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[導(dǎo)讀]本文詳細(xì)地分析了一種新型功率變換器的電磁干擾的干擾源、耦合路徑以及敏感電路,并在分析干擾產(chǎn)生與耦合機(jī)理的基礎(chǔ)上,提出了相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計(jì)的方法與思路。最后提出了抑制其電磁干擾的一些具體方法。

前言:


電源是一種功率變換系統(tǒng),它對于一切電子設(shè)備都是必不可少的組成部分,作為系統(tǒng)能量之源,其輸出電壓電流的質(zhì)量對其所在電子設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性及電磁兼容性(EMC)都起到了全局性和決定性的影響!開關(guān)電源(SMPS)已在大多數(shù)電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用,但電源自身產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號卻形成了嚴(yán)重的電磁干擾,這些干擾隨著開關(guān)頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強(qiáng),構(gòu)成了一個(gè)強(qiáng)電磁干擾(EMI)源,對電子設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。而相對的是復(fù)雜的電磁環(huán)境卻要求電子設(shè)備具有更高的電磁兼容性,電磁兼容是指在有限的空間、時(shí)間和頻譜范圍內(nèi),各種電氣設(shè)備共存而不引起性能的下降。電磁兼容問題已成為各領(lǐng)域乃至各國政府越來越關(guān)心的問題!因此,只有解決開關(guān)電源的電磁兼容性問題,才能保證其輸出精度、效率及穩(wěn)定性,保證其符合EMC法規(guī)指標(biāo)并為其所在電子系統(tǒng)提供安全、精良、可靠的能源。本文首先結(jié)合并聯(lián)諧振倍壓變換器對開關(guān)電源的整體EMI情況包括干擾源、耦合路徑以及敏感電路進(jìn)行了確定和分析,并同時(shí)闡述了開關(guān)電源EMI產(chǎn)生的機(jī)理,在此基礎(chǔ)上提出了開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)以及在EMC設(shè)計(jì)過程中應(yīng)著重處理的技術(shù)環(huán)節(jié),最后提出并總結(jié)了解決開關(guān)電源電磁兼容問題的方法和思路和開關(guān)電源EMI抑制技術(shù)。

圖1:SMPS的基本組成


一:SMPS的基本構(gòu)成:


如圖1所示,交流電經(jīng)整流橋進(jìn)入電源的核心部分--用以進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換的DC/DC變換器,此外還有啟動、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等電路,這些電路可統(tǒng)稱為控制電路。輸出采樣電路(R1、R2)檢測輸出電壓變化,并與基準(zhǔn)電壓Uf比較,誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制(PWM)電路,再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比,從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。


二:開關(guān)電源EMI的分析:


開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原因較多,其內(nèi)部電磁兼容問題也比較復(fù)雜,包括主電路和控制電路各自及其之間的EMC問題、主電路的EMI和控制電路的電磁敏感性(EMS)問題、主電路與電網(wǎng)、主電路與負(fù)載、電力電子設(shè)備之間的EMC問題等,其中由基本整流器產(chǎn)生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要原因。開關(guān)電源的EMI特點(diǎn)比較明顯,其電壓、電流變化率很高,電源線路內(nèi)的dv/dt、di/dt較大,產(chǎn)生很大的浪涌電壓、浪涌電流和其它雜散噪聲,同時(shí)向外輻射強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場;干擾的主要形式為傳導(dǎo)干擾和近場干擾;干擾源主要集中在功率開關(guān)器件以及與之相連的散熱器和高頻變壓器且地線電流嚴(yán)重;PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾預(yù)估的難度較大。現(xiàn)結(jié)合SMPS結(jié)構(gòu)(圖1)及并聯(lián)諧振倍壓變換器(圖2)為例介紹開關(guān)電源EMI的干擾源的主要位置及干擾機(jī)理。


             圖2:某DC/DC功率變換器EMI示意圖


1、 輸入整流回路的噪聲:
如圖2中一次整流回路所示,基本整流器的整流過程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因?yàn)檎也娫赐ㄟ^由D1~D4組成的整流器B后變成單向脈動電流已不再是單一頻率的電流,此電流波可分解為一直流分量和一系列頻率不同的交流分量之和。實(shí)驗(yàn)表明,諧波(特別是高次諧波)會沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾,一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變,另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。
2、 開關(guān)回路的噪聲:
變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路用以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調(diào)整,是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心,主要由開關(guān)管Q1、Q2和高頻變壓器T組成。它產(chǎn)生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖,其頻帶較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要原因是:
(1)開關(guān)功率晶體管感性負(fù)載是高頻變壓器或儲能電感,在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間,變壓器T初級出現(xiàn)很大的浪涌電流,將造成尖峰噪聲。這個(gè)尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖,輕者造成干擾,重者有可能擊穿開關(guān)管。
(2)由高頻變壓器產(chǎn)生的干擾:當(dāng)原來導(dǎo)通的開關(guān)管關(guān)斷時(shí),變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電勢:E=-Ldi/dt ,其值與集電極的電流變化率(di/dt)成正比,與漏感量成正比,疊加在關(guān)斷電壓上,形成關(guān)斷電壓尖峰,形成傳導(dǎo)性電磁干擾,既影響變壓器的初級,還會傳導(dǎo)向配電系統(tǒng),影響其它用電設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
3、 輸出整流回路的噪聲:
如圖2中二級整流回路,是由輸出整流二極管產(chǎn)生的干擾。圖2中在輸出整流二極管D6、D7截止時(shí),有一個(gè)反向電流,它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。其中能將反向電流迅速恢復(fù)到零點(diǎn)的二級管稱為硬恢復(fù)特性二極管,這種二極管在變壓器漏感和其它分布參數(shù)的影響下,將產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾,其頻率可達(dá)幾十MHz。
4、 非主回路噪聲:
非主回路既是主回路以外的電路包括輸入輸出控制回路等,一般指圖1中除輸入及DC/DC變換器以外的部分,其中PWM部分的脈沖控制信號是主要的噪聲源。輸入回路易受電網(wǎng)的影響,而輸出回路易受負(fù)載的影響,也都容易將噪聲耦合到開關(guān)電源內(nèi)部。
5、 各種元器件及回路的寄生分布參數(shù)引起的噪聲:
如圖3中所示,在EMI的頻率范圍內(nèi),常用的無源器件都不能再被認(rèn)為是理想的,它們的寄生參數(shù)嚴(yán)重影響著它們的高頻特性。特別是變壓器的許多寄生參數(shù),例如:漏感,原付邊之間的分布電容等,都必須加以考慮。圖4中,一是Co的作用。散熱片k與開關(guān)管Q的集電極間雖然有絕緣墊片,但由于其接觸面較大,絕緣墊較薄,因此兩者之間的分布電容Co在高頻時(shí)不能忽略。因此高頻電流會通過Co流到散熱片上,再流到機(jī)殼地,最終流到與機(jī)殼地相連的交流電源的保護(hù)地線de中,以產(chǎn)生共模輻射。二是C12的作用。脈沖變壓器的初、次級之間存在的分布電容C12,可能會將原邊高頻電壓直接耦合到副邊上去,在副邊用作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生同相位的共模噪聲。


    
圖3:變壓器高頻電路中的寄生電容情況              圖4:開關(guān)電路寄生電容


6、 其他影響開關(guān)電源EMC性能的因素:
除以上元器件及回路外,電網(wǎng)狀況、負(fù)載形式以及電源所在環(huán)境的EMI強(qiáng)度也是影響開關(guān)電源EMC性能的重要因素。以負(fù)載為例,負(fù)載加大,開關(guān)管Q關(guān)斷產(chǎn)生的|dv/dt|值加大,而負(fù)載變化對開通的|dv/dt|影響不大。由于開通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的|dv/dt|不同,從而對外部產(chǎn)生的騷擾脈沖也是不同的。另外PCB的布線及元器件的布局都是相當(dāng)關(guān)鍵的因素。實(shí)踐證明,印制板的元器件布置和布線設(shè)計(jì)對開關(guān)電源EMC性能有極大的影響,在高頻開關(guān)電源中,由于印制板上既有低電平小信號控制線,又有高壓電源母線,同時(shí)還有一些高頻功率開關(guān)、磁性元件,如何在印制板有限的空間內(nèi)合理地安排元器件位置,將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性。
7、開關(guān)電源的敏感電路:
電磁敏感度(EMS)是指在存在電磁干擾的情況下,裝置、設(shè)備或系統(tǒng)不能避免性能降低的能力。開關(guān)電源中,各個(gè)回路和元器件都同時(shí)是干擾源和敏感電路,但相比之下,開關(guān)電源的輸入輸出端、控制電路更容易受EMI 的影響而發(fā)生更嚴(yán)重的連鎖反應(yīng),所以這些電路應(yīng)采取措施進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù),而干擾源則應(yīng)該進(jìn)行抑制。


三:開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)、思路及方法:


開關(guān)電源內(nèi)外部干擾產(chǎn)生及耦合的機(jī)理比較復(fù)雜,牽涉到的因素很多,要解決開關(guān)電源的EMC問題,必須要具體電路具體分析,避免盲目采取接地、屏蔽、濾波等措施。要針對開關(guān)電源EMI的特點(diǎn),確定主要的干擾因素(包括干擾源、耦合路徑、易感電路),有的放矢的采取措施。具體而言,開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)應(yīng)按照抑制干擾源能量、破壞干擾的耦合通道并對敏感電路進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)的思路進(jìn)行,把好電源的輸入輸出關(guān)口,具體考慮以下幾個(gè)方面:
1、 抑制干擾源
 抑制干擾源是抑制開關(guān)電源EMI的根本,是使開關(guān)電源EMI低于規(guī)定極限值的有效方法。
(1)減小功率管通、斷過程中產(chǎn)生的騷擾
如前所述,開關(guān)電源的主要騷擾是來自功率開關(guān)管通、斷的dv/dt。因此減小功率開關(guān)管通、斷的dv/dt是減小開關(guān)電源騷擾的重要方面。軟開關(guān)技術(shù)可以在一定程度上減小開關(guān)管通、斷的dv/dt。在研究各種變換器的EMI特性以及緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對干擾水平影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中表明,具有電壓箝位的零電壓定頻開關(guān)變換器的EMI電平最低。因此,采用軟開關(guān)電源技術(shù),結(jié)合合理的元器件布置及合理的印制電路板布線,對開關(guān)電源的EMI水平有一定的改善。   
(2)開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)
將頻率不變的調(diào)制改為隨機(jī)調(diào)制,變頻調(diào)制。固定頻率調(diào)制脈沖產(chǎn)生的干擾在低頻段主要是調(diào)制頻率的諧波干擾,低頻段的干擾主要集中在各諧波點(diǎn)上。由f.lin提出方法[3]基本思想是通過調(diào)制開關(guān)頻率fc,把集中在fc及其諧波2fc,3fc……上的能量分散到它們周圍的頻帶上,以降低各個(gè)頻點(diǎn)上的emd幅值。該方法不能降低總干擾但能量被分散到頻點(diǎn)的基帶上,從而達(dá)到各個(gè)頻點(diǎn)都不超過emd規(guī)定的限值。
2、 切斷耦合通道
為了達(dá)到這個(gè)目的,主要從選擇合適的開關(guān)電源電路拓?fù)洌徊捎谜_的接地、屏蔽、濾波措施;設(shè)計(jì)合理的元器件布局及印制板布線等幾個(gè)方面考慮。例如,在電源的輸入輸出端加濾波器能有效的阻斷EMI 的耦合通道。在交流電輸入端加裝電源濾波器,可抑制差模噪聲和共模噪聲,濾波器應(yīng)接地,因?yàn)闉V波器的共模旁路電容必須在接地時(shí)才起作用。可將濾波器與金屬外殼相接或用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼與設(shè)備的接地點(diǎn)相連。接地阻抗越低濾波效果越好。濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠(yuǎn)離,避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。
3、 保護(hù)敏感電路
   干擾源和受擾體同時(shí)位于同一塊電路板上,應(yīng)盡量將相互關(guān)聯(lián)的元器件擺放在一起以避免因器件離的太遠(yuǎn)而造成印制線過長所帶來的干擾。開關(guān)回路面積應(yīng)盡量減小而控制回路則應(yīng)避開其輻射范圍放置。另外,對于開關(guān)電源來說,主要是做好機(jī)殼屏蔽,高頻變壓器屏蔽,開關(guān)管和整流二極管的屏蔽。這樣通過屏蔽干擾電路來保護(hù)敏感電路這也是非常好的方法。


四:開關(guān)電源EMI抑制技術(shù):


    除了屏蔽、接地、濾波等常用的EMI抑制技術(shù)以外,針對開關(guān)電源的特點(diǎn),一些新技術(shù),如:軟開關(guān)技術(shù),功率管優(yōu)化驅(qū)動技術(shù)、EMI濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)和共模干擾有源抑制技術(shù)以及前文提及的開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)等。然而,不論任何技術(shù),最終都是為了抑制EMI,其根本是認(rèn)識開關(guān)電源EMI問題的本質(zhì)。開關(guān)電源的EMI抑制技術(shù)目前還處于起步階段,在設(shè)計(jì)新的干擾抑制技術(shù)的同時(shí),綜合運(yùn)用已有的方法和技術(shù)也不失為一種好的方法。


五:結(jié)語:


開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的課題,應(yīng)該將設(shè)計(jì)思想方法與具體技術(shù)相結(jié)合,在分析開關(guān)電源EMI產(chǎn)生的位置、機(jī)理、強(qiáng)度等相關(guān)因素的基礎(chǔ)之上,建立有效的EMI分析設(shè)計(jì)模型,綜合運(yùn)用各種手段來進(jìn)行解決。目的是使電源產(chǎn)品滿足相應(yīng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗擾度極限值要求,在受到一定的電磁騷擾時(shí),無性能的下降或故障;同時(shí)還要滿足相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁極限值要求,對電磁環(huán)境不構(gòu)成污染源,而實(shí)現(xiàn)電磁兼容。開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)需受到電源開發(fā)工程師的認(rèn)真對待和足夠的重視,必須將這一環(huán)節(jié)放到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)階段來做,否則付出的代價(jià)將是巨大的。

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