詳解開關電源電磁干擾產生原理及三種控制技術

2019-10-09 15:08:43 來源:電子工程世界
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電磁干擾的產生與傳輸

電磁干擾傳輸有兩種方式:一種是傳導傳輸方式,另一種則是輻射傳輸方式。傳導傳輸是在干擾源和敏感設備之間有完整的電路連接,干擾信號沿著連接電路傳遞到接收器而發生電磁干擾現象。

 

輻射傳輸是干擾信號通過介質以電磁波的形式向外傳播的干擾形式。常見的輻射耦合有三種:1)一個天線發射的電磁波被另一個天線意外地接收,稱為天線對天線的耦合;2)空間電磁場經導線感應而耦合,稱為場對線的耦合。3)兩根平等導線之間的高頻信號相互感應而形成的耦合,稱為線對線的感應耦合。

 

電磁干擾的產生機理

從被干擾的敏感設備角度來說,干擾耦合又可分為傳導耦合和輻射耦合兩類。

 

● 傳導耦合模型傳導耦合按其原理可分為電阻性耦合、電容性耦合和電感性耦合三種基本耦合方式。

 

● 輻射耦合模型輻射耦合是干擾耦合的另一種方式,除了從干擾源發出的有意輻射外,還有大量的無意輻射。同時,PCB板上的走線無論是電源線、信號線、時鐘線、數據線或者控制線等,都能起到天線的效果,即可輻射出干擾波,又可起到接收作用。

 

電磁干擾控制技術

①傳輸通道抑制

● 濾波:在設計和選用濾波器時應注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。濾波器的安裝正確與否對其插入損耗特性影響很大,只有安裝位置恰當,安裝方法正確,才能對干擾起到預期的濾波作用。在安裝濾波器時應考慮安裝位置,輸入輸出側的配線必須屏蔽隔離,以及高頻接地和搭接方法。

 

● 屏蔽:電磁屏蔽按原理可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種。電場屏蔽包含靜電屏蔽和交變電場屏蔽;磁場屏蔽包含低頻磁場屏蔽和高頻磁場屏蔽。不同類型的電磁屏蔽對屏蔽體的要求不同。在實際的屏蔽中,電磁屏蔽效能更大程度上依賴于屏蔽體的結構,即導電的連續性。實際的屏蔽體由于制造、裝配、維修、散熱、觀察及接口連接要求,其上面一般都開有形狀各異、尺寸不同的孔縫,這些孔縫對于屏蔽體的屏蔽效能起著重要的影響作用,因此必須采取措施來抑制孔縫的電磁泄漏。

 

● 接地:接地有安全接地和信號接地兩種。同時,接地也會引入接地阻抗及地回路干擾。接地技術包括接地點的選擇、電路組合、接地的設計和抑制接地干擾措施的合理應用等。

 

● 搭接:搭接是指導體間低阻抗連接,只有良好的搭接才能使電路完成其設計功能,使干擾的各種抑制措施得以發揮作用。搭接方法可分為永久性搭接和半永久性搭接兩種,而搭接類型分為直接搭接和間接搭接。

 

● 布線:布線是印刷電路板電磁兼容性設計的關鍵,應選擇合理的導線寬度,采取正確的布線策略,如加粗地線,將地線閉合成環路,減少導線不連續性,采用多層板等。

 

②空間分離

空間分離是抑制空間輻射騷擾和感應耦合騷擾的有效方法,通過加大騷擾源和接受器敏感設備之間的空間距離,使騷擾電磁場到達敏感設備時的強度已衰減到低于接受設備敏感度門限,從而達到抑制電磁干擾的目的。由電磁場理論可知,場強在近區感應場中以1/r3的方式衰減,遠區輻射場的場強分布按1/r方式減小。因此,為了滿足系統的電磁兼容性要求,盡量將組成系統的各個設備間的空間距離增大。在設備、系統布線中,限制平行線纜的最小間距,以減少串擾。在PCB設計中,規定引線條間的最小間隔。另外,空間分離也包括在空間有限的情況下,對騷擾源輻射方向的方位調整、騷擾源電場矢量與磁場矢量的空間取向的控制。

 

③時間分離

當騷擾源非常強,不易采用其他方法可靠抑制時,通常采用時間分隔的方法,使有用信號在騷擾信號停止發射的時間內傳輸,或者當強騷擾信號發射時,使易受騷擾的敏感設備短時關閉,以避免遭受損害。時間分隔控制有兩種形式,一種是主動時間分隔,適用于有用信號出現時間與干擾信號出現時間有確定先后關系的情況;另一種是被動時間分隔,按照干擾信號與有用信號出現的特征使其中某一信號迅速關閉,從而達到時間上不重合、不覆蓋的控制要求。

 

④頻譜管理

頻譜的規劃劃分是把各頻段劃分給各種無線電業務,為特定用戶制定頻段。制定國家標準規范是防止干擾以及在某些情況下確保通信系統達到所需通信性能的基礎。這包括無線電設備的核準程序,無線電發射機、接收機和其他設備型號核準所要求的最低性能標準文件。

 

⑤電氣隔離

電氣隔離是避免電路中傳導干擾的可靠方法,同時還能使有用信號正常耦合傳輸。常見的電氣隔離耦合形式有機械耦合、電磁耦合、光電耦合等。DC/DC變換器是一種應用廣泛的電器隔離器件,它將一種直流電壓變換成另一種直流電壓,為了防止多個設備共用一個電源引起共電源內阻干擾,應用DC/DC變換器單獨對各路供電,以保證電路不受電源中的信號干擾。

 

開關電源產生干擾的原因

開關電源首先將工頻交流整流為直流,再逆變為高頻,最后經過整流濾波電路輸出,得到穩定的直流電壓,因此自身含有大量的諧波干擾。同時,由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰,都形成了潛在的電磁干擾。開關電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大的元器件上,突出表現在開關管、二極管、高頻變壓器等上。

 

①開關電路產生的電磁干擾

開關電路是開關電源的主要干擾源之一。開關電路是開關電源的核心,主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的du/dt具有較大幅度的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產生的主要原因是:開關管負載為高頻變壓器初級線圈,是感性負載。在開關管導通瞬間,初級線圈產生很大的涌流,并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓;在開關管斷開瞬間,由于初級線圈的漏磁通,致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈,儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在關斷電壓上,形成關斷電壓尖峰。電源電壓中斷會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變,這種瞬變是一種傳導型電磁干擾,既影響變壓器初級,還會使傳導干擾返回配電系統,造成電網諧波電磁干擾,從而影響其他設備的安全和經濟運行。

 

②整流電路產生的電磁干擾

整流電路中,在輸出整流二極管截止時有一個反向電流,它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。其中,能將反向電流迅速恢復到零的二極管稱為硬恢復特性二極管,這種二極管在變壓器漏感和其他分布參數的影響下將產生較強的高頻干擾,其頻率可達幾十MHz。高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過,在其受反偏電壓而轉向截止時,由于PN結中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時間里,電流會反向流動,致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化(di/dt)。

 

③高頻變壓器

高頻變壓器的初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射,形成輻射干擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好,電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導干擾。需要注意的是,在二極管整流電路產生的電磁干擾中,整流二極管反向恢復電流的di/dt遠比續流二極管反向恢復電流的di/dt大得多。作為電磁干擾源來研究,整流二極管反向恢復電流形成的干擾強度大、頻帶寬。但是,整流二極管產生的電壓跳變遠小于功率開關管導通和關斷時產生的電壓跳變。因此,也可不計整流二極管產生的│dv/dt│影響,把整流電路當成電磁干擾耦合通道的一部分來研究。

 

④分布電容引起的干擾

開關電源工作在高頻狀態,因而其分布電容不可忽略。一方面,散熱片與開關管集電極間的絕緣片接觸面積較大,且絕緣片較薄,因此兩者間的分布電容在高頻時不能忽略。高頻電流會通過分布電容流到散熱片上,再流到機殼地,產生共模干擾;另一方面,脈沖變壓器的初次級之間存在著分布電容,可將原邊電壓直接耦合到副邊上,在副邊作直流輸出的兩條電源線上產生共模干擾。

 

⑤雜散參數影響耦合通道的特性

在傳導干擾頻段(《30MHz),多數開關電源干擾的耦合通道是可以用電路網絡來描述的。但是,開關電源中的任何一個實際元器件,如電阻、電容、電感乃至開關管、二極管都包含有雜散參數,且研究的頻帶愈寬,等值電路的階次愈高。因此,包括各元器件雜散參數和元器件間的耦合在內的開關電源的等效電路將復雜得多。在高頻時,雜散參數對耦合通道的特性影響很大,分布電容的存在成為電磁干擾的通道。另外,在開關管功率較大時,集電極一般都需加上散熱片,散熱片與開關管之間的分布電容在高頻時不能忽略,它能形成面向空間的輻射干擾和電源線傳導的共模干擾。

 

開關電源電磁干擾的控制技術

要解決開關電源的電磁干擾問題,可從3個方面入手:1)減小干擾源產生的干擾信號;2)切斷干擾信號的傳播途徑;3)增強受干擾體的抗干擾能力。因此,開關電源電磁電磁干擾要控制技術主要有:電路措施、EMI濾波、元器件選擇、屏蔽和印制電路板抗干擾設計等。

 

①減少開關電源本身的干擾

● 軟開關技術:在原有的硬開關電路中增加電感和電容元件,利用電感和電容的諧振,降低開關過程中的du/dt和di/dt,使開關器件開通時電壓的下降先于電流的上升,或關斷時電流的下降先于電壓的上升,來消除電壓和電流的重疊。

 

● 開關頻率調制技術:通過調制開關頻率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,以降低各個頻點上的EMI幅值。該方法不能降低干擾總量,但能量被分散到頻點的基帶上,從而使各個頻點都不超過EMI規定的限值。為了達到降低噪聲頻譜峰值的目的,通常有兩種處理方法:隨機頻率法和調制頻率法。

 

● 共模干擾的有源抑制技術:設法從主回路中取出一個與導致電磁干擾的主要開關電壓波形完全反相的補償EMI噪聲電壓,并用它去平衡原開關電壓。

 

● 減小電磁干擾的緩沖電路:其由線性阻抗穩定網絡組成,作用是消除在供電電力線內潛在的干擾,包括電力線干擾、電快速瞬變,電涌,電壓高低變化和電力線諧波等。這些干擾對一般穩壓電源來說,影響不是很大,但對高頻開關電源的影響顯著。

 

● 濾波:EMI濾波器的主要目的之一,就是要在150kHz~30MHz的頻段范圍獲得較高的插入損耗,但對頻率為50Hz工頻信號不產生衰減,使額定電壓、電流順利通過,同時還必須滿足一定的尺寸要求。任何電源線上的傳導干擾信號,均可用差模和共模信號來表示。在一般情況下,差模干擾幅度小,頻率低,所造成的干擾較小;共模干擾幅度大,頻率高,還可以通過導線產生輻射,所造成的干擾較大。因此,欲削弱傳導干擾,把EMI信號控制在有關EMC標準規定的極限電平以下,最有效的方法就是在開關電源輸入和輸出電路中加裝電磁干擾濾波器。

 

● PCB設計:PCB抗干擾設計主要包括PCB布局、布線及接地,其目的是減小PCB的電磁輻射和PCB上電路之間的串擾。開關電源布局的最佳方法與其電氣設計類似。在確定PCB的尺寸形狀后,再確定特殊元器件(如各種發生器、晶振等)的位置。最后,根據電路的功能單元,對電路的全部元器件進行布局。

 

● 元器件的選擇:選擇不易產生噪聲、不易傳導和輻射噪聲的元器件。通常特別值得注意的是,二極管和變壓器等繞組類元器件的選用。反向恢復電流小、恢復時間短的快速恢復二極管是開關電源高頻整流部分的理想器件。

 

②切斷干擾信號的傳播途徑—共模、差模電源線濾波器設計

電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除。一個合理有效的開關電源EMI濾波器應該對電源線上差模和共模干擾都有較強的抑制作用。

 

③增強敏感電路的抗干擾能力

這主要包括屏蔽和接地兩種方式。

 
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