深度解析开关电源的电磁干扰抑制技术
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EMI是指电器产品向外发出干扰。EMS是指电器产品抵抗电磁干扰的能力。一台具备良好电磁兼容性的设备应既不受周围电磁噪声的影响，也不对周围环境造成电磁干扰。电磁干扰的三个要素是干扰源、耦合通道和敏感体。抑制开关电源产生的干扰对保证电子系统的正常稳定运行具有十分重要的意义，电磁干扰的抑制技术主要包括削弱干扰的能量，隔离和减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁骚扰的抵抗能力等。本文分析了开关电源电磁干扰产生原因，介绍了开关电源电磁干扰抑制技术及设计方法。 1.开关电源电磁干扰的产生 开关电源通常是将工频交流电整流为直流电，然后经过开关管的控制使其变为高频，再经过整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压。工频整流滤波使用大容量电容充、放电，开关管高频通断，输出整流二极管的反向恢复等工作过程中产生了极高的di/dt和du/dt，形成了强烈的浪涌电流和尖峰电压，它是开关电源电磁干扰产生的最基本原因。另外，开关管的驱动波形，MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形状的周期波。因此，其频率是MHz级别的，这些高频信号对开关电源的基本信号，特别是控制电路的信号造成干扰。 1.1输入整流电路的谐波干扰 开关电源输入端通常采用桥式整流、电容滤波电路。整流桥只有在脉动电压超过输入滤波电容上的电压时才能导通，电流才从市电电源输入，并对滤波电容充电。一旦滤波电容上的电压高于市电电源的瞬时电压，整流管便截止。所以，输入电路的电流是脉冲性质的，并且有着丰富的高效谐波电流。这是因为整流电路的非线性特性，整流桥交流侧的电流严重失真。 而直流侧的谐波次数是n倍。所以，整流电路直流侧高频谐波电流不仅使电路产生功率，增加电路的无功功率，而且高频谐波会沿着传输线路产生传导干扰和辐射干扰。 1.2开关电路产生的干扰 开关电路在开关电源中起着关键的作用，同时也是主要的干扰源之一。开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。其在导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压;在断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减震荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。如果尖峰有足够高的幅度，那么很有可能把开关管击穿。 1.3高频变压器产生的共模传导骚扰 高频变压器是开关电源中实现能量储存、隔离、输出、电压变换的重要部件，它的漏感和分布电容对电路的电磁兼容性能产生较大的影响。由于初级线圈有漏磁通，致使一部分能量没有传输到次级线圈，而是通过集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪声会传导到输入、输出端，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管。另外，高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。 在开关电源的调频变压器初次级之间存在着分布电容。用一个装置电容(装置对地的分布电容)来与整个开关电源等效，就形成了干扰通道。共模干扰通过变压器的耦合电容，经过装置电容再返回大地，就得到一个由变压器耦合电容与装置电容构成的分压器。脉冲变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射骚扰。 1.4分布及寄生参数引起的开关电源噪声 开关电源的分布参数是多数干扰的内在因素，开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初次级之间的分布电容、原副边的漏感都是噪声源。共模干扰就是通过变压器初、次级之间的分布电容以及开关电源与散热器之间的分布电容传输的。其中变压器绕组的分布电容与高频变压器绕组结构、制造工艺有关。开关电源与散热器之间的分布电容与开关管的结构以及开关管的安装方式有关。采用带有屏蔽的绝缘衬垫可以减小开关管与散热器之间的分布电容。 在高频工作下的元件都有高频寄生特性，对其工作状态产生影响。高频工作时导线变成了发射线、电容变成了电感、电感变成了电容、电阻变成了共振电路，当频率过高时各元件的频率特性产生了相当大的变化。为了保证开关电源在高频工作时的稳定性，设计开关电源时要充分考虑元件在高频工作时的特性，选择使用高频特性比较好的元件。另外，在高频时，导线寄生电感的感抗显著增加，由于电感的不可控性，最终使其变成一根发射线，也就成为了开关电源中的辐射干扰源。 2.抑制电磁干扰的措施 开关电源存在着共模干扰和差模干扰两种电磁干扰形式。根据前面分析的电磁干扰源，结合它们的耦合途径，可以从EMI滤波器、吸收电路、接地和屏蔽等几个方面来抑制干扰，把电磁干扰衰减到允许限度之内。 2.1交流输入EMI滤波器 滤波是一种抑制传导干扰的方法，在电源输入端接上滤波器可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。电源进线端通常采用如图1所示的EMI滤波器电路。该电路可以有效地抑制交流电源输入端的低频差模骚扰和高频段共模骚扰。在电路中，跨接在电源两端的差模电容Cx1、Cx2(亦称X电容)用于滤除差模干扰信号，一般采用陶瓷电容器或聚脂薄膜电容器，电容值通常取0.1~0.47F。而中间连线接地的共模电容Cy1和Cy2(亦称Y电容)则用来短路共模噪声电流，取值范围通常为C1=C2#2200pF。抑制电感L1、L2通常取100~130H，共模扼流圈L是由两股等同并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成，通常要求其电感量L#15~25mH。当负载电流渡过共模扼流圈时，串联在火线上的线圈所产生的磁力线和串联在零线上线圈所产生的磁力线方向相反，它们在磁芯中相互抵消。因此，即使在大负载电流的情况下，磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会呈现较大电感，从而起到衰减共模干扰信号的作用。 |
