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开关电源常用EMI技术

作者:管理员 来源: 深圳市华天阳科技有限公司 发表时间:2017-11-10 16:36:31 阅读:

开关电源是一种应用功率半导体器件并综合电力变换技术、电子电磁技术、自动控制技术等的电力电子产品。开关电源是一种应用功率半导体器件并综合电力变换技术、电子电磁技术、自动控制技术等的电力电子产品。同时开关电源是严重的电磁干扰源,其产生的EMI信号通过传导和辐射方式污染电磁环境,对通信设备和电子仪器造成干扰,因而在一定程度上限制了开关电源的使用。

开关电源常用EMI技术

1. 开关电源产生电磁干扰的原因

    根据开关电源工作原理知:开关电源首先将工频交流电整流为直流电,再逆变为高频交流电,最后经过整流滤波输出,得到稳定的直流电压。在电路中,功率三极管、二极管主要工作在开关管状态,且工作在微秒量级;三极管、二极管在开一闭翻转过程中,在上升、下降时间内电流变化大、易产生射频能量,形成干扰源。同时,由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰,也会形成潜在的电磁干扰。

    开关电源通常工作在高频状态,因而其分布电容不可忽略。一方面散热片与开关管的集电极间的绝缘片,由于其接触面积较大,绝缘片较薄,因此,两者间的分布电容在高频时不能忽略,高频电流会通过分布电容流到散热片上,再流到机壳地,产生共模千扰;另一方面脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容,可将初级绕组电压直接耦合到次级绕组上,在次级绕组作直流输出的两条电源线上产生共模干扰。

2. 开关电源电磁干扰的抑制措施

    通常开关电源EMI控制主要采用滤波技术、屏蔽技术、密封技术、接地技术等。EMI干扰按传播途径分为传导干扰和辐射干扰。开关电源主要是传导干扰,且频率范围最宽,约为10kHz一30MHz。抑制传导干扰的对策基本上10kHz一150kHz、150kHz一10MHz、10MHz以上三个频段来解决。10kHz一150kHz范围内主要是常态干扰,一般采用通用LC滤波器来解决。150kHz一10MHz范围内主要是共模干扰,通常采用共模抑制滤波器来解决。10MHz以上频段的对策是改进滤波器的外形以及采取电磁屏蔽措施。

2.1.滤波技术

    通常干扰电流在导线上传输时有两种方式:共模方式和差模方式。

开关电源常用EMI技术

 在一般情况下差模干扰幅度小、频率低、造成的干扰小;共模干扰幅度大、频率高,还可以通过导线产生辐射,造成的干扰较大。若在交流电源输人端采用适当的EMI滤波器,则可有效地抑制电磁干扰。电源线EMI滤波器基本原理如图1所示,其中差模电容C1、C2用来短路差模干扰电流,而中间连线接地电容C3、C4则用来短路共模干扰电流。

2.2.利用吸收回路抑制干扰

    开关管或二极管在开通和关断过程中,由于存在变压器漏感和线路电感,二极管存储电容和分布电容,容易在开关管集电极、发射极两端和二极管上产生尖峰电压。通常情况下采用RC/RCD吸收回路,RCD浪涌电压吸收回路。

当吸收回路上的电压超过一定幅度时,各器件迅速导通,从而将浪涌能量泄放掉,同时将浪涌电压限制在一定的幅度。

2.3.利用开关频率调制技术抑制干扰

     频率控制技术是基于开关干扰的能量主要集中在特定的频率上,并具有较大的频谱峰值。如果能将这些能量分散在较宽的频带上,则可以达到降低于扰频谱峰值的目的。

    通常有两种处理方法:随机频率法和调制频率法。随机频率法是在电路开关间隔中加人一个随机扰动分量,使开关干扰能量分散在一定范围的频带中。研究表明,开关干扰频谱由原来离散的尖峰脉冲干扰变成连续分布干扰,其峰值大大下降。调制频率法是在锯齿波中加人调制波(白噪声),在产生干扰的离散频段周围形成边频带,将干扰的离散频带调制展开成一个分布频带。这样,干扰能量就分散到这些分布频段上。在不影响变换器工作特性的情况下,这种控制方法可以很好地抑制开通、关断时的干扰。

2.4.利用电磁屏蔽措施抑制干扰

    开关电源的屏蔽措施主要是针对开关管和高频变压器而言。

    开关管工作时产生大量的热量,需要给它装散热片,从而使开关管的集电极与散热片间产生较大的分布电容。因此,在开关管的集电极与散热片间放置绝缘屏蔽金属层,并且散热片接机壳地,金属层接到热端零电位,减小集电极与散热片间藕合电容,从而减小散热片产生的辐射干扰。

    针对高频变压器,首先应根据导磁体屏蔽性质来选择导磁体结构,如用罐型铁芯和El型铁芯,则导磁体的屏蔽效果很好。变压器外加屏蔽时,屏蔽盒不应紧贴在变压器外面,应留有一定的气隙。如采用有气隙的多层屏蔽物时,所得的屏蔽效果会更好。另外,在高频变压器中,常常需要消除初、次级线圈间的分布电容,可沿着线圈的全长,在线圈间垫上铜箔制成的开路带环,以减小它们之间的祸合,这个开路带环既与变压器的铁芯连接,又与电源的地连接,起到静电屏蔽作用。如果条件允许,对整个开关电源加装屏蔽罩,那样就会更好地抑制辐射干扰。

结束语

     随着开关电源的体积越来越小、功率密度越来越大,EMI控制问题成为开关电源稳定性的一个关键因素。由上述分析可知,采用EMI滤波技术、屏蔽技术、密封技术及接地技术等,可以有效地抑制、消除干扰源及受扰设备之间的祸合和辐射,切断电磁干扰的传播途径,从而提高开关电源的电磁兼容性。


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