開關(guān)電源的EMC技術(shù)

1、開關(guān)電源的 EMC 技術(shù)本文主要闡述開關(guān)電源的電磁騷擾抑技術(shù)(EMC 。開關(guān)電源電磁騷擾的抑措施對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生 的 EMC 所采取的抑制措施,主要從兩個(gè)方面著:一是減小騷擾源的騷擾強(qiáng)度;二是切斷騷擾傳播。 為了達(dá)到這個(gè)目的主要從以下幾個(gè)方面著手:選擇合適的開關(guān)電源工作方式及工作頻率; 選擇合適的 電路元件;采用正確的屏蔽方式、接地、濾波措施,使用合理的元件布局等幾種方法。1 減小騷擾源的騷擾強(qiáng)度選擇合適的開關(guān)電源的工作方式不同, 他們的產(chǎn)生的電磁騷擾強(qiáng)度及所產(chǎn)生的電磁騷擾控制難度 是不同的。例如:自激式開關(guān)電源在負(fù)載輕重不同時(shí)不但脈沖寬度會(huì)改變,其開關(guān)頻率變化很大,這 樣給克服開關(guān)脈沖騷擾和控

2、制其傳播帶來很大的難度; 他激式開關(guān)電源開關(guān)頻率不變, 它靠改變脈沖 寬度來保持輸出穩(wěn)定。顯然,他激式開關(guān)電源更容易控制電磁騷擾。隔離型開關(guān)電源比隔離型開關(guān)電 源騷擾小。 橋式整流產(chǎn)生的騷擾比其它整流方式產(chǎn)生的騷擾小。 光耦隔離比變壓器隔離的騷擾更容易 控制。對(duì) 隔離型開關(guān)電源諧振型比極性反轉(zhuǎn)型騷擾小多了。開關(guān)電源的工作頻率也與騷擾強(qiáng)度密相關(guān)。 低的開關(guān)電源工作頻率不但可以減小騷擾的高頻分量, 其傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾的傳播效率會(huì)大大降低。實(shí)際設(shè)計(jì)中,我們進(jìn)行工作方式選擇時(shí),綜合考慮其 電磁容性能,這樣往往可以取到事功倍的效果。至于工作頻率,在不增加成本和影響工作效率的情況 下當(dāng)然是越小越好。選擇

3、合適的電路元件開關(guān)電源電路是開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁騷擾最直接和最主要的來源。 在開關(guān)回路中, 開關(guān)管是核心。 我們實(shí)際設(shè)計(jì)和測(cè)試中發(fā)現(xiàn), 我們用同樣耐壓的電流容量的不同品牌的開關(guān)管進(jìn)行輻射騷擾測(cè)試, 整 體騷擾最大的與最小的可能相差 15-20dB。對(duì)傳導(dǎo)騷擾的頻率高端, 我們也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象 (對(duì)傳導(dǎo)騷擾的頻率低端這種現(xiàn)象沒有高端明顯 。 這與開關(guān)管在設(shè)計(jì)中有否考慮電磁容有關(guān)。 好的開關(guān)管在設(shè)計(jì)中考慮到了高頻率抑制信開關(guān)瞬間的震 蕩并顧了轉(zhuǎn)換效率。這種開關(guān)管成本可能會(huì)高些。開關(guān)回路中另一關(guān)鍵部件是脈沖變壓器,脈沖變壓 器,對(duì)電磁容的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一個(gè)是初級(jí)線圈與次級(jí)線圈間加靜電屏層并引出接

4、地,該接地 線盡量靠近開關(guān)管的發(fā)射極接直流輸入的 0V地(熱地,這樣可以大大減小分布電容cd,從而減 小了初、次級(jí)的電場(chǎng)的耦合騷擾。為了減小脈沖變壓器的漏磁,可以選擇封閉磁芯(如圓環(huán),封閉磁芯比開口磁芯的漏磁小。不 可以通過在脈沖變壓器外包高磁導(dǎo)率的屏材料抑制漏磁,從 而減小了通過漏磁輻射的騷擾。開關(guān)回 路中的C 1 選擇也很關(guān)鍵,選擇高頻特性良好的電容或在其上并聯(lián)一個(gè)高頻電容,降低高頻阻抗,可 以減少高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中去形成傳導(dǎo)騷擾。在二次整流回路中,整流二極管D 2 常關(guān)鍵。在低壓大電流 的整流回路中,快速恢復(fù)的肖特基是一種較好的選擇。對(duì)高壓輸出電路可選 用其它快速恢復(fù)二極

5、管或帶軟恢復(fù)特性的二極管。騷擾吸收回路可在開關(guān)回路的開關(guān)T兩端并聯(lián)RC吸收回中如圖 3(b所示,或在開關(guān)管T兩端并聯(lián)RC吸 收回路如圖 3(a所示,或在 RC /DRC回路可吸收天開關(guān)管T接通和斷開瞬間產(chǎn)生的較高的浪 涌尖峰電壓,降低開關(guān)回路的騷擾。如圖 3(c所示,在輸出端的整流二極管D 2 和D 1 正極引線 中串接帶可飽和磁芯的線圈或微晶磁珠(co系sc 1、sc 2?？娠柡痛判揪€圈 /微晶磁珠在通過 正常電流時(shí)磁芯飽和,電感量很小,不會(huì)影響電路正常工作,一旦電流要反向流過時(shí),它將產(chǎn)生很大 的反電勢(shì),阻止反向電流的上,因此將它與二極管D 1、D 2 串聯(lián)就能有效地抑制二極管D 2 的反向

6、 浪涌電流?；站Т胖榭梢灾苯犹自诙O管的引線上,使用方便,效果也比RC吸收回路好。另外,D 1、L、C 2組成的濾波網(wǎng)絡(luò)可以更好濾除輸出直流中的高頻紋波,減小輸出端的高頻差模騷擾。一次整流回路中PFC網(wǎng)絡(luò)對(duì)一次整流回路, 最顯著的騷擾是整流回路對(duì)交流電網(wǎng)的選擇性取電引起的供電網(wǎng)絡(luò)的波形畸變, 功率因素偏低。為解決這個(gè)問題,可在一次整流回路加入現(xiàn)成的PFC(功率因素控制模板。該模 塊分有源和無源兩種,有源模板效果更好,但電路復(fù)雜,成本較高。為了更適合所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,也有 公司提供PFC電路后一可將功率因素從 0.4 提到 0.9 以上。 可以使所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源順利通過G B 176250.1-19

7、98 的電流諧波測(cè)試。2. 切斷騷擾傳播途徑濾波技術(shù)濾波技術(shù)是抑制的一種有效措施, 其是在對(duì)付開關(guān)電源EMI信號(hào)的傳導(dǎo)某些輻射騷擾方面, 具 有明顯的效果,電源線上的騷擾電路以兩種形式出現(xiàn):一種是在火線零線回路中,其騷擾被稱為差模 騷擾;另一種是在和火線、零線與地和大地的回路中,稱為共模騷擾。差模騷擾在兩導(dǎo)線之間傳輸,屬于對(duì)稱性騷擾,共模騷擾在導(dǎo)線與地(機(jī)殼之間傳輸,屬于非 對(duì)稱性騷擾。通常 20KHZ 以下時(shí),差模騷擾成分占主要成分。 1MHZ 以上時(shí),共模騷擾成分占主要成 分。在一般情況下,差模騷擾頻率高,還可以通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射,所造成的干擾較大。因此,欲削弱 傳導(dǎo)騷擾,把 EMI 信號(hào)控

8、制在有關(guān) EMC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限電平以下。除抑制騷擾源以外,最有效的方法就是在開關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝 EMI信號(hào),只要選擇 相應(yīng)的去耦電路或 EMI 濾波器, 就不滿足 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的濾波效果。 減小差模式傳達(dá)室導(dǎo)騷擾的方法是 在電源線上串聯(lián)差模扼流圈、在地與導(dǎo)線之間并聯(lián)電容器、組成 LC 濾波器進(jìn)行濾波,濾去共模傳達(dá) 室導(dǎo)噪聲。 共模扼流圈是將電源線的零線和火線同方向在鐵氧體磁芯上構(gòu)成的, 它對(duì)線間流動(dòng)的電源 電流阻抗很小,而對(duì)兩面三刀根線與地之間流過的共模電流阻抗則很大。對(duì)開關(guān)電源來說, 輸入電源端是電磁騷擾從交流電源端是電磁騷擾從交流電網(wǎng)傳入內(nèi)部和內(nèi)部騷 擾反向注入電網(wǎng)的主要途徑。

9、 為此必須在電源入口處安裝一個(gè)低通濾波器, 這個(gè)濾波器只容許設(shè)備的 工作頻率(50HZ 、 60HZ 、 400HZ 通過,而對(duì)較高頻率的騷擾有很大的損耗,由于這個(gè)濾波器專門用 于設(shè)備電源,所以稱為電源濾波器。電源濾波器對(duì)差模騷擾和共模騷擾都抑制作用,但由于電路結(jié)構(gòu) 不同, 對(duì)差模騷擾和共模騷擾的抑制效果不一樣。 所以濾波器的技術(shù)指標(biāo)中有差模插入損耗和共模插 入損耗之分。對(duì)交流供電的開關(guān)電源來說,如果沒有輸入電源濾波電路,要通過電磁容測(cè)試是很難想象的,典 型的交泫電源濾波網(wǎng)絡(luò)見圖 4 所示。 共模式扼流圈 LC1 由兩個(gè)在同一個(gè)高磁導(dǎo)率磁芯上的組成, 它們的結(jié)構(gòu)使差模電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消。這

10、種結(jié)構(gòu)可以以較小體積得較大的電感值,通常1 10MHZ 并且不用擔(dān)心由于工作電流導(dǎo)至飽和。每個(gè)組的電感可以減相對(duì)與地的共模干擾電流, 但只有漏電感才能衰減差模干擾電流。因此,濾波器差模特性在很大程度上受線索圈的結(jié)構(gòu)的影響, 因?yàn)榫€圈電感能夠提供較大的差模衰減,但付出的代價(jià)是磁芯的飽和電流降低。共模電容器 CY1 和 CY2 衰減共模干擾, 當(dāng) CX3 很大時(shí), 這兩個(gè)電容器對(duì)差模沒有太大的影響。 CY 電容器的有效性在很大程度上由設(shè)備的共模源阻抗決定。共模源阻抗一般是耦合到地的寄生電容 的數(shù),它由電路的結(jié)構(gòu)方式和電源變壓器初級(jí)次級(jí)電容等決定,一般會(huì)超過 1000PF。由 CY 的 分流作用提供

11、的共模減一般不會(huì)超過 15 20dB 。共模扼流圈組合(如圖 4 中的 Lc2、 Cx2。差模電容器 CX1 和 CX2(3 只衰減差模干擾電流, 它們的電容值可以較大, 通常為 0.1 0.47UF 。 注意源和負(fù)載的阻抗可能很低,以致于電容器起不到作用,因此根據(jù)具體情況,可以省略一只電容器。例如,一只 0.1UF10ohm,而對(duì)于一個(gè)數(shù)百的電源, 從 CX3 的電容值幾乎沒有效果,這時(shí) CX3 右取消。在許多場(chǎng)合,典型結(jié)構(gòu)的濾波器不能提供滿意的衰減效果。例如,必須滿足最嚴(yán)格發(fā)射限制的大 功率開關(guān)電源,或有較大的共模干擾耦合的場(chǎng)合,或需要較高的輸入瞬態(tài)抗抗度的場(chǎng)合。基本濾波器 可以通過一些途

12、徑來擴(kuò)展。附加的差模扼流圈 Ld1、 Ld2,這是在 L 和 N 線上立的線圈,它們互相 沒有影響,因此對(duì)差模信號(hào)呈現(xiàn)更高的陰阻抗,它們與 CX 配合在一起提供更大的衰減。由于它們要 保證在滿額工作電流的情況下發(fā)生飽和,困此對(duì)于一定的電感量,它們更重,體積更大。地線扼流圈:這增加了安全地上共模電流的阻抗當(dāng) CY 不能更大, 而對(duì)電源的干擾又沒有其它措 施時(shí),這是唯一的一種減小輸入、輸出共模干擾的措施。因?yàn)樗奈ｋU(xiǎn)電流承受能力必須滿足安全標(biāo) 準(zhǔn)的要求。使用時(shí)要確認(rèn)沒有其它聯(lián)到設(shè)備機(jī)箱上的導(dǎo)線將其短路。瞬態(tài)抑制器:象壓敏電阻這樣一些器件跨接在 L 和 N 線之間能夠削減輸入的差模浪涌。 如果它 安

13、裝在靠近電源的一端, 則它必須能夠承受期的最大瞬態(tài)能量, 安裝在這里能夠保護(hù)電感不至于飽和 和保護(hù) CX 電容器。如果安裝在設(shè)備一端,則其額定值可以大大降低,因?yàn)樗呀?jīng)受到了濾波器阻抗 的保護(hù)。這里的壓敏電阻共模浪涌沒有抑制作用。大容量的 CX 應(yīng)用一只泄放電阻 R 來保護(hù),防止電源斷開時(shí) L 和 N 線之間保持的充電電荷造 成人身傷害。在開關(guān)電源的直流輸出端加入圖 5 所示的直流輸出濾波網(wǎng)絡(luò)。它由共模扼流圈 Lc1、 差模扼流圈 Ld1 和差模電容 CX1、 CX2 組成。為了防止磁芯在較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度下飽和而使扼流圈失 去作用差模扼流圈的磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度大的恒流磁芯。減小

14、分布電容的耦合為了防止開關(guān)管集電極和開關(guān)管散熱片之間的耦合電容 Ci 將開關(guān)管集電極上的脈沖騷擾耦合 到機(jī)殼和保護(hù)地 PE 上形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導(dǎo)共模騷擾。 我們應(yīng)該減少開關(guān)管集電極 和散熱片之間的耦合電容 Ci 選用低介電常數(shù)的材料作絕緣墊, 加厚墊片的厚度, 并采用靜電屏的方 法:一般開關(guān)管的外殼是集電極,在集電極和散熱片之間墊上一層夾心絕緣物,既絕緣物中間夾一層 銅箔,作為靜電屏層,接在輸入直流 0V 地(熱地上,散熱片仍在機(jī)殼地上,這樣就大大減少集電 極與散熱片之間的電場(chǎng)耦合。對(duì)脈沖變壓器的初級(jí)與次級(jí)之間的耦合電容 Cd,也可以用同樣的方式通過加靜電屏層并就近在 開關(guān)管的

15、為射極接直流輸入的 0V 地(熱地。該方式只能少 cd 的耦合,仍然會(huì)有部分騷擾沖變壓 器的初級(jí)耦合到次級(jí)形成共模騷擾, 這時(shí)可通過在直流輸入的 0V 地 (熱地 端的共模騷擾一個(gè)回路, 重新回到直流輸入的 0V 地, 從而減小通過 cd 耦合的共模騷擾。 在選擇該電容時(shí)為保證通過安全測(cè) 試所的耐壓,一般由兩個(gè) Y 電容串聯(lián)使用。3. 屏蔽技術(shù)抑制開關(guān)電源輻射騷擾的有效方法是屏蔽技術(shù)。對(duì)電場(chǎng)屏用導(dǎo)電良好的材料 。為了防止沖變壓 器的磁場(chǎng) 泄露,可利用閉環(huán)形成磁屏,對(duì)整個(gè)開關(guān)電源要進(jìn)行電場(chǎng)屏。在屏的應(yīng)考慮散熱和通風(fēng)問 題,屏外殼上的通風(fēng)孔最好為多孔圓形,在滿足我的條件下,孔的數(shù)量可以多,每個(gè)孔的尺寸要盡可 能小,接縫處最好焊接,以保證電磁的連續(xù)性,如果采用螺釘固定,注意螺絲間距要短,屏外殼的引 入、 引出線處要采取濾波措施, 否則這些線都會(huì)成為良好的騷擾發(fā)射天線, 嚴(yán)重降低屏處殼的屏效果, 對(duì)無法進(jìn)行完全屏的開關(guān)電源,至少在其關(guān)鍵部位要有局部屏。電場(chǎng)屏如果屏外殼不接地。對(duì)非嵌入 的外置式開關(guān)電源的外殼進(jìn)行電場(chǎng)屏非常重要, 否則很難通過輻射騷擾測(cè)試。 對(duì)嵌入式的內(nèi)置開關(guān)電 源是否采用外殼屏則視其系統(tǒng)的屏效能及系統(tǒng)中其他部分對(duì)電源騷擾的敏感程度而定。4. 電路布線元件及電路的選擇對(duì)于控制 EMI