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开关电源中产生电磁干扰的原理解析

1 概述

今朝,电子产品电磁兼容问题越来越受到人们的注重,尤其是天下上蓬勃国家,已经形成了一套完备的电磁兼容体系,同时我国也正在建立电磁兼容体系,是以,实现产品的电磁兼容是进入国际市场的通畅证。对付开关电源来说,因为开关管、整流督事情在大年夜电流、高电压的前提下,对外界会孕育发生很强的电磁滋扰,是以开关电源的传导发射和电磁辐射发射相对其它产品来说加倍难以实现电磁兼容,但假如我们对开关电源孕育发生电磁滋扰的道理懂得清楚后,就不难找到相宜的对策,将传导发射电平和辐射发射电平降到相宜的水平,实现电磁兼容性设计。

2 开关电源传导骚扰

2.1 传导发射的孕育发生

开关电源的传导骚扰是经由过程电源的输入电源线向别传播的电磁滋扰。在开关电源输入电源线中向别传播的骚扰,既有差模骚扰、又有共模骚扰,共模骚扰比差模骚扰孕育发生更强的辐射骚扰。传导骚扰的测试频率范围为150KHz~30MHz,限值要求如下表1 所示:

在0.15MHz~1MHz 的频率范围内,骚扰主要以共模的形式存在,在1MHz~10MHz 的频率范围内,骚扰的形式是差模和共模共存,在10MHz 以上,骚扰的形式主要以共膜为主。传导发射的差模骚扰的孕育发生主如果因为开关督事情在开关状态,当开关管开通时,流过电源线的电流线形上升,开关管关断时电流突变为0,是以流过电源线的电流为高频的三角脉动电流,含有富厚的高频谐波分量,跟着频率的升高,该谐波分量的幅度越来越小,是以差模骚扰随频率的升高而低落,别的,如下图1 所示,因为电容C5 的存在,它与电感L3 组成低通滤波器,是以,差模传导骚扰主要存在低频率段。

共模骚扰的孕育发生主要缘故原由是电源与大年夜地(保护地)之间存在有散播电容,电路中方波电压的高频谐波分量经由过程散播电容传入大年夜地,与电源线构成回路,孕育发生共模骚扰。

如上图 1 所示,L、N 为电源输入,C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 组成输入EMI 滤波器,DB1 为整流桥,L1、VD1、C6 和VT2 为功率因数纠正主电路,VT2 为开关管,开关管的D 极与管子的散热器相连,开关管安装在散热器上时,与散热器之间形成一个耦合电容,如图1 中的C7 所示,开关管VT2 事情在开关状态,其D 极的电压为高频方波,方波的频率为开关管的开关频率,方波中的各次谐波就会经由过程耦合电容、L、N 电源线构成回路,孕育发生共模骚扰。电源与大年夜地的散播电容对照分散,难以估算,但从上面的图1 来看,开关管VT2 的D 极与散热器之间耦合电容的感化最大年夜,在上面的图1 中,从整流桥到电感L3 之间的电压为100Hz 的工频波形,而从电感L3 到二极管VD1 和开关管VT2D 极之间的连线的电压均为方波电压,含有大年夜量的高次谐波。其次电感L3 的影响也对照大年夜,但L3 与机壳的间隔对照远,散播电容比开关管和散热器之间的耦合电容小的多,是以我们主要斟酌开关管与散热器之间的耦合电容。

2.2 传导骚扰的办理措施

2.2.1 EMI 滤波器

办理传导骚扰今朝大年夜都采纳无源滤波器,如上图 1 中所示,C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2 组成一个EMI 滤波器,L1、L2 是两个共模电感,一样平常来说,在共模电感傍边,含有20%阁下的差模电感,与电容C1、C2、C3 构成差模滤波器,C4、C5 是共模电容,与电感L1、L2 构成共模滤波器。

共模电感量的谋略:

假设开关管集电极的滋扰电压在 400V 阁下,转换成dB(μV)为:

传导发射测试设备内部的去耦收集(LISN)内阻Zin 标准为50Ω。则耦合电容C7 与测试设备去耦收集的内阻Zin 对骚扰电平的衰减为:

则:假如不加EMI 滤波器时,电源输出端口所测得的骚扰电平为:

表 1 中A 级电源端口传导限值的要求为79 dB(μV),显然大年夜大年夜跨越了限定的要求。则必要滤波器在 150KHz 处的衰减为:

112-79=33 dB,斟酌到至少有6dB 的裕量,EMI 滤波器的在150KHz 处的衰减应大年夜于39dB,我们取40dB。二阶滤波器的衰减特点是-40dB/10 倍频,在图1 中有两个二阶滤波器,衰减特点是-80dB/10 倍频,则滤波器的迁移改变频率应在:47KHz 阁下,斟酌到其他身分的影响,滤波器的迁移改变频率取为40KHz。

共模电容 C4、C5 取4700P(斟酌到泄电流的问题,不能取太大年夜),则:C=C4+C5=9400P。

根据

谋略得:L=1.7mH

在设计EMI 滤波器的时刻,为了有效的抑制骚扰旌旗灯号的目的,必须对滤波器两端将要连接的源阻抗进行合理的搭配,当滤波器的输出阻抗Zo 和负载阻抗RL 不相等时,在这个端口会孕育发生,反射系数ρ由下式来定义:

当 Zo 和RL 相差越大年夜,端口孕育发生的反射越大年夜。

EMI 滤波器中的共模电感含有20%阁下的差模电感,与X2 电容构成差模滤波器,在上面的道理图中,X2 电容C1、C2、C3 对传导骚扰的低频端影响对照大年夜,主要缘故原由是由于在低频段,骚扰的要领主要以差模的要领存在,增大年夜C1、C2、C3,可以减小低频段的骚扰电平,但取值一样平常不跨越0.47~2.2μF,假如适当增大年夜电容,低频段仍旧超标,可以增添差模电感来办理。

2.2.2 其他措施

EMI 滤波器是采纳堵截传播道路的措施来减小传导发射的骚扰电平,别的我们也可以从发射的源来动手,减小发射源向外发射的电平。

1:如下图2 所示:

图2 中,在PFC 升压电感上增添一个帮助绕组,该绕组的匝数与主绕组相同,偏向与主绕组相反,C7 是开关管与散热器之间的耦合电容,如图所示增添一个与C7 容量大年夜致相同的一个电容接到散热器与帮助绕组之间,这样C7、C8 耦合到散热器的骚扰旌旗灯号幅度相同,偏向相反,两个旌旗灯号刚好可以互相抵消,大年夜大年夜减小向外发射的骚扰电平。

2:如下图3 所示:

在图3 中,增添一个高频电容C8,接在开关管散热器与输出地之间,该电容与散热器的连接处脱离关管越近越好,该电容选用安规电容,容量在4700P 到0.01μf 之间,太大年夜会使电源的泄电流超标,颠末电容C7 耦合到散热器上的骚扰旌旗灯号颠末C8 衰减,衰减的系数为

因为 C8 比C7 大年夜许多,上式可以简化为:

可见,假设 C7 为30P,C8 为4700P,则向外发射的骚扰旌旗灯号被衰减了157 倍,近45dB。

3 开关电源的辐射骚扰

3.1 辐射骚扰的空间传输

1. 远场和近场

电磁能量以场的形式向四周传播,就形成了辐射骚扰,场可以分为近场、和远场,近场又称为感应场,它的性子与场源有亲昵的关系,假如场源是高电压小电流的源,则近场主如果电场,假如场源是低压大年夜电流,则场源主如果磁场。无论近场是磁场或是电场,当离场源的间隔大年夜于λ/2π时,均变成远场,又称为辐射场。

因为开关电源事情在高电压,大年夜电流的状态下,近场即有电场,又有磁场。

2. 骚扰的辐射要领

● 单点辐射,主要模拟各相同性的较小的辐射源,辐射的强度可表示为:

式中,P 表示发射的功率,r 表示离发射源的间隔。可见,单点辐射强度与间隔成反比,与发射源的功率的平方根成正比。

● 平行双线环路的辐射

主要模拟差模电流回路的辐射源,其辐射强度可以表示为:

式中 A 为差模电流所困绕的面积,I 是差模电流的大年夜小,r 是离辐射源的间隔,λ是波长。可见差模辐射强度与差模电流的大年夜小和差模电流所困绕的面积成正比,与间隔成反比,与频率的平方成正比。

是以应在高频噪声源处加高频去耦电容,以免高频噪声流入电源回路中。

● 单导线的辐射

单导线的辐射公式可以用来估算共模电流孕育发生的辐射的大年夜小:

式中,I 是共模电流的大年夜小,r 是到共模电流源的间隔, l 是导线的长度,λ是波长。

3. 共模电流辐射

两根邻近的导线,假如流过差模电流,则导线孕育发生的电磁场因为偏向相反,大年夜小相等而互相抵消,但假如流过共模电流,时两根导线孕育发生的电磁场互相叠加。是以大年夜小相同的共模电流所孕育发生的空间辐射要比差模电流孕育发生的空间辐射强度大年夜的多,根据实验,两者的辐射强度相差上千倍。以是,开关电源的辐射主如果由共模电流引起的。

● 共模电流辐射的基础模式

共模辐射有两种驱动模式,一种是电流驱动模式,一种是电压驱动模式,在开关电源中,起主要感化的主如果电压驱动模式。

● 孕育发生共模辐射的前提

孕育发生共模辐射的前提有两个,一是共模驱动源,一个是共模天线。

任何两个金属体之间存在射频电位差,就构成一副纰谬称振子天线,两个金属导体分

别是天线的两个极,对付一个开关电源来说,如下图所示:

图4 中C7 是开关管和散热器之间的耦合电容,散热器和与开关管D 极相连接的印制线为天线的两个极,在阐发时可以简化为下图5:

图中,Vs 为骚扰源,对图4 来说,便是开关管VT2 的D 极,L1、L2 相称于天线的两个极,一个极是与开关管D 极相连的印制线,别的一个极是散热器及与之相连的接地线,C是天线两极之间的耦合电容,即图4 中开关管与散热器之间的耦合电容。

共模辐射主要有天线上的共模电流的大年夜小抉择,是以,天线两极 L1、L2 之间的耦合电容越大年夜,辐射功率越大年夜。

别的,当天线的两个极的总长度大年夜于λ/20时,才能向外辐射能量,并且当天线的长度与骚扰源的波长满意下列前提时,辐射能量才最大年夜。

3.2 开关电源的辐射源

要办理和减小开关电源的电磁辐射,首先要懂得开关电源的辐射源在那儿。对付一个前级带有PFC 功率因数纠正电路的开关电源来说,辐射骚扰的源主要散播下面几个地方(开关电源中的辐射源例如驱动等,相对付下面所列的要弱的多,以是可以不与斟酌)。

1. PFC 开关管

2. PFC 升压二极管

3. DC/DC 开关管

4. DC/DC 的整流管、续流管

5. PFC 升压电感

6. DC/DC 变压器

● PFC 开关管和DC/DC 开关管的辐射道理如上面所述,属于电压驱动模式的驱动源,升压电感和变压器属于差模骚扰源,主要缘故原由是漏感的存在,导致电磁能量泄露,向外发射电磁能量。

● PFC 升压二极管和DC/DC 的整流二极管在反向截止时,存在反向规复电流,如下图所示:

图中所示的是实际测试的PFC 升压二极管关断瞬间的反向规复电流(不加接受的环境下),在图4 中,该反向规复电流主要经由过程C6、VD1、VT2 构成回路,形成差模辐射,别的,因为因为引线电感的存在,很小一部分的电流会经由过程散热器与开关管VT2 之间的耦合电容C7 向外流,形成共模辐射。

DC/DC 的整流二极管和续流管的反向规复电流会导致二极管的反向电压呈现很高的电压尖峰,下图 7 是正激电路的输出滤波电路。

图7 中,TI 是变压器,VD1、VD2 分手是整流管和续流管,因为整流管、续流管在由导通转向截止时有反向规复电流,该反向规复电流在VD1、VD2 两端孕育发生对照高的电压峰值,因为快规复二极管的反向规复电流在几十nS,以是峰值电压的频率较高,其基波频率在几十MHz,因为频率很高,辐射能力很强,下图8 是整流管和续流管的电压波形。

在上图7 中,整流管、续流管固定在散热器上,散热器接大年夜地,因为二极管的阴极与管壳的散热板直接相连,管壳的散热板与散热器之间就形成了耦合电容,整流管、续流管在截止时孕育发生的高压尖峰就经由过程耦合电容流动,孕育发生共模辐射,输出线和地分手是天线的两个极。

●开关电源其他的辐射源如印制线与机壳之间散播电容引起的共模辐射、内部电路事情时孕育发生的差模辐射等,与前面的几个辐射源比拟要小得多。

3.3 辐射骚扰的办理步伐

上面阐发了辐射骚扰孕育发生的缘故原由和开关电源的辐射源,再办理开关电源的辐射问题就对照轻易了。

3.3.1 开关管发射源引起的辐射发射

上面所先容的输入端口的传导骚扰,是经由过程输入线向外发射的,同时,输入线又是一个天线,共模电流在流过输入线的时刻,就会向空间发射电磁能量,孕育发生辐射骚扰,是以对付上面办理传导发射的步伐,在减小了传导发射的同时,也大年夜大年夜减小了输入端口的辐射发射。

对付辐射源 DC/DC 开关管,也可以采取与PFC 开关管的相同的步伐,来减小驱动源的电压幅度,较小辐射发射的强度。

下面图 9 是采取在PFC 开关管散热器对PFC 输出地加电容与不加电容辐射强度的比较。

图中,前面是加电容的,后面是不加电容的,从两个图中可以看出,在50MHZ 相近,辐射骚扰电平在加了电容今后低落了尽10DB,在120MHZ 到220MHZ 的频率范围内也低落了10DB 阁下。

3.3.2 DC/DC 整流管、续流管发射源

对付 DC/DC 整流管、续流管发射源,除了增添接受,减小二极管两真个峰值电压、在二极管的管脚上套饱和磁环以减小反向规复电流外,还可以采取以下步伐。

1. 在整流管、续流管与散热器的接触点相近对输出地接电容,如下图 10 所示:

图中C2 是二极管VD1 和VD2 与散热器之间的耦合电容,容量一样平常在几十PF,C3 是增添的电容,C3 要弘远年夜于C2,DC/DC 整流管、续流管上的电压峰值颠末C2 与C3 的分压,幅度大年夜大年夜低落,就可以大年夜大年夜减小向外的辐射。

2. 采纳如下图 11 所示的电路形式。

在上图的电路形式中,将输出滤波电感放在输出的负端,VD1、VD2 的输出直接接在输出滤波电容的正端,这样,整流管、续流管的阴极接固定电平,经由过程阴极连接的散热面与散热器之间的耦合电容向外流动的共模电流就会大年夜大年夜减小,从而大年夜大年夜减小输出端口的辐射电平。

3.3.3 机箱樊篱

开关电源的辐射除了上述的辐射源主要经由过程输入输出端口向外辐射以外,电源的节制电路、驱动、帮助电源、变压器、电感等直接向空间辐射电磁能量,是以必要采纳机箱进行樊篱,机箱樊篱要斟酌机箱的材料、厚度和孔缝对樊篱效能的影响。

1.接受损耗

当电磁波进入金属樊篱体后会孕育发生感应电流,变为热能而耗丧掉落,以是电磁波进入金属导体中以指数的要领很快衰减,传输间隔很短。

我们将电磁波衰减到原本 1/e,即0.37 倍时的间隔称为集肤深度δ

集肤深度δ与材料的机能和频率有关,可用下面的公式表示:

公式中,μ是材料的磁导率,σ是材料的电导率。

2. 反射损耗

当电磁波到达两种介质外面时,因阻抗不匹配而发生反射,所引起的电磁波能量损耗称为反射损耗。

辐射骚扰所测试的频率范围是 30MHz~1000MHz。假如纯真的只斟酌30MHz 以上的电磁樊篱,薄薄一层的导体就可以达到很高的樊篱效能,但对付频率对照低的电场或磁场,就要斟酌樊篱所应用的材料和厚度了。

3. 孔缝对樊篱的影响

在实际的利用傍边,机箱上老是存在有接线孔、透风孔以及机箱各面之间的连接裂缝,假如机箱的孔缝尺寸分歧理,将使樊篱效能大年夜大年夜低落,一样平常来说,孔缝的尺寸应小于十分之一到百分之一的波长,才能达到响应的樊篱效果。假如上限频率按1000MHz 来斟酌,孔缝的尺寸应小于:3~0.3cm。因为开关电源的电磁辐射频率范围一样平常在30MHz 到500MHz 之间,樊篱的上限频率可以按500MHz 来斟酌。

责任编辑;zl

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