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              通信開關電源的EMI/EMC設計

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              作者:張津津 羅映紅時間:2007-08-27來源:現代電子技術收藏
              1 引言

                通信一般都采用寬度調制(PWM)技術,其特點是頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高,另外還有體積小、重量輕、具有遠程監控等優點,因此被廣泛地應用于程控交換、光數據傳輸、無線基站、有線電視系統及IP網絡中,是信息技術設備正常工作的核心動力。然而,由于其開關器件工作在高頻通斷狀態,高頻的快速瞬變過程本身就是電磁干擾(EMD)源,他產生的電磁干擾信號有很寬的頻率范圍,又有一定的幅度,經傳導和輻射會污染電磁環境,對通信設備和電子產品造成干擾。同時,通信要有很強的抗電磁干擾的能力,特別是對雷擊、浪涌、電網電壓、電場、磁場、電磁波、靜電放電、串、電壓跌落、射頻電磁場傳導抗擾性、輻射抗擾性、傳導發射、輻射發射等項目需要滿足有關EMC標準的規定。

                2 引起電磁兼容性的原因

                通信開關電源因工作在高電壓大電流的開關工作狀態下,其引起電磁兼容性問題的原因是相當復雜的。按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種;按照干擾信號對于電路作用的形態不同,可將電源系統內的干擾分為共模干擾和差模干擾兩種。通常,線路電源線上的任何傳導干擾信號,都

              可表示成共模和差模干擾兩種方式。

                在開關電源中,主功率開關管在高電壓、大電流或以高頻開關方式工作下,開關電壓及開關電流的波形在阻性負載時近似為方波,其中含有豐富的高次諧波分量。由于電壓差可以產生電場、電流的流動可以產生磁場,以及豐富的諧波電壓電流的高頻部分在設備內部產生電磁場,從而造成設備內部工作的不穩定,使設備的性能降低。同時,由于電源變壓器的漏電感及分布電容,以及主功率開關器件的工作狀態非理想,在高頻開或關時,常常產生高頻高壓的尖峰諧波振蕩,該諧波振蕩產生的高次諧波,通過開關管與散熱器問的分布電容傳人內部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。

                如圖1所示,電網中含有的共模和差模噪聲對開關電源產生干擾,開關電源在受到電磁干擾的同時也對電網其他設備以及負載產生電磁干擾,例如返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾等。進行開關電源/EMC設計時,一方面要防止開關電源對電網和附近的電子設備產生干擾;另一方面要加強開關電源本身對電磁干擾環境的適應能力。下面用等效電路分別介紹共模和差模干擾產生的原因及路徑。

              開關電源噪聲類型圖

                
                     如圖2所示,當開關管轉為“關”時,集電極與發射極間的電壓快速上升達500 V,他產生的電流經集電極與地之間的分布電容返回整流橋,這個按開關頻率工作的串電流是共模噪聲。這個電壓會引起共模電流Icm2向CP2充電和共模電流Icm1向CP1充電,其中CP1為變壓器初、次級之間的分布電容,CP2為開關電源與散熱器之間的分布電容(即開關管集電極與地之間的分布電容)。則線路中共模電流總大小為Icm1+Icm2。如圖3所示,當開關管轉為“開”時,儲能電容Cs的能量由AC電網和整流橋提供,他被開關管變換器的快速開關頻率所變換,并通過變壓器形成脈沖電流IL,他具有非常豐富的開關頻率諧波。儲能電容不是一個純電容,他有串聯電阻和電感。當整流橋處開關管“開”時,在AC電網端,IL會產生一個由電容的L,R,C所呈現的阻抗電壓,這就是開關電源產生差模發射源的原理。差模電流Idm和信號電流IL沿著導線、變壓器初級、開關管組成的回路流通。

              開關電源共模干擾等效電路

                
                     3 開關電源的電磁兼容性設計

                電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)是指在有限的空間、時間和頻譜范圍內,各種電氣設備共存而不引起性能的下降。形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備,因而,抑制電磁干擾也應該從這3個方面著手。首先應該抑制干擾源,直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力,降低其對噪聲的敏感度。目前抑制開關電源的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道,常用的方法是屏蔽和濾波,他們的確是行之有效的辦法。

              開關電源差模干擾等效電路

              3.1 無源補償濾波技術

                濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。在電源輸入端接上濾波器,即可以抑制開關電源產生并向電網反饋的干擾,也可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害。開關電源的工作頻率一般在10~130 kHz,對開關電源產生的高頻段EMI信號,只要選擇相應的去耦電路或網絡結構較為簡單的EMI濾波器,就能達到理想的濾波效果。干擾抑制電路如圖4所示,CX1和CX2叫做差模電容,L1叫做共模電感,CY1和CY2叫做共模電容。電阻R用于消除可能在濾波器中出現的靜電積累。IEC-380安全技術條件標準的8.8部分指出,若CX>0.1 μF則R=t/2.2C(t=1 s,C=2CX μF)。由這些集中參數元件構成無源低通網絡,抑制開關電源產生的向電網反饋的傳導干擾,同時抑制來自電網的噪聲對開關電源本身的侵害,為了使通過濾波電容C流入地的漏電流維持在安全范圍內,CX=0.1~0.2 μF ,CY的值一般適合取在0.1~0.33μF之間,不宜過大,相應的扼流線圈L應選大些,一般適合取在0.5μH~8 mH之間,這樣既符合安全要求,又能抑制電磁干擾。

                共模電感L1是在同一個磁環上由繞向相反、匝數相同的兩個繞組構成。使濾波器接入電路后,兩只線圈內電流產生的磁通在磁環內相互抵消,不會使磁環達到磁飽和狀態,從而使兩只線圈的電感值保持不變。通常使用環形磁芯,漏磁小,效率高。但是繞線困難,如磁環的材料不可能做到絕對均勻,兩個線圈的繞制也不可能完全對稱等,使得兩個繞組的電感量是不相等的,于是,形成差模電感。所以,一般電路中不必再設置獨立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構成了一個Ⅱ型濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。除了共模電感以外,圖4中的電容CY1及CY2也是用來濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時主要由電感器起作用,而在高頻時大部分由電容CY1及CY2起作用。電容CY的選擇要根據實際情況來定,由于電容CY接于電源線和地線之間,承受的電壓比較高,所以,需要有高耐壓、低漏電流特性。

              開關電源EMI濾波器

                
                     使用LC濾波電路,可根據公式計算電路的諧振頻率,調整電感、電容,使諧振頻率與干擾頻率相近或接近干擾頻率的中心頻率。對頻率很高的電磁干擾,可以使用三端電容或穿心電容進行濾波。

                3.2 屏蔽技術

                屏蔽是抑制開關電源輻射干擾的有效方法。一般分為兩類:一類是靜電屏蔽,主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響;另一類是電磁屏蔽,主要用于防止交變電場,交變磁場以及交變電磁場的影響??梢杂脤щ娦阅芰己玫牟牧蠈﹄妶鲞M行屏蔽,用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。實際應用中,主要是應用于隔離變壓器。變壓器繞組間的交叉耦合電容為共模噪聲流過整個系統提供了通路。這一交叉耦合電容可以在變壓器結構中采用法拉第屏蔽(Faraday shield)來減小。法拉第屏蔽簡單來說就是用銅箔或鋁箔包繞在原方和副方繞組之間形成一個靜電屏蔽層隔離區并接地,以減小交叉耦合電容。

                圖5為變壓器原邊繞組和副邊繞組。其中N1A,N1B是原邊繞組,分兩次繞;N2A,N2B是副邊繞組;N3,N4分別是輔助繞組;SCREEN為銅箔屏蔽。安規上一般要求散熱器接地,那么開關管漏極與散熱器之間的寄生電容就為共模噪聲提供了通路,可以在漏極和散熱器之間加一銅箔或鋁箔并接地以減小此寄生電容。采用磁屏蔽效果比較好的鐵氧體磁芯如PQ型或者P型來制作變壓器可以很大程度上減小變壓器漏磁從而減小原副方繞組漏感,有效抑制了EMI的傳播。

              變壓器繞組示意圖

                
                     4 結 語

                隨著開關電源不斷向高頻化發展,其抗干擾問題顯得越發重要。在開發和設計開關電源中,如何有效抑制開關電源的電磁干擾,同時提高開關電源本身對電磁干擾的抗干擾能力是一個重要課題。幾種抗干擾措施既相互獨立又相互聯系,必須同時采用多種措施才能達到良好的抗干擾效果。



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