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定制開關電源電磁干擾的產生機理
發表時間：2018/3/28 16:08:01 瀏覽次數：489
一、定制開關電源電磁干擾的產生機理
定制開關電源產生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。現在按噪聲干擾源來分別說明：
1．二極管的反向恢復時間引起的干擾
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)。
2．開關管工作時產生的諧波干擾
功率開關管在導通時流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波,其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時,這種諧波干擾將會很小。另外,功率開關管在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會產生尖峰干擾。
3．交流輸入回路產生的干擾
無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產生干擾。
開關電源產生的尖峰干擾和諧波干擾能量,通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導干擾;而諧波和寄生振蕩的能量,通過輸入輸出線傳播時,都會在空間產生電場和磁場。這種通過電磁輻射產生的干擾稱為輻射干擾。
4．其他原因
元器件的寄生參數，開關電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成EMI干擾。
二、開關電源EMI的特點
作為工作于開關狀態的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數字電路干擾源的位置較為清楚；開關頻率不高（從幾十千赫和數兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線,具有更大的隨意性,這增加了PCB分布參數的提取和近場干擾估計的難度.
三、EMI測試技術
目前診斷差模共模干擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網絡、噪聲分離網絡。用射頻電流探頭是測量差模 共模干擾最簡單的方法，但測量結果與標準限值比較要經過較復雜的換算。差模抑制網絡結構簡單（見圖1），測量結果可直接與標準限值比較，但只能測量共模干擾。噪聲分離網絡是最理想的方法，但其關鍵部件變壓器的制造要求很高。 四、目前抑制干擾的幾種措施
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三方面著手。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（見圖2）;第三是提高受擾設備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾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，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。
采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。例如,功率開關管和輸出二極管通常有較大的功率損耗,為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣,這就使器件與底板和散熱器之間產生了分布電容,開關電源的底板是交流電源的地線,因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產生共模干擾,解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割斷了射頻干擾向輸入電網傳播的途徑。為了抑制開關電源產生的輻射,電磁干擾對其他電子設備的影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個屏蔽罩與系統的機殼和地連接為一體,就能對電磁場進行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾;電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導體時常增強靜電耦合而產生所謂“負靜電屏蔽”效應,所以仍以接地為好,這樣使電磁屏蔽能同時發揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連,可為信號回路提供穩定的參考電位。因此,系統中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連.
在電路系統設計中應遵循“一點接地”的原則,如果形成多點接地,會出現閉合的接地環路,當磁力線穿過該回路時將產生磁感應噪聲,實際上很難實現“一點接地”。因此,為降低接地阻抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地,利用一個導電平面(底板或多層印制板電路的導電平面層等)作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統中,應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后,再連接到公共參考點上。
濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,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。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環,它們能夠改善電路的濾波特性。恰當地設計或選擇濾波器,并正確地安裝和使用濾波器,是抗干擾技術的重要組成部分。
一、開關電源電磁干擾的抑制措施
1 EMI濾波器
濾波器具有雙向濾波的作用，既能阻止來自于電網的干擾進入電源內部，又能阻止電源本身產生的干擾污染電網。利用電流探頭分離開關電源的共模和差模干擾，進而分別設計共模和差模濾波器[3]。圖2示出實際使用的EMI濾波電路。
由圖可見，Y電容C202，C302與共模電感L101，L201對電源中的共模干擾起抑制作用；X電容C101，C201， C30l，C102與共模電感的漏感Lpo對電源中的差模干擾起抑制作用。R101，R201為泄放電阻，斷電之后，可使X電容上的電壓快速降低，并達到安全規范的要求。 RV30l為壓敏電阻，它的響應時間僅有幾個納秒，并且沒有延遲現象，所以壓敏電阻能吸收上升很陡的浪涌電壓引起的EMI，并能保護電源中的器件，防止電壓畸變，特別是對防雷效果很好。' {* J* @4 N2 w
圖3示出加濾波器前后的傳導EMI測試結果。可見，EMI濾波器使開關電源的傳導EMI下降了20多個dB?μV。特別是在1MHz以上的高頻段效果更佳，起到了很好的抑制效果。
2 對電流諧波的抑制
對于整流電路中的尖峰電壓及其高次諧波可通過功率因數校正電路(PFC)予以解決。通過補償可有效抑制高次諧波，其功率因數可提高到0.99以上，基本上實現了無諧波，消除了諧波對電網的污染。
3 減小du/dt和di/dt
對于VM等開關器件在開通時產生的di/dt和關斷時產生的du/dt，可以加無源緩沖電路和軟開關諧振技術來抑制。圖4示出在VM兩端并聯的RCD吸收電路。它可吸收接通和關端瞬間產生的浪涌峰值電壓，降低開關電路產生的電磁干擾。圖5a示出加吸收和軟開關諧振電路時傳導EMI的測試結果。與圖3b相比，EMI平均下降了約6dB?μV。 l2 }- T9 J) D/ I1 A
4 高頻變壓器產生干擾的抑制
選擇高磁導率的磁芯，初級繞組和次級繞組要緊密相連，并且初級與次級交叉并繞，以達到減小漏磁，進而減小因漏感引起的電磁感應噪聲。在變壓器的線包和磁芯外表面包一層薄的銅皮作為屏蔽層也會起到良好的抑制作用。在高頻時，干擾能量通過變壓器的分布電容在初次級之間傳遞，把干擾能量消耗在電路中，為了減小分布電容，常用的方法是在變壓器的初次級跨接一個Y電容。圖5b示出在變壓器外加屏蔽銅皮和在初次級跨接Y電容。與圖5a相比可見，雖然在1MHz以下的頻段，EMI下降得比較明顯，但因干擾能量在變壓器的初次級之間互相傳遞，在其余頻段卻有所上升，因而總體上達到了CISPER EN550022B的標準。 3 w W8 z' j4 q4 [
0 H/ j: K0 d5 o0 r9 T
5 調頻技術抑制干擾# v9 F d: q/ x; \. r
調頻技術也叫“頻率抖動技術”[4]，即將主開關頻率進行調制，在主頻率的周圍產生一系列頻帶，把集中在主頻率及其2次、3次等諧波上的能量分散到周圍很寬的頻帶上，從而降低干擾。
6結論
研究了開關電源中的EMI干擾源，通過對正激變換拓撲結構的剖析，根據干擾源產生的機理，采用了幾中抑制措施，實驗結果表明，效果很好。它為抑制開關電源的干擾源，以及解決EMI超標問題提供了參考依據。
二、高頻開關電源輔助電源電磁干擾(EMI)問題
隨著電源技術的發展，高頻開關電源控制從最初的模擬電路逐漸發展到微處理器、DSP等高集成度的控制器件，這些器件體積小、精密度高，但開關電源內的電磁干擾、輻射相對其他通訊設備工作環境更強，這對輔助電源提出了更高的要求。本文對高頻開關電源內輔助電源的工作特性和波形加以闡述，并著重根據實驗數據來分析高頻開關電源設計中應注意的問題和參數的選擇。
1高頻開關電源的干擾問題
:在目前的智能開關電源中，都有機內微處理器或DSP，作機內監控和通訊之用。微處理芯片對供電電源要求很高，要求幅值相當穩定，更不能帶有較大尖峰毛刺，造成電磁干擾，而且要求輔助電源的交流適應能力比整流器正常工作的范圍更廣,當整流器接上交流輸入電時，必須是監控部分先正常工作，進行自檢和各種狀況的檢測，以確定整流器能否開機；如遇極高或極低交流電壓，整流器雖已停止工作，但監控部分仍要正常工作，保持正常的監控和通訊。
某些電源產品運行過程中曾出現無故復位等現象，在進行大功率開關電源的輔助電源設計的時候，對其進行分析，發現其輔助電源在不同交流輸入電壓、不同負載條件下存在比較多的問題：交流適應范圍窄，負載能力低，工作波形不穩且極不對稱，出現偏磁，電磁干擾極嚴重等。
一般開關整流器輔助電源的工作原理是：輸入交流電經整流成為高壓直流電，然后經變換電路成為低壓高頻方波，再經由整流濾波電路成為系統所需的平穩低壓直流電，一般由三端穩壓器穩壓，由一路直流輸出提供高頻變換驅動脈沖控制環的電壓反饋信號。由功率變換的主回路上串電阻采樣作為電流反饋信號，功率變換管的驅動脈沖由UC3844等控制芯片及其外圍電路產生。 （注：交流低壓是輔助電源開始啟動工作時最低輸入電壓實測值）
可以看到，在較低的交流輸入電壓、無電流反饋條件下輔助變壓器已經不能正常工作，其波形的脈寬是不一樣的，有的寬有的窄，而且發生抖動，示波器已無法穩定地抓住波形。電流反饋，波形的脈寬也是有寬有窄，占空比達到了47%，而UC3844的最大占空比僅為50%，如果增加負載，輸出電壓會降低。
如何使輔助電源能在交流輸入的上極限、下極限電壓下穩定工作，如何使輔助電源所帶負載從空載到過載的全范圍內能穩定正常工作，都有比較大的難度，這涉及幾方面的技術難題：功率器件的耐壓、過載能力；高頻變壓器的設計；驅動脈沖控制回路參數的選擇。
2解決方法
技術人員通過一定的理論分析和實驗摸索，對輔助變壓器和控制回路作了相應的改進，終于解決了這個問題。解決辦法是：調整輔助變壓器的匝比，改變原邊匝數 Np，降低原副邊匝比比例，使低電壓時的占空比減小，遠小于UC3844規定的上限45%；將UC3844的電流反饋環節的RC濾波網絡進行參數調節，通過多次實驗摸索，終于獲得了比較理想的參數，濾波電容加大。再次在同樣條件下測試輔助變壓器的同一副邊繞組。
改進后的輔助電源無論在交流輸入極高或極低的情況下（且啟動工作電壓較改進前要低一些），還是在空載或帶重負載的情況下，其工作波形都較改進前更穩定，脈寬對稱更均衡，而且帶載能力明顯優于改進前。對比在低輸入電壓下，改進后的占空比相對改進前的占空比下降了7％，表明輔助電源的交流輸入在增加負載的情況下，輸出電壓仍能保持穩定，帶載能力明顯強于改進前，輔助電源改進工作取得了明顯效果。
3經驗總結
在輔助電源的改進過程中，技術人員曾經從多個方面入手，包括改變電壓反饋環的PI調節參數、改變脈沖頻率、增大副邊整流后的濾波電容等，但沒有找到問題根源，在交流輸入高低電壓、輕載和過載等情況下，其波形仍然抖動厲害，直流輸出電壓不穩，在調節UC3844的電流反饋環節的RC濾波網絡參數時，也進行了多次實驗才找到了較為合適的匹配參數，由此可見，工程人員在進行理論分析之后仍需要通過不斷實驗來驗證改進結果。
