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減少開關(guān)電源間電磁干擾的方法

發(fā)布時間:2019-03-26 責任編輯:xueqi

【導讀】開關(guān)電源中的電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾兩種。通常傳導干擾比較好分析,可以將電路理論和數(shù)學知識結(jié)合起來,對電磁干擾中各種元器件的特性進行研究;但對輻射干擾而言,由于電路中存在不同的干擾源的綜合作用,又涉及到電磁場理論,分析起來比較困難。
 
開關(guān)電源也叫交換式電源、開關(guān)變換器,是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置,是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓,透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備,例如個人電腦,而開關(guān)電源就進行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。
 
 
開關(guān)電源不同于線性電源,開關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區(qū))及全閉模式(截止區(qū))之間切換,這兩個模式都有低耗散的特點,切換之間的轉(zhuǎn)換會有較高的耗散,但時間很短,因此比較節(jié)省能源,產(chǎn)生廢熱較少。理想上,開關(guān)電源本身是不會消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是透過調(diào)整晶體管導通及斷路的時間來達到。相反的,線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過程中,晶體管工作在放大區(qū),本身也會消耗電能。開關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點,而且因為開關(guān)電源工作頻率高,可以使用小尺寸、輕重量的變壓器,因此開關(guān)電源也會比線性電源的尺寸要小,重量也會比較輕。
 
開關(guān)電源中的電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾兩種。通常傳導干擾比較好分析,可以將電路理論和數(shù)學知識結(jié)合起來,對電磁干擾中各種元器件的特性進行研究;但對輻射干擾而言,由于電路中存在不同的干擾源的綜合作用,又涉及到電磁場理論,分析起來比較困難。
 
傳導干擾可分為共模(CM)干擾和常模(DM)干擾。由于寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)電源中開關(guān)器件的高頻開通與關(guān)斷,開關(guān)電源在其輸入端(即交流電網(wǎng)側(cè))產(chǎn)生較大的共模干擾和常模干擾。
 
變換器工作在高頻情況時,由于dvldt很高,激發(fā)變壓器繞組間以及開關(guān)管與散熱片間的寄生電容,從而產(chǎn)生共模干擾。
 
根據(jù)共模干擾產(chǎn)生的原理,實際應用時常采用以下幾種抑制方法:
 
(1)優(yōu)化電路元器件布置,盡量減少寄生、糯合電容。
(2)延緩開關(guān)的開通、關(guān)斷時間,但這與開關(guān)電源高頻化的趨勢不符。
(3)應用緩沖電路,減緩dv/dt的變化率。變換器中的電流在高頻情況下作開關(guān)變化,從而在輸人、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的dv/dt,即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應出干擾電壓,這時就會產(chǎn)生常模干擾。故選用高質(zhì)量的濾波電容(等效電感或阻抗很低)可以降低常模干擾。
 
輻射干擾又可分為近場干擾[測量點與場源距離<λ/6(λ為干擾電磁波波長)]和遠場干擾(測量點與場源距離>λ/6)。由麥克斯韋電磁場理論可知,導體中變化的電流會在其周圍空間產(chǎn)生變化的磁場,而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場。兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產(chǎn)生電磁場的大小以及其作用范圍。在輻射研究中天線是電磁輻射源,在開關(guān)電源電路中,主電路中的元器件、連線都可以認為是天線,可以應用電偶極子和磁偶極子理論來分析。分析時,二極管、開關(guān)管、電容等可看成電偶極子;電感線圈可以認為是磁偶極子,再以相關(guān)的電磁場理論進行綜合分析就可以了。
 
需要注意的是,不同支路的電流相位不一定相同,在磁場計算時這一點尤其重要。相位不同,一是因為干擾從干擾源傳播到測量點存在時延作用(也稱遲滯效應);二是因為元器件本身的特性導致相位不同。如電感中電流相位比其他元器件要滯后。遲滯效應引起的相位滯后是信號頻率作用的結(jié)果,僅在頻率很高時作用才較明顯(如GHz級或更高);對于功率電子器件而言,頻率相對較低,故遲滯效應作用不是很大。
 
在開關(guān)電源產(chǎn)生的兩類干擾中,傳導干擾由于經(jīng)電網(wǎng)傳播,會對其他電子設(shè)備產(chǎn)生嚴重的干擾,往往引起更嚴重的問題。常用的抑制方法有緩沖器法,減少搞合路徑法,減少寄生元件法等。近年來,隨著對電子設(shè)備電磁干擾的限制越來越嚴格,又出現(xiàn)了一些新的抑制方法,主要集中在新的控制方法與新的無源緩沖電路的設(shè)計等幾個方面。
 
調(diào)制頻率控制
 
干擾是根據(jù)開關(guān)頻率變化的,干擾的能量集中在這些離散的開關(guān)頻率點上,所以很難滿足抑制電磁干擾(EMI)的要求。通過將開關(guān)信號的能量調(diào)制分布在一個很寬的頻帶上,產(chǎn)生一系列的分立邊頻帶,則干擾頻譜可以展開,干擾能量被分成小份分布在這些分立頻段上,從而更容易達到EMI標準。調(diào)制頻率控制就是根據(jù)這種原理實現(xiàn)對開關(guān)電源電磁干擾的抑制。
 
最初人們采用隨機頻率控制,其主要思想是在控制電路中加入一個隨機擾動分量,使開關(guān)間隔進行不規(guī)則變化。則開關(guān)噪聲頻譜由原來離散的尖峰脈沖噪聲變成連續(xù)分布噪聲,其峰值大大下降。具體辦法是,由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生兩種不同占空比的脈沖,再與電壓放大器產(chǎn)生的誤差信號進行采樣選擇產(chǎn)生最終的控制信號。
 
但是,隨機頻率控制在開通時基本上采用PWM控制的方法,在關(guān)斷時才采用隨機頻率,因而其調(diào)制干擾能量不便控制,抑制干擾的效果不是很理想。而最新出現(xiàn)的調(diào)制頻率控制很好地解決了這些問題,其原理是,將主開關(guān)頻率進行調(diào)制,在主頻帶周圍產(chǎn)生一系列的邊頻帶,從而將噪聲能量分布在很寬的頻帶上,降低了干擾。這種控制方法的關(guān)鍵是對頻率進行調(diào)制,使開關(guān)能量分布在邊頻帶的范圍,且幅值受調(diào)制系數(shù)β的影響(調(diào)制系數(shù)β=△f/fm,△f為相鄰邊頻帶間隔,fm為調(diào)制頻率),一般β越大調(diào)制效果越好。
 
無源緩沖電路設(shè)計
 
開關(guān)變換器中的電磁干擾是在開關(guān)管開關(guān)時刻產(chǎn)生的。以整流二極管為例,在開通時,其導通電源不僅引起大量的開通損耗,還產(chǎn)生很大的dvl巾,導致電磁干擾;而在關(guān)斷時,其兩端的電壓快速升高,有很大的dvl巾,從而產(chǎn)生電磁干擾。緩沖電路不僅可以抑制開通時的dvldt、限制關(guān)斷時的dvl白,還具有電路簡單、成本較低的特點,因而得到廣泛應用。但是傳統(tǒng)的緩沖電路中往往采用有源輔助開關(guān),電路復雜不易控制,并有可能導致更高的電壓或電流應力,降低了可靠性。因此許多新的無源緩沖器應運而生。
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