剖析開關(guān)電源電磁攪擾發(fā)生原因
電磁兼容（ElectroMagneticCompatibility，簡稱EMC）是指電子設(shè)備或體系在其電磁環(huán)境能正常作業(yè)，且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁打擾的才能。它包含電磁攪擾（EMI）和電磁敏感（EMS）兩方面的內(nèi)容。EMI是指電器產(chǎn)品向外宣布攪擾。EMS是指電器產(chǎn)品反抗電磁攪擾的才能。一臺(tái)具備杰出電磁兼容性的設(shè)備應(yīng)既不受周圍電磁噪聲的影響，也不對周圍環(huán)境構(gòu)成電磁攪擾。電磁攪擾的三個(gè)要素是攪擾源、耦合通道和敏感體。按捺開關(guān)電源發(fā)生的攪擾對確保電子體系的正常安穩(wěn)運(yùn)行具有十分重要的含義，電磁攪擾的按捺技能首要包含削弱攪擾的能量，阻隔和減弱噪聲耦合途徑及進(jìn)步設(shè)備對電磁打擾的反抗才能等。本文剖析了開關(guān)電源電磁攪擾發(fā)生原因，介紹了開關(guān)電源電磁攪擾按捺技能及規(guī)劃辦法。
1.開關(guān)電源電磁攪擾的發(fā)生
開關(guān)電源一般是將工頻交流電整流為直流電，然后經(jīng)過開關(guān)管的操控使其變?yōu)楦哳l，再經(jīng)過整流濾波電路輸出，得到安穩(wěn)的直流電壓。工頻整流濾波運(yùn)用大容量電容充、放電，開關(guān)管高頻通斷，輸出整流二極管的反向恢復(fù)等作業(yè)進(jìn)程中發(fā)生了極高的di/dt和du/dt，構(gòu)成了激烈的浪涌電流和尖峰電壓，它是開關(guān)電源電磁攪擾發(fā)生的最基本原因。別的，開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形狀的周期波。因而，其頻率是MHz等級的，這些高頻信號對開關(guān)電源的基本信號，特別是操控電路的信號構(gòu)成攪擾。
1.1輸入整流電路的諧波攪擾
開關(guān)電源輸入端一般選用橋式整流、電容濾波電路。整流橋只有在脈動(dòng)電壓超過輸入濾波電容上的電壓時(shí)才能導(dǎo)通，電流才從市電電源輸入，并對濾波電容充電。一旦濾波電容上的電壓高于市電電源的瞬時(shí)電壓，整流管便截止。所以，輸入電路的電流是脈沖性質(zhì)的，并且有著豐厚的高效諧波電流。這是由于整流電路的非線性特性，整流橋交流側(cè)的電流嚴(yán)峻失真。
而直流側(cè)的諧波次數(shù)是n倍。所以，整流電路直流側(cè)高頻諧波電流不只使電路發(fā)生功率，增加電路的無功功率，并且高頻諧波會(huì)沿著傳輸線路發(fā)生傳導(dǎo)攪擾和輻射攪擾。
1.2開關(guān)電路發(fā)生的攪擾
開關(guān)電路在開關(guān)電源中起著關(guān)鍵的效果，一起也是首要的攪擾源之一。開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級線圈，是感性負(fù)載。其在導(dǎo)通瞬間，初級線圈發(fā)生很大的涌流，并在初級線圈的兩頭出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;在斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉�圈，儲(chǔ)藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻構(gòu)成帶有尖峰的衰減震蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，構(gòu)成關(guān)斷電壓尖峰。假如尖峰有足夠高的起伏，那么很有或許把開關(guān)管擊穿。
1.3高頻變壓器發(fā)生的共模傳導(dǎo)打擾
高頻變壓器是開關(guān)電源中完成能量儲(chǔ)存、阻隔、輸出、電壓改換的重要部件，它的漏感和散布電容對電路的電磁兼容功能發(fā)生較大的影響。由于初級線圈有漏磁通，致使一部分能量沒有傳輸?shù)酱渭壘�圈，而是經(jīng)過集電極電路中的電容、電阻構(gòu)成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，構(gòu)成關(guān)斷電壓尖峰，發(fā)生與初級線圈接通時(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，構(gòu)成傳導(dǎo)打擾，重者有或許擊穿開關(guān)管。別的，高頻變壓器初級線圈、開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路或許會(huì)發(fā)生較大的空間輻射，構(gòu)成輻射打擾。
在開關(guān)電源的調(diào)頻變壓器初次級之間存在著散布電容。用一個(gè)設(shè)備電容（設(shè)備對地的散布電容）來與整個(gè)開關(guān)電源等效，就構(gòu)成了攪擾通道。共模攪擾經(jīng)過變壓器的耦合電容，經(jīng)過設(shè)備電容再回來大地，就得到一個(gè)由變壓器耦合電容與設(shè)備電容構(gòu)成的分壓器。脈沖變壓器初級線圈、開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路或許會(huì)發(fā)生較大的空間輻射，構(gòu)成輻射打擾。
1.4散布及寄生參數(shù)引起的開關(guān)電源噪聲
開關(guān)電源的散布參數(shù)是大都攪擾的內(nèi)涵因素，開關(guān)電源和散熱器之間的散布電容、變壓器初次級之間的散布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。共模攪擾便是經(jīng)過變壓器初、次級之間的散布電容以及開關(guān)電源與散熱器之間的散布電容傳輸?shù)摹Ｆ渲凶儔浩骼@組的散布電容與高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)、制作工藝有關(guān)。開關(guān)電源與散熱器之間的散布電容與開關(guān)管的結(jié)構(gòu)以及開關(guān)管的安裝方法有關(guān)。選用帶有屏蔽的絕緣襯墊能夠減小開關(guān)管與散熱器之間的散布電容。
在高頻作業(yè)下的元件都有高頻寄生特性，對其作業(yè)狀況發(fā)生影響。高頻作業(yè)時(shí)導(dǎo)線變成了發(fā)射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路，當(dāng)頻率過高時(shí)各元件的頻率特性發(fā)生了相當(dāng)大的改變。為了確保開關(guān)電源在高頻作業(yè)時(shí)的安穩(wěn)性，規(guī)劃開關(guān)電源時(shí)要充分考慮元件在高頻作業(yè)時(shí)的特性，挑選運(yùn)用高頻特性比較好的元件。別的，在高頻時(shí)，導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線，也就成為了開關(guān)電源中的輻射攪擾源。
2.按捺電磁攪擾的辦法
開關(guān)電源存在著共模攪擾和差模攪擾兩種電磁攪擾方式。依據(jù)前面剖析的電磁攪擾源，結(jié)合它們的耦合途徑，能夠從EMI濾波器、吸收電路、接地和屏蔽等幾個(gè)方面來按捺攪擾，把電磁攪擾衰減到答應(yīng)極限之內(nèi)。
2.1交流輸入EMI濾波器
濾波是一種按捺傳導(dǎo)攪擾的辦法，在電源輸入端接上濾波器能夠按捺來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害，也能夠按捺由開關(guān)電源發(fā)生并向電網(wǎng)反應(yīng)的攪擾。電源濾波器作為按捺電源線傳導(dǎo)攪擾的重要單元，在設(shè)備或體系的電磁兼容規(guī)劃中具有極其重要的效果。電源進(jìn)線端一般選用如圖1所示的EMI濾波器電路。該電路能夠有效地按捺交流電源輸入端的低頻差模打擾和高頻段共模打擾。在電路中，跨接在電源兩頭的差模電容Cx1、Cx2（亦稱X電容）用于濾除差模攪擾信號，一般選用陶瓷電容器或聚脂薄膜電容器，電容值一般取0.1~0.47F。而中心連線接地的共模電容Cy1和Cy2（亦稱Y電容）則用來短路共模噪聲電流，取值規(guī)模一般為C1=C2#2200pF。按捺電感L1、L2一般取100~130H，共模扼流圈L是由兩股等同并且按同方向繞制在一個(gè)磁芯上的線圈組成，一般要求其電感量L#15~25mH。當(dāng)負(fù)載電流渡過共模扼流圈時(shí)，串聯(lián)在火線上的線圈所發(fā)生的磁力線和串聯(lián)在零線上線圈所發(fā)生的磁力線方向相反，它們在磁芯中彼此抵消。因而，即使在大負(fù)載電流的情況下，磁芯也不會(huì)飽滿。而關(guān)于共模攪擾電流，兩個(gè)線圈發(fā)生的磁場是同方向的，會(huì)出現(xiàn)較大電感，然后起到衰減共模攪擾信號的效果。
2.2運(yùn)用吸收電路
開關(guān)電源發(fā)生EMI的首要原因是電壓和電流的急劇改變，因而需求盡或許地下降電路中電壓和電流的改變率（du/dt和di/dt）。采取吸收電路能夠按捺EMI，其基本原理便是在開關(guān)關(guān)斷時(shí)為其供給旁路，吸收積蓄在寄生散布參數(shù)中的能量，然后按捺攪擾的發(fā)生。能夠在開關(guān)管兩頭并聯(lián)如圖2（a）所示的RC吸收電路，開關(guān)管或二極管在注冊和關(guān)斷進(jìn)程中，管中發(fā)生的反向尖峰電流和尖峰電壓，能夠經(jīng)過緩沖的辦法予以克服。緩沖吸收電路能夠削減尖峰電壓的起伏和削減電壓波形的改變率，這關(guān)于半導(dǎo)體器材運(yùn)用的安全性非常有好處。與此一起，緩沖吸收電路還下降了射頻輻射的頻譜成份，有益于下降射頻輻射的能量。箝位電路首要用來避免半導(dǎo)體器材和電容器被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。兼顧箝位電路維護(hù)效果和開關(guān)電源的效率要求，TVS管的擊穿電壓挑選為初級繞組感應(yīng)電壓的1.5倍。當(dāng)TVS上的電壓超過必定起伏時(shí)，器材迅速導(dǎo)通，然后將浪涌能量泄放掉，并將浪涌電壓的幅值約束在必定的起伏。在開關(guān)管漏極和輸出二極管的正極引線上可串聯(lián)帶可飽滿磁芯線圈或微晶磁珠，材質(zhì)一般為鈷，當(dāng)經(jīng)過正常電流時(shí)磁芯飽滿，電感量非常小。一旦電流要反向流過時(shí)，它將發(fā)生非常大的反電勢，這樣就能有效地按捺二極管的反向浪涌電流。
2.3屏蔽辦法
按捺輻射噪聲的有效辦法便是屏蔽。能夠用導(dǎo)電功能杰出的資料對電場進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的資料對磁場進(jìn)行屏蔽。為了避免變壓器的磁場走漏，使變壓器初次級耦合杰出，能夠運(yùn)用閉合磁環(huán)構(gòu)成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就顯著比E型的小很多。開關(guān)電源的連接線，電源線都應(yīng)該運(yùn)用具有屏蔽層的導(dǎo)線，盡量避免外部攪擾耦合到電路中。或許運(yùn)用磁珠、磁環(huán)等EMC元件，濾除電源及信號線的高頻攪擾。可是，要注意信號頻率不能遭到EMC元件的攪擾，也便是信號頻率要在濾波器的通帶之內(nèi)。整個(gè)開關(guān)電源的外殼也需求有杰出的屏蔽特性，接縫處要契合EMC規(guī)則的屏蔽要求。經(jīng)過上述辦法確保開關(guān)電源既不受外部電磁環(huán)境的攪擾也不會(huì)對外部電子設(shè)備發(fā)生攪擾。
2.4變壓器的繞制
在規(guī)劃高頻變壓器時(shí)必須把漏感減到最小。由于漏感越大，發(fā)生的尖峰電壓幅值越高，漏極箝位電路的損耗就越大，這必然導(dǎo)致電源效率下降。減小變壓器的漏感一般選用削減原邊繞組的匝數(shù)、增大繞組的寬度、減小各繞組之間的絕緣層等辦法。
變壓器首要的寄生參數(shù)為漏感、繞組間電容、交叉耦合電容。變壓器繞組間的交叉耦合電容為共模噪聲流過整個(gè)體系供給了通路。
在變壓器的繞制進(jìn)程中選用法拉第屏蔽來減小交叉耦合電容。法拉第屏蔽簡單來說便是用銅箔或鋁箔包繞在原邊繞組和副邊繞組之間，構(gòu)成一個(gè)表面屏蔽層阻隔區(qū)，并接地，其華夏邊繞組和副邊繞組交織繞制，以減小交叉耦合電容。在安裝規(guī)程上一般要求散熱器接地，那么開關(guān)管漏極與散熱器之間的寄生電容就為共模噪聲供給了通路，能夠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。
2.5接地技能的使用
開關(guān)電源需求重視地線的連接，地線承擔(dān)著參閱電平的重?fù)?dān)，特別是操控電路的參閱地，如電流檢測電阻的地電平緩無阻隔輸出的分壓電阻的地電平。
（1）設(shè)備的信號接地。設(shè)備的信號接地，或許是以設(shè)備中的一點(diǎn)或一塊金屬來作為信號的接地參閱點(diǎn)，它為設(shè)備中的所有信號供給了一個(gè)公共參閱電位。如浮地和混合接地，別的還有單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。
（2）設(shè)備接大地。在工程實(shí)踐中，除仔細(xì)考慮設(shè)備內(nèi)部的信號接地外，一般還將設(shè)備的信號地，機(jī)殼與大地連在一起，以大地作為設(shè)備的接地參閱點(diǎn)。
操控信號的地電平衰減應(yīng)盡或許的小，因而，選用操控部分一點(diǎn)接地，然后將公共連接點(diǎn)再單點(diǎn)接至功率地。這種接地方法能夠使噪聲源和敏感電路別離。別的，地線盡量鋪寬，對空白區(qū)域可敷銅填滿，力求下降地電平差錯(cuò)和EMI。
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