隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展,電子電氣設(shè)備的廣泛應(yīng)用,處于同一工作環(huán)境的各種電子、電氣設(shè)備的距離越來越近,電子電路工作的外部環(huán)境進(jìn)一步惡化。由于開關(guān)電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài),內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率,導(dǎo)致開關(guān)電源產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。電磁干擾信號(hào)不僅對(duì)電網(wǎng)造成污染,還直接影響到其他用電設(shè)備甚至電源本身的正常工作,而且作為輻射干擾闖入空間,造成電磁污染,制約著人們的生產(chǎn)和生活。
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So easy !抑制開關(guān)電源的電磁干擾
發(fā)布時(shí)間:2015-03-09 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】由于開關(guān)電源本身的工作原理,使得電磁干擾問題相當(dāng)突出,其干擾信號(hào)經(jīng)傳導(dǎo)和輻射對(duì)電子設(shè)備、通信系統(tǒng)等產(chǎn)生電磁污染。本文從電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理入手,著重分析了開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的原因,總結(jié)了抑制電磁干擾的措施,比如濾波、屏蔽、接地、PCB設(shè)計(jì)、擴(kuò)頻調(diào)制等幾個(gè)方面,對(duì)開關(guān)電源電磁干擾的抑制措施進(jìn)行了分析討論。
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展,電子電氣設(shè)備的廣泛應(yīng)用,處于同一工作環(huán)境的各種電子、電氣設(shè)備的距離越來越近,電子電路工作的外部環(huán)境進(jìn)一步惡化。由于開關(guān)電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài),內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率,導(dǎo)致開關(guān)電源產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。電磁干擾信號(hào)不僅對(duì)電網(wǎng)造成污染,還直接影響到其他用電設(shè)備甚至電源本身的正常工作,而且作為輻射干擾闖入空間,造成電磁污染,制約著人們的生產(chǎn)和生活。
開關(guān)電源以其體積小,重量輕,高性能,高可靠性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備通信、自動(dòng)控制、家用電器等領(lǐng)域,為人們的生產(chǎn)生活和社會(huì)的建設(shè)提供了很大幫助。
國內(nèi)在20世紀(jì)80一90年代,為了加強(qiáng)對(duì)當(dāng)前國內(nèi)電磁污染的治理,制定了一些與CISPR標(biāo)準(zhǔn)、IEC801等國際標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。自從2003年8月1日中國強(qiáng)制實(shí)施3C認(rèn)證(china compulsory certification)工作以來,掀起了“電磁兼容熱”,近距離的電磁干擾研究與控制愈來愈引起電子研究人員們的關(guān)注,當(dāng)前已成為當(dāng)前研究領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)。本文將針對(duì)開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理系統(tǒng)地論述相關(guān)的抑制技術(shù)。
1 開關(guān)電源電磁干擾的抑制
形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而,抑制電磁干擾應(yīng)從這三方面入手。抑制干擾源、消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射、提高受擾設(shè)備的抗擾能力,從而改善開關(guān)電源的電磁兼容性能的目的
1.1 采用濾波器抑制電磁干擾
濾波是抑制電磁干擾的重要方法,它能有效地抑制電網(wǎng)中的電磁干擾進(jìn)入設(shè)備,還可以抑制設(shè)備內(nèi)的電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)。在開關(guān)電源輸入和輸出電路中安裝開關(guān)電源濾波器,不但可以解決傳導(dǎo)干擾問題,同時(shí)也是解決輻射干擾的重要武器。濾波抑制技術(shù)分為無源濾波和有源濾波2種方式。
1.1.1 無源濾波技術(shù)
無源濾波電路簡(jiǎn)單,成本低廉,工作性能可靠,是抑制電磁干擾的有效方式。無源濾波器由電感、電容、電阻元件組成,其直接作用是解決傳導(dǎo)發(fā)射。開關(guān)電源中應(yīng)用的無源濾波器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
由于原電源電路中濾波電容容量大,整流電路中會(huì)產(chǎn)生脈沖尖峰電流,這個(gè)電流由非常多的高次諧波電流組成,對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾;另外電路中開關(guān)管的導(dǎo)通或截止、變壓器的初級(jí)線圈都會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)電流。由于電流變化率很高,對(duì)周圍電路會(huì)產(chǎn)生出不同頻率的感應(yīng)電流,其中包括差模和共模干擾信號(hào),這些干擾信號(hào)可以通過2根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)其他線路和干擾其他的電子設(shè)備。圖中差模濾波部分可以減少開關(guān)電源內(nèi)部的差模干擾信號(hào),又能大大衰減設(shè)備本身工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)傳向電網(wǎng)。又根據(jù)電磁感應(yīng)定律,得E=Ldi/dt,其中:E為L兩端的電壓降;L為電感量;di/dt為電流變化率。顯然要求電流變化率越小,則要求電感量就越大。
脈沖電流回路通過電磁感應(yīng)其他電路與大地或機(jī)殼組成的回路產(chǎn)生的干擾信號(hào)為共模信號(hào);開關(guān)電源電路中開關(guān)管的集電極與其他電路之間產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng),電路會(huì)產(chǎn)生位移電流,而這個(gè)位移電流也屬于共模干擾信號(hào)。圖1*模濾波器就是用來抑制共模干擾,使之受到衰減。
1.1.2 有源濾波技術(shù)
有源濾波技術(shù)是抑制共模干擾的一種有效方法。該方法從噪聲源出發(fā)而采取的措施(如圖2所示),其基本思想是設(shè)法從主回路中取出一個(gè)與電磁干擾信號(hào)大小相等、相位相反的補(bǔ)償信號(hào)去平衡原來的干擾信號(hào),以達(dá)到降低干擾水平的目的。如圖2所示,利用晶體管的電流放大作用,通過把發(fā)射極的電流折合到基極,在基極回路來濾波。R1,C2組成的濾波器使基極紋波很小,這樣射極的紋波也很小。由于C2的容量小于C3,減小了電容的體積。這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。另外,在設(shè)計(jì)和選用濾波器時(shí)應(yīng)注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。濾波器的安裝位置要恰當(dāng),安裝方法要正確,才能對(duì)干擾起到預(yù)期的濾波作用。
1.2 屏蔽技術(shù)和接地技術(shù)
采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。屏蔽一般分為2種:一種是靜電屏蔽,主要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響;另一種是電磁屏蔽,主要用于防止交變電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響。屏蔽技術(shù)分為對(duì)發(fā)出電磁波部位的屏蔽和受電磁波影響的元器件的屏蔽。在開關(guān)電源中,可發(fā)出電磁波的元器件是指變壓器、電感器、功率器件等,通常在其周圍采用銅板或鐵板作為屏蔽,以使電磁波產(chǎn)生衰減。
此外,為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射向外部發(fā)散,為了減少電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響,應(yīng)采取整體屏蔽??赏耆凑諏?duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體,就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。然而在使用整體屏蔽時(shí)應(yīng)充分考慮屏蔽材料的接縫、電線的輸入/輸出端子和電線的引出口等處的電磁泄露,且不易散熱,結(jié)構(gòu)成本大幅度增加等因素。
為使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用,加強(qiáng)屏蔽效果,同時(shí)保障人身和設(shè)備的安全,應(yīng)將系統(tǒng)與大地相連,即為接地技術(shù)。接地是指在系統(tǒng)的某個(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)接地面之間建立導(dǎo)電的通路設(shè)計(jì)。這一過程是至關(guān)重要的,將接地和屏蔽正確結(jié)合起來可以更好地解決電磁干擾問題,又可提高電子產(chǎn)品的抗干擾能力。
1.3 PCB設(shè)計(jì)技術(shù)
為更好地抑制開關(guān)電源的電磁干擾,其印制電路板(PCB)的抗干擾技術(shù)尤為重要。為減少PCB的電磁輻射和PCB上電路間的串?dāng)_,要非常注意PCB布局、布線和接地。如減少輻射干擾是減小通路面積,減小干擾源和敏感電路的環(huán)路面積,采用靜電屏蔽。而抑制電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦合,應(yīng)盡量增大線間距離。
在開關(guān)電源中接地是抑制干擾的重要方法。接地有安全接地、工作接地和屏蔽接地等3種基本類型。地線設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):交流電源地與直流電源地分開;功率地與弱電地分開;模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開;盡量加粗地線。
1.4 一次整流電路中加功率因數(shù)校正(PFC)網(wǎng)絡(luò)
對(duì)于直流穩(wěn)壓電源,電網(wǎng)電壓通過變壓器降壓后直接通過整流電路進(jìn)行整流,所以整流過程中產(chǎn)生的諧波分量作為干擾直接影響交流電網(wǎng)的波形,使波形畸變,功率因數(shù)偏低。為了解決輸入電流波形畸變和降低電流諧波含量,將功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)電源中是非常必要的。PFC技術(shù)使得電流波形跟隨電壓波形,將電流波形校正成近似的正弦波,從而降低了電流諧波含量,改善了橋式整流電容濾波電路的輸入特性,提高了開關(guān)電源的功率因數(shù)。其中無源功率因數(shù)校正電路是利用電感和電容等元件組成濾波器,將輸入電流波形進(jìn)行移相和整形過程來實(shí)現(xiàn)提高功率因數(shù)的。而有源功率因數(shù)校正電路是依據(jù)控制電路強(qiáng)迫輸入交流電流波形跟蹤輸入交流電壓波形的原理來實(shí)現(xiàn)交流輸入電流正弦化,并與交流輸入電壓同步。兩種方法均使功率因數(shù)提高,后者效果更加明顯,但電路復(fù)雜。
1.5 擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)
對(duì)于一個(gè)周期信號(hào)尤其是方波來說,其能量主要分布在基頻信號(hào)和諧波分量中,諧波能量隨頻率的增加呈級(jí)數(shù)降低。由于n次諧波的帶寬是基頻帶寬的n倍,通過擴(kuò)頻技術(shù)將諧波能量分布在一個(gè)更寬的頻率范圍上。由于基頻和各次諧波能量減少,其發(fā)射強(qiáng)度也應(yīng)該相應(yīng)降低。要在開關(guān)電源中采用擴(kuò)頻時(shí)鐘信號(hào),需要對(duì)該電源開關(guān)脈沖控制電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,形成擴(kuò)頻時(shí)鐘(如圖3所示)。與傳統(tǒng)的方法相比,采用擴(kuò)頻技術(shù)優(yōu)化開關(guān)電源EMI既高效又可靠,無需增加體積龐大的濾波器件和繁瑣的屏蔽處理,也不會(huì)對(duì)電源的效率帶來任何負(fù)面影響
2 結(jié)語
本文的設(shè)計(jì)方法正確,仿真結(jié)果正常,克服了傳統(tǒng)方案中所存在的一些問題,使電磁干擾的抑制技術(shù)得到進(jìn)一步優(yōu)化。從開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理來看,有多種方式可抑制電磁干擾,除本文中分析的幾種主要方法外,還可以采用光電隔離器、LSA系列浪涌吸收器、軟開關(guān)技術(shù)等。抑制開關(guān)電源的電磁干擾,目的是使其能在各領(lǐng)域得到有效應(yīng)用的同時(shí),盡量減少電磁污染,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁污染問題的有效治理。而在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)全面考慮開關(guān)電源的各種電磁干擾,選用多種抑制電磁干擾的方法加以綜合利用,使電磁干擾降到最低,從而提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。
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