開(kāi)關(guān)電源電磁干擾抑制 - 電源工程師設(shè)計(jì)全攻略(二):開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

來(lái)源:電子發(fā)燒友網(wǎng)整理 作者:孔令雙2014年07月10日 11:18
[導(dǎo)讀] 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾抑制


  開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的抑制

  開(kāi)關(guān)電源工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài),內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。電磁干擾信號(hào)不僅對(duì)電網(wǎng)造成污染,還直接影響到其他用電設(shè)備甚至電源本身的正常工作,而且作為輻射干擾闖入空間,造成電磁污染,制約著人們的生產(chǎn)和生活。

  1、無(wú)源濾波技術(shù)

  無(wú)源濾波電路簡(jiǎn)單,成本低廉,工作性能可靠,是抑制電磁干擾的有效方式。無(wú)源濾波器由電感、電容、電阻元件組成,其直接作用是解決傳導(dǎo)發(fā)射。開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的無(wú)源濾波器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的無(wú)源濾波器

  由于原電源電路中濾波電容容量大,整流電路中會(huì)產(chǎn)生脈沖尖峰電流,這個(gè)電流由非常多的高次諧波電流組成,對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾;另外電路中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通或截止、變壓器的初級(jí)線圈都會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)電流。由于電流變化率很高,對(duì)周?chē)娐窌?huì)產(chǎn)生出不同頻率的感應(yīng)電流,其中包括差模和共模干擾信號(hào),這些干擾信號(hào)可以通過(guò) 2根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)其他線路和干擾其他的電子設(shè)備。圖中差模濾波部分可以減少開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的差模干擾信號(hào),又能大大衰減設(shè)備本身工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)傳向電網(wǎng)。又根據(jù)電磁感應(yīng)定律,得E=Ldi/dt,其中:E為L(zhǎng)兩端的電壓降;L為電感量;di/dt為電流變化率。顯然要求電流變化率越小,則要求電感量就越大。

  脈沖電流回路通過(guò)電磁感應(yīng)其他電路與大地或機(jī)殼組成的回路產(chǎn)生的干擾信號(hào)為共模信號(hào);開(kāi)關(guān)電源電路中開(kāi)關(guān)管的集電極與其他電路之間產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng),電路會(huì)產(chǎn)生位移電流,而這個(gè)位移電流也屬于共模干擾信號(hào)。圖1中共模濾波器就是用來(lái)抑制共模干擾,使之受到衰減。

  2 、有源濾波技術(shù)

有源電源濾波器

  有源濾波技術(shù)是抑制共模干擾的一種有效方法。該方法從噪聲源出發(fā)而采取的措施(如圖2所示),其基本思想是設(shè)法從主回路中取出一個(gè)與電磁干擾信號(hào)大小相等、相位相反的補(bǔ)償信號(hào)去平衡原來(lái)的干擾信號(hào),以達(dá)到降低干擾水平的目的。如圖2所示,利用晶體管的電流放大作用,通過(guò)把發(fā)射極的電流折合到基極,在基極回路來(lái)濾波。R1,C2組成的濾波器使基極紋波很小,這樣射極的紋波也很小。由于C2的容量小于C3,減小了電容的體積。這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。另外,在設(shè)計(jì)和選用濾波器時(shí)應(yīng)注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。濾波器的安裝位置要恰當(dāng),安裝方法要正確,才能對(duì)干擾起到預(yù)期的濾波作用。

  3、共模、差模電源線濾波器設(shè)計(jì)

  電源線干擾可以使用電源線濾波器濾除,開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器基本電路如圖所示。一個(gè)合理有效的開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器應(yīng)該對(duì)電源線上差模干擾和共模干擾都有較強(qiáng)的抑制作用。在圖中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。差模濾波元件和共模濾波元件分別對(duì)差模和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。

  共模電感L1是在同一個(gè)磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個(gè)繞組構(gòu)成。通常使用環(huán)形磁芯,漏磁小,效率高,但是繞線困難。當(dāng)市網(wǎng)工頻電流在兩個(gè)繞組中流過(guò)時(shí)為一進(jìn)一出,產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好抵消,使得共模電感對(duì)市網(wǎng)工頻電流不起任何阻礙作用,可以無(wú)損耗地傳輸。如果市網(wǎng)中含有共模噪聲電流通過(guò)共模電感,這種共模噪聲電流是同方向的,流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí),產(chǎn)生的磁場(chǎng)同相疊加,使得共模電感對(duì)干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗,由此起到了抑制共模干擾的作用。

  實(shí)際使用中共模電感兩個(gè)電感繞組由于繞制工藝的問(wèn)題會(huì)存在電感差值,不過(guò)這種差值正好被利用作差模電感。所以,一般電路中不必再設(shè)置獨(dú)立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構(gòu)成了一個(gè)∏型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。

  除了共模電感以外,圖6中的電容CY1及CY2也是用來(lái)濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用,而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及 CY2起作用。電容CY的選擇要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)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。計(jì)算電容 CY漏電流的公式是:ID=2πfCYVcY,式中:ID為漏電流,f為電網(wǎng)頻率。

  一般裝設(shè)在可移動(dòng)設(shè)備上的濾波器,其交流漏電流應(yīng)《1mA;若為裝設(shè)在固定位置且接地的設(shè)備上的電源濾波器,其交流漏電流應(yīng)<3.5mA,醫(yī)療器材規(guī)定的漏電流更小。由于考慮到漏電流的安全規(guī)范,電容CY的大小受到了限制,一般為2.2~33nF。電容類(lèi)型一般為瓷片電容,使用中應(yīng)注意在高頻工作時(shí)電容器CY與引線電感的諧振效應(yīng)。

開(kāi)關(guān)電源

  差模干擾抑制器通常使用低通濾波元件構(gòu)成,最簡(jiǎn)單的就是一只濾波電容接在兩根電源線之間而形成的輸入濾波電路(如圖6中電容CX1),只要電容選擇適當(dāng),就能對(duì)高頻干擾起到抑制作用。該電容對(duì)高頻干擾阻抗甚底,故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過(guò)它,它對(duì)工頻信號(hào)的阻抗很高,故對(duì)工頻信號(hào)的傳輸毫無(wú)影響。該電容的選擇主要考慮耐壓值,只要滿足功率線路的耐壓等級(jí),并能承受可預(yù)料的電壓沖擊即可。為了避免放電電流引起的沖擊危害,CX電容容量不宜過(guò)大,一般在0.01~0.1μF之間。電容類(lèi)型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

  4、屏蔽技術(shù)和接地技術(shù)

  采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁輻射干擾。屏蔽一般分為2種:一種是靜電屏蔽,主要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響;另一種是電磁屏蔽,主要用于防止交變電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響。屏蔽技術(shù)分為對(duì)發(fā)出電磁波部位的屏蔽和受電磁波影響的元器件的屏蔽。在開(kāi)關(guān)電源中,可發(fā)出電磁波的元器件是指變壓器、電感器、功率器件等,通常在其周?chē)捎勉~板或鐵板作為屏蔽,以使電磁波產(chǎn)生衰減。

  此外,為了抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的輻射向外部發(fā)散,為了減少電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響,應(yīng)采取整體屏蔽??赏耆凑諏?duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來(lái)加工屏蔽罩,然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體,就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。然而在使用整體屏蔽時(shí)應(yīng)充分考慮屏蔽材料的接縫、電線的輸入/輸出端子和電線的引出口等處的電磁泄露,且不易散熱,結(jié)構(gòu)成本大幅度增加等因素。

  為使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用,加強(qiáng)屏蔽效果,同時(shí)保障人身和設(shè)備的安全,應(yīng)將系統(tǒng)與大地相連,即為接地技術(shù)。接地是指在系統(tǒng)的某個(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)接地面之間建立導(dǎo)電的通路設(shè)計(jì)。這一過(guò)程是至關(guān)重要的,將接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)可以更好地解決電磁干擾問(wèn)題,又可提高電子產(chǎn)品的抗干擾能力。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

 ?。?)、正確選擇單點(diǎn)接地通常,濾波電容公共端應(yīng)是其它的接地點(diǎn)耦合到大電流的交流地的唯一連接點(diǎn),同一級(jí)電路的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近,并且本級(jí)電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級(jí)接地點(diǎn)上,主要是考慮電路各部分回流到地的電流是變化的,因?qū)嶋H流過(guò)的線路的阻抗會(huì)導(dǎo)致電路各部分地電位的變化而引入干擾;

 ?。?)、量加粗接地線 若接地線很細(xì),接地電位則隨電流的變化而變化,致使電子設(shè)備的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn),抗噪聲性能變壞,因此要確保每一個(gè)大電流的接地端采用盡量短而寬的印制線,盡量加寬電源、地線寬度,最好是地線比電源線寬,它們的關(guān)系是:地線>電源線>信號(hào)線,如有可能,接地線的寬度應(yīng)大于3mm,也可用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線用;

 ?。?)輸入地與輸出地本開(kāi)關(guān)電源中為低壓的DC-DC,欲將輸出電壓反饋回變壓器的初級(jí),兩邊的電路應(yīng)有共同的參考地,所以在對(duì)兩邊的地線分別鋪銅之后,還要連接在一起,形成共同的地。 

    ——下期《電源工程師設(shè)計(jì)全攻略(三):充電電源設(shè)計(jì)》不日上線,敬請(qǐng)期待!

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