開關(guān)電源電磁騷擾的抑制

開關(guān)電源電磁騷擾的抑制

0??? 前言

??? 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備或系統(tǒng)之中。開關(guān)電源性能的好壞，直接影響設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，開關(guān)電路在高頻下的通、斷過程產(chǎn)生大幅度的電壓跳變，即產(chǎn)生的dv/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富，是開關(guān)電源電磁騷擾的主要因素。抑制開關(guān)電路的電磁騷擾已成為提高開關(guān)電源性能的主要途經(jīng)。

1??? 開關(guān)電路電磁騷擾（EMD）的產(chǎn)生及傳播途徑

??? 開關(guān)電源主要由一次整流電路、開關(guān)電路、二次整流電路、反饋觸發(fā)控制電路組成。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由功率開關(guān)管S和高頻變壓器(L₁及L₂)組成，如圖1所示。

圖1??? 典型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)原理及共模、差模干擾的傳播路徑

1.1??? 開關(guān)電路產(chǎn)生電磁騷擾的原因

??? 功率開關(guān)管S的負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈L₁，是感性負(fù)載。在S導(dǎo)通瞬間，L₁產(chǎn)生很大的涌流，并在其兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在S斷開瞬間，由于L₁的漏磁通，致使一部分能量沒有從L₁傳輸?shù)蕉尉€圈L₂，儲(chǔ)藏在漏感中的這部分能量將和漏極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，這種電壓會(huì)產(chǎn)生與L₁接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個(gè)噪聲會(huì)傳導(dǎo)到輸入輸出端，形成傳導(dǎo)騷擾，重者有可能擊穿開關(guān)管及該電路中其它元器件。

??? L₁，S和濾波電容C₁構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如果電容C₁濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。

1.2??? 電磁騷擾的傳播途經(jīng)

??? 開關(guān)電源中的電磁騷擾對(duì)外表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾可分為共模（Common Mode——CM）干擾和差模（Differential Mode——DM）干擾。由于開關(guān)電路寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)器件的高頻開通與關(guān)斷，使得開關(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差模干擾[2]。

??? 共模干擾的特點(diǎn)是干擾的大小和方向一致，存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線對(duì)大地間。共模干擾也稱為縱模干擾、不對(duì)稱干擾或接地干擾。是載流體與大地之間的干擾。

??? 開關(guān)電路在高頻情況下，由于dv/dt很高，激發(fā)變壓器線圈間、以及開關(guān)管與散熱片間的寄生電容，從而產(chǎn)生了共模干擾。如圖1中的虛線所示，共模干擾電流從具有高dv/dt的開關(guān)管S出發(fā)經(jīng)過分布電容C_i流經(jīng)接地散熱片和地線，再由高頻LISN網(wǎng)絡(luò)（由兩個(gè)50Ω電阻等效）流回輸入線路。

??? 差模干擾的特點(diǎn)是大小相等，方向相反，存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。是施加于載流體之間的干擾。

??? 開關(guān)電路中的電流在高頻情況下作開關(guān)變化，從而在輸入、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的di/dt，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應(yīng)了干擾電壓。這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生差模干擾，如圖1中的實(shí)線所示。故選用高質(zhì)量的濾波電容（等效電感或阻抗很低）可以降低差模干擾。

??? 共模干擾說明干擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的，而差模干擾則說明干擾源于同一條電源電路的。通常這兩種干擾是同時(shí)存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會(huì)相互轉(zhuǎn)化，情況十分復(fù)雜。

2??? 開關(guān)電路電磁騷擾的抑制

2.1??? 選擇合適的開關(guān)電源電路拓?fù)浼肮ぷ黝l率

??? 開關(guān)電源的工作頻率與其產(chǎn)生的騷擾強(qiáng)度密切相關(guān)。低的開關(guān)電源工作頻率不但可以減少騷擾的高頻分量，其傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾的傳播效率也會(huì)大大降低。

2.2??? 選擇合適的電路元器件

??? 在開關(guān)電路中，開關(guān)管是核心，不同品牌的開關(guān)管輻射騷擾相差可達(dá)15～20dB。開關(guān)電路中另一關(guān)鍵部件是脈沖變壓器，脈沖變壓器對(duì)電磁兼容的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一個(gè)是初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的分布電容C_d，一個(gè)是脈沖變壓器的漏磁。通過在初級(jí)線圈與次級(jí)線圈間加靜電屏蔽層并引出接地，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C_d，從而減少了初、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(如環(huán)形)，封閉磁芯比開口磁芯的漏磁小。還可以通過在脈沖變壓器外包高磁導(dǎo)率的屏蔽材料抑制滑磁。從而減小了通過漏磁輻射的騷擾。

2.3??? 增加無源緩沖電路

??? 緩沖電路不僅可以抑制開通時(shí)的di/dt、限制關(guān)斷時(shí)的dv/dt，還具有電路簡(jiǎn)單、成本較低的特點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用[3]。

??? 在開關(guān)電路的S兩端并聯(lián)RC〔如圖2(a)所示〕或DRC〔如圖2(b)所示〕吸收電路，可吸收S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)電路產(chǎn)生的電磁騷擾。

（a）??? RC緩沖電路??? （b）??? DRC緩沖電路

圖2??? 緩沖電路

2.4??? 一次整流電路中加功率因數(shù)校正(PFC）網(wǎng)絡(luò)

??? 對(duì)一次整流電路來講，最顯著的騷擾是整流電路作為諧波源對(duì)交流電網(wǎng)的騷擾，導(dǎo)致交流電網(wǎng)的波形畸變，功率因數(shù)偏低。為解決這個(gè)問題，可在一次整流電路加入現(xiàn)成的功率因數(shù)校正(PFC——Power Factor Correction）模塊，通過補(bǔ)償可把功率因數(shù)提高到0.99以上。

2.5??? 增加濾波網(wǎng)絡(luò)

??? 濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是在對(duì)付開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾和某些輻射干擾方面，具有明顯的效果。電磁干擾（EMI）濾波器是以能夠有效抑制電磁干擾為目標(biāo)的濾波器，可分為信號(hào)線EMI濾波器、電源EMI濾波器、印刷電路板EMI濾波器、反射EMI濾波器、隔離EMI濾波器等。

2.6??? 接地

2.6.1??? 接地的作用

??? 電子設(shè)備一般有兩種接地，一種是安全接地，即將機(jī)殼接地，以保護(hù)工作人員的安全；另一種是工作接地，給電路系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，同時(shí)也可將高頻干擾引走。但是，不正確的工作接地反而會(huì)增加干擾，比如共地線干擾，地環(huán)路干擾等。

2.6.2??? 接地的種類及接地要求

??? 1）單點(diǎn)接地工作接地按工作頻率采用不同的接地方式，工作頻率<1MHz時(shí)采用單點(diǎn)接地，地線的長(zhǎng)度（L/m）與截面積（S/mm²）的關(guān)系為S>0.83L。

??? 2）多點(diǎn)接地工作頻率>30MHz時(shí)采用多點(diǎn)接地。工作頻率在上述兩者之間的可采用混合接地式。

??? 3）浮地浮地是電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實(shí)現(xiàn)電路或設(shè)備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響，抗干擾性能好。其缺點(diǎn)是由于設(shè)備不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當(dāng)電荷積累到一定程度后，在設(shè)備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，而成為破環(huán)性很強(qiáng)的騷擾源。

??? 4）屏蔽地電路的屏蔽體，即用屏蔽材料將電磁輻射源屏蔽起來，并將屏蔽體接地，以降低電磁輻射的干擾。屏蔽體內(nèi)的電路地線只能一點(diǎn)接屏蔽體，而不得利用屏蔽體作返回導(dǎo)體。

??? 5）電纜的屏蔽層地對(duì)于多層屏蔽電纜，每個(gè)屏蔽層應(yīng)在一點(diǎn)接地，各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于工作信號(hào)波長(zhǎng)的0.15倍時(shí)，采用間隔工作信號(hào)波長(zhǎng)的0.15倍的多點(diǎn)接地式，如果不能實(shí)現(xiàn)，則至少應(yīng)將屏蔽層兩端接地。

2.7??? 電路元器件安裝要合理

??? 電路元器件安裝上應(yīng)使輸入交流和輸出直流插座分開并遠(yuǎn)離。布線嚴(yán)格分開,簡(jiǎn)化電流通路的途徑,減少相互交叉干擾,同時(shí)使輸入、輸出布線遠(yuǎn)離靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)噪聲產(chǎn)生源。另外,凡是含有大的電流、電壓變化率的器件(功率晶體管和開關(guān)二極管等)的電路應(yīng)合理布局。盡可能縮短具有高的di/dt、dv/dt的布線,減小噪聲輻射源的有效區(qū)域。功率晶體管和開關(guān)二極管與散熱器組裝在一起時(shí),用銅板屏蔽晶體管,以減小由于寄生電容引起的噪聲傳播。

3??? 結(jié)語

??? 抑制開關(guān)電源的騷擾是開發(fā)應(yīng)用開關(guān)電源的一個(gè)重要課題，因此，在減少和抑制EMD方面，除了上述抗干擾的措施和方法外，還要充分有效地利用了先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)技術(shù)、磁性材料、電感元件技術(shù)、開關(guān)器件技術(shù)，如移相式全橋ZVS－PWM技術(shù)；零電壓過渡（ZVT）和零電流過渡（ZCT）的PWM技術(shù)；功率因數(shù)校正控制技術(shù)等。實(shí)踐證明，這些措施和方法對(duì)減小開關(guān)電路的騷擾具有明顯的效果。