抑制開關電源產生并向電網反饋的干擾.也可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環,它們能夠改善電路的濾渡特性。恰當地設計或選擇濾波器,并正確地安裝和使用濾波器,是抗干擾技術的重要組成部分。

  

  產生開關電源電磁干擾的因素還很多,抑制電磁干擾還有大量的工作。全面抑制開關電源的各種噪聲會使開關電源得到更廣泛的應用。


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