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          開關電源電磁兼容設計經驗談(一)

          日期:2022-05-10 11:29
          瀏覽次數:31
          摘要: 隨著電力電子技術的發展,開關電源模塊因其相對體積小、效率高、工作可靠等優點開始取代傳統整流電源而被廣泛應用到社會的各個領域。但由于開關電源工作頻率高,內部產生很快的電流、電壓變化,即dv/dt和di/dt,導致開關電源模塊將產生較強的諧波干擾和尖峰干擾,并通過傳導、輻射和串擾等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統的正常工作,當然其本身也會受到其它電子設備電磁干擾的影響。這就是所討論的電磁兼容性問題,也是關于開關電源電磁兼容的電磁騷擾EMD與電磁敏感度EMS設計問題。由于國家開始對部分電子產品強制實行3C認證,因此...

          隨著電力電子技術的發展,開關電源模塊因其相對體積小、效率高、工作可靠等優點開始取代傳統整流電源而被廣泛應用到社會的各個領域。但由于開關電源工作頻率高,內部產生很快的電流、電壓變化,即dv/dt和di/dt,導致開關電源模塊將產生較強的諧波干擾和尖峰干擾,并通過傳導、輻射和串擾等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統的正常工作,當然其本身也會受到其它電子設備電磁干擾的影響。這就是所討論的電磁兼容性問題,也是關于開關電源電磁兼容的電磁騷擾EMD與電磁敏感度EMS設計問題。由于國家開始對部分電子產品強制實行3C認證,因此一個電子設備能否滿足電磁兼容標準,將關系到這一產品能否在市場上銷售,所以進行開關電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。


          電磁兼容學是一門綜合性學科,它涉及的理論包括數學、電磁場理論、天線與電波傳播、電路理論、信號分析、通訊理論、材料科學、生物醫學等。

          進行開關電源的電磁兼容性設計時,首先進行一個系統設計,明確以下幾點:

          1. 明確系統要滿足的電磁兼容標準;
          2. 確定系統內的關鍵電路部分,包括強干擾源電路、高度敏感電路;
          3. 明確電源設備工作環境中的電磁干擾源及敏感設備;
          4. 確定對電源設備所要采取的電磁兼容性措施。

          一、DC/DC變換器內部噪聲干擾源分析

          1.二極管的反向恢復引起噪聲干擾

          在開關電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續流二極管等,由于這些二極管都工作在開關狀態,如圖所示,在二極管由阻斷狀態到導通工作過程中,將產生一個很高的電壓尖峰VFP;在二極管由導通狀態到阻斷工作過程中,存在一個反向恢復時間trr,在反向恢復過程中,由于二極管封裝電感及引線電感的存在,將產生一個反向電壓尖峰VRP,由于少子的存儲與復合效應,會產生瞬變的反向恢復電流IRP,這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產生的根源。


          電流電壓波形圖

          二極管反向恢復時電流電壓波形 二極管正向導通電流電壓波形

          2.開關管開關動作時產生電磁干擾

          二極管反向恢復時電流電壓波形 二極管正向導通電流電壓波形

          在正激式、推挽式、橋式變換器中,流過開關管的電流波形在阻性負載時近似矩形波,含有豐富的高頻成分,這些高頻諧波會產生很強的電磁干擾,在反激變換器中,流過開關管的電流波形在阻性負載時近似三角波,高次諧波成分相對較少。開關管在開通時,由于開關時間很短以及逆變回路中引線電感的存在,將產生很大的dV/dt突變和很高的尖峰電壓,在開關管的關斷時,由于關斷時間很短,將產生很大的di/dt突變和很高的電流尖峰,這些電流、電壓突變將產生很強的電磁干擾。

          3.電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾:在開關電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件,隔離變壓器初次級之間存在寄生電容,高頻干擾信號通過寄生電容耦合到次邊;功率變壓器由于繞制工藝等原因,原次邊耦合不理想而存在漏感,漏電感將產生電磁輻射干擾,另外功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流,在周圍形成高頻電磁場;電感線圈中流過脈動電流會產生電磁場輻射,而且在負載突切時,會形成電壓尖峰,同時當它工作在飽和狀態時,將會產生電流突變,這些都會引起電磁干擾。

          4.控制電路中周期性的高頻脈沖信號如振蕩器產生的高頻脈沖信號等將產生高頻高次諧波,對周圍電路產生電磁干擾。

          5.此外電路中還會有地環路干擾、公共阻抗耦合干擾,以及控制電源噪聲干擾等。

          6.開關電源中的布線設計非常重要,不合理布線將使電磁干擾通過線線之間的耦合電容和分布互感串擾或輻射到鄰近導線上,從而影響其它電路的正常工作。

          7.熱輻射產生的電磁干擾,熱輻射是以電磁波的形式進行熱交換,這種電磁干擾影響其它電子元器件或電路的正常穩定工作。

          二、外界的電磁干擾

          對于某一電子設備,外界對其產生影響的電磁干擾包括:電網中的諧波干擾、雷電、太陽噪聲、靜電放電,以及周圍的高頻發射設備引起的干擾。

          三、電磁干擾的后果

          電磁干擾將造成傳輸信號畸變,影響設備的正常工作。對于雷電、靜電放電等高能量的電磁干擾,嚴重時會損壞設備。而對于某些設備,電磁輻射會引起重要信息的泄漏。

          四、開關電源的電磁兼容設計

          了解了開關電源內部及外部電磁干擾源后,我們還應知道,形成電磁干擾機理的三要素是還有傳播途徑和受擾設備。因此開關電源的電磁兼容設計主要從以下三個方面入手:1,減小干擾源的電磁干擾能量;2,切斷干擾傳播途徑;3,提高受擾設備的抗干擾能力。

          正確了解和把握開關電源的電磁干擾源及其產生機理和干擾傳播途徑,對于采取何種抗干擾措施以使設備滿足電磁兼容要求非常重要。由于干擾源有開關電源內部產生的干擾源和外部的干擾源,而且可以說干擾源無法消除,受擾設備也總是存在,因此可以說電磁兼容問題總是存在。

          下面以隔離式DC/DC變換器為例,討論開關電源的電磁兼容性設計:

          1. DC/DC變換器輸入濾波電路的設計

          如圖所示,FV1為瞬態電壓抑制二極管,RV1為壓敏電阻,都具有很強的瞬變浪涌電流的吸收能力,能很好的保護后級元件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器,必須良好接地,接地線要短,*好直接安裝在金屬外殼上,還要保證其輸入、輸出線之間的屏蔽隔離,才能有效的切斷傳導干擾沿輸入線的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L1、C1組成低通濾波電路,當L1電感值較大時,還需增加如圖所示的V1和R1元件,形成續流回路吸收L1斷開時釋放的電場能,否則L1產生的電壓尖峰就會形成電磁干擾,電感L1所使用的磁芯*好為閉合磁芯,帶氣隙的開環磁芯的漏磁場會形成電磁干擾,C1的容量較大為好,這樣可以減小輸入線上的紋波電壓,從而減小輸入導線周圍形成的電磁場。


          DC/DC變換器輸入濾波電路

          2.高頻逆變電路的電磁兼容設計,如圖所示,C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路,V2、V3為IGBT、MOSFET等開關元件,在V2、 V3開通和關斷時,由于開關時間很快以及引線電感、變壓器漏感的存在,回路會產生較高的di/dt、dv/dt突變,從而形成電磁干擾,為此在變壓器原邊兩端增加R4、C4構成的吸收回路,或在V2、V3兩端分別并聯電容器C5、C6,并縮短引線,減小ab、cd、gh、ef的引線電感。在設計中,C4、 C5、C6一般采用低感電容,電容器容量的大小取決于引線電感量、回路中電流值以及允許的過沖電壓值的大小,LI2/2=C△V2/2公式求得C的大小,其中L為回路電感,I為回路電流,△V為過沖電壓值。
          為減小△V,就必須減小回路引線電感值,為此在設計時常使用一種叫“多層低感復合母排”的裝置,由我所申請磚利的該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小,達10nH級,從而達到減小高頻逆變回路電磁干擾的目的。


          開關管電流、電壓波形比較圖

          從電磁兼容性設計角度考慮,應盡量降低開關管V2、V3的開關頻率,從而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS軟開關變換技術能有效降低高頻逆變回路的電磁干擾。在大電流或高電壓下的快速開關動作是產生電磁噪聲的根本,因此盡可能選用產生電磁噪聲小的電路拓撲,如在同等條件下雙管正激拓撲比單管正激拓撲產生電磁噪聲要小,全橋電路比半橋電路產生電磁噪聲要小。

          如圖所示增加吸收電路后開關管上的電流、電壓波形與沒有吸收回路時的波形比較。


          半橋逆變電路

          3.高頻變壓器的電磁兼容設計

          在高頻變壓器T1的設計時,盡量選用電磁屏蔽性較好的磁芯材料。

          如圖所示,C7、C8為匝間耦合電路,C11為繞組間耦合電容,在變壓器繞制時,盡量減小分布電容C11,以減小變壓器原邊的高頻干擾耦合到次邊繞組。另外為進一步減小電磁干擾,可在原、次邊繞組間增加一個屏蔽層,屏蔽層良好接地,這樣變壓器原、次邊繞組對屏蔽層間就形成耦合電容C9、C10,高頻干擾電流就通過C9、C10流到大地。

          由于變壓器是一個發熱元件,較差的散熱條件必然導致變壓器溫度升高,從而形成熱輻射,熱輻射是以電磁波形式對外傳播,因此變壓器必須有很好的散熱條件。

          通常將高頻變壓器封裝在一個鋁殼盒內,鋁盒還可安裝在鋁散熱器上,并灌注電子硅膠,這樣變壓器即可形成較好的電磁屏蔽,還可保證有較好的散熱效果,減小電磁輻射。


          高頻變壓器的電磁兼容設計

          5. 輸出整流電路電磁兼容設計

          如圖所示為輸出半波整流電路,V6為整流二極管,V7為續流二極管,由于V6、 V7工作于高頻開關狀態,因此輸出整流電路的電磁干擾源主要是V6和V7,R5、C12和R6、C13分別連接成V6、V7的吸收電路,用于吸收其開關動作時產生的電壓尖峰,并以熱的形式在R5、R6上消耗。

          減少整流二極管的數量就可減小電磁干擾的能量,因此同等條件下,采用半波整流電路比采用全波整流和全橋整流產生的電磁干擾要小。
          為減小二極管的電磁干擾,必須選用具有軟恢復特性的、反向恢復電流小、反向恢復時間短的二極管器件。從理論上講,肖特基勢壘二極管(SBD)是多數載流子導流,不存在少子的存儲與復合效應,因而也就不會有反向電壓尖峰干擾,但實際上對于較高反向工作電壓的肖特基二極管,隨著電子勢壘厚度的增加,反向恢復電流會增大,也會產生電磁噪聲。因此在輸出電壓較低的情況下選用肖特基二極管作直流二極管產生的電磁干擾會比選用其它二極管器件要小。


          輸出整流電路電磁兼容設計

          6. 輸出直流濾波電路的電磁兼容設計

          輸出直流濾波電路主要用于切斷電磁傳導干擾沿導線向輸出負載端傳播,減小電磁干擾在導線周圍的電磁輻射。

          如圖所示,L2、C17、C18組成的LC濾波電路,能減小輸出電流、電壓紋波的大小,從而減小通過輻射傳播的電磁干擾,濾波電容C17、C18盡量采用多個電容并聯,減小等效串聯電阻,從而減小紋波電壓,輸出電感L2值盡量大,減小輸出紋波電流的大小,另外電感L2*好使用不開氣隙的閉環磁芯,*好不是飽和電感。在設計時,我們要記住,導線上有電流、電壓的變化,在導線周圍就有變化的電磁場,電磁場就會沿空間傳播形成電磁輻射。

          C19用于濾除導線上的共模干擾,盡量選用低感電容,且接線要短,C20、C21、C22、C23用于濾除輸出線上的差模干擾,宜選用低感的三端電容,且接地線要短,接地可靠。

          Z3為直流EMI濾波器,根據情況使用或不使用,是采用單級還是多級濾波器,但要求Z3直接安裝在金屬機箱上,*好濾波器輸入、輸出線能屏蔽隔離。


          輸出整流電路電磁兼容設計


          粵公網安備 44190002002243號

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