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          開關電源的電磁兼容設計

          發布時間:2022-10-25 10:49

              電磁兼容是指在有限的空間、時間和頻譜范圍內,各種電氣設備共存而不引起性能的下降,它包括電磁騷擾(EMD)和電磁敏感(EMS)兩方面的內容。EMD是指電氣產品向外發出噪聲,EMS則是指電氣產品抵抗外來電磁騷擾的能力。一臺具備良好電磁兼容性能的設備,應該既不受周圍電磁環境的影響也不對周圍造成電磁騷擾。

              開關電源中的功率開關管在高頻下的通、斷過程產生大幅度的電壓和電流跳變,因而產生強大的電磁騷擾,但騷擾的頻率范圍(<30MHz)是比較低的。多數小功率開關電源的幾何尺寸遠小于30MHz電磁場對應的波長(空氣介質中約為10m),開關電源系統研究的電磁騷擾現象屬于似穩場的范圍,研究它們的電磁騷擾問題時,主要考慮的是傳導騷擾。

          開關電源的電磁兼容設計

          2  電磁騷擾

              討論電磁騷擾一般是從騷擾源的特性,騷擾的耦合通道特性和受擾體的特性三個方面來進行的。

          2.1  開關電源中的主要電磁騷擾源

              開關電源中的電磁騷擾源主要有開關器件、二極管和非線性無源元件;在開關電源中,印制板布線不當也是引起電磁騷擾的一個主要因素。

          2.1.1  開關電路產生的電磁騷擾

              對開關電源來說,開關電路產生的電磁騷擾是開關電源的主要騷擾源之一。開關電路是開關電源的核心,主要由開關管和高頻變壓器組成。它產生的dv/dt是具有較大輻度的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖騷擾產生的主要原因是
              1)開關管負載為高頻變壓器初級線圈,是感性負載。在開關管導通瞬間,初級線圈產生很大的涌流,并在初級線圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓;在開關管斷開瞬間,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到二次線圈,儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在關斷電壓上,形成關斷電壓尖峰。這種電源電壓中斷會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變,這個噪聲會傳導到輸入輸出端,形成傳導騷擾,重者有可能擊穿開關管。
              2)脈沖變壓器初級線圈,開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射,形成輻射騷擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好,電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導騷擾。

          2.1.2  二極管整流電路產生的電磁騷擾

              主電路中整流二極管產生的反向恢復電流的|di/dt|遠比續流二極管反向恢復電流的|di/dt|小得多。作為電磁騷擾源來研究,整流二極管反向恢復電流形成的騷擾強度大,頻帶寬。整流二極管產生的電壓跳變遠小于電源中的功率開關管導通和關斷時產生的電壓跳變。因此,不計整流二極管產生的|dv/dt|和|di/dt|的影響,而把整流電路當成電磁騷擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。

          2.1.3  dv/dt與負載大小的關系

              功率開關管開通和關斷時產生的dv/dt是開關電源的主要騷擾源。經理論分析及實驗表明,負載加大,關斷產生的|dv/dt|值加大,而負載變化對開通的|dv/dt|影響不大。由于開通和關斷時產生的|dv/dt|不同,從而對外部產生的騷擾脈沖也是不同的。

          2.2  開關電源電磁噪聲的耦合通道

              描述開關電源和系統傳導騷擾的耦合通道有兩種方法:
              1)將耦合通道分為共模通道和差模通道;
              2)采用系統函數來描述騷擾和受擾體之間的耦合通道的特性。
              本文采用第一種方法進行論述。

          2.2.1  共模和差模騷擾通道

              開關電源在由電網供電時,它將從電網取得的電能變換成另一種特性的電能供給負載。同時開關電源又是一噪聲源,通過耦合通道對電網、開關電源本身和其它設備產生騷擾,通常多采用共模和差模騷擾加以分析。
              “共模騷擾”是指騷擾大小和方向一致,其存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間。共模騷擾也稱為縱模騷擾、不對稱騷擾或接地騷擾。是載流體與大地之間的騷擾。
              “差模騷擾”是指大小相等,方向相反,其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模騷擾也稱為常模騷擾、橫模騷擾或對稱騷擾。是載流體之間的騷擾。
              共模騷擾說明騷擾是由輻射或串擾耦合到電路中的,而差模騷擾則說明騷擾源于同一條電源電路的。通常這兩種騷擾是同時存在的,由于線路阻抗的不平衡,兩種騷擾在傳輸中還會相互轉化,情況十分復雜。共模騷擾主要是由|dv/dt|產生的,|di/dt|也產生一定的共模騷擾。但是,在低壓大電流的開關電源中,共模騷擾主要是由|dv/dt|產生的還是由|di/dt|產生的,需要進一步研究。
               在頻率不是很高的情況下,開關電源的騷擾源、耦合通道和受擾體實質上構成一多輸入多輸出的電網絡,而將其分解為共模和差模騷擾來研究是對上述復雜網絡的一種處理方法,這種處理方法在某種場合還比較合適。但是,將耦合通道分為共模和差模通道具有一定的局限性,雖然能測量出共模分量和差模分量,但共模分量和差模分量是由哪些元器件產生的,的確不易確定。因此有人用系統函數的方法來描述開關電源騷擾的耦合通道,即研究耦合通道的系統函數與各元器件的關系,建立耦合通道的電路模型。許多系統分析的結果,如靈敏度的分析、模態的分析等,都可用來研究開關電源的EMD的調試和預測。但是,用系統函數的方法分析騷擾的耦合通道,還需要做很多工作。

          2.2.2  雜散參數影響耦合通道的特性

              在傳導騷擾頻段(小于30MHz)范圍內,多數開關電源騷擾的耦合通道是可以用電路網絡來描述的。但是,在開關電源中的任何一個實際元器件,如電阻器、電容器、電感器乃至開關管、二極管都包含有雜散參數,且研究的頻帶愈寬,等值電路的階次愈高,因此,包括各元器件雜散參數和元器件間的耦合在內的開關電源的等效電路將復雜得多。在高頻時,雜散參數對耦合通道的特性影響很大,分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外,在開關管功率較大時,集電極一般都需加上散熱片,散熱片與開關管之間的分布電容在高頻時不能忽略,它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導的共模騷擾。

          開關電源的電磁兼容設計


          3  電磁騷擾的抑制

              對開關電源的EMD的抑制措施,主要是
              1)減小騷擾源的騷擾強度;
               2)切斷騷擾傳播途徑。
              為了達到這個目的,主要從選擇合適的開關電源電路拓撲;采用正確的接地、屏蔽、濾波措施;設計合理的元器件布局及印制板布線等幾個方面考慮。

          3.1  減小開關電源本身的騷擾

              減小開關電源本身的騷擾是抑制開關電源騷擾的根本,是使開關電源電磁騷擾低于規定極限值的有效方法。
              1)減小功率管通、斷過程中產生的騷擾
              上面分析表明,開關電源的主要騷擾是來自功率開關管通、斷的dv/dt。因此減小功率開關管通、斷的dv/dt是減小開關電源騷擾的重要方面。人們通常認為軟開關技術可以減小開關管通、斷的dv/dt。但是,目前的一些研究結果表明軟開關并不像人們預料的那樣,可以明顯地減小開關電源的騷擾。沒有實驗結果表明,軟開關變換器在EMC性能方面明顯地優于硬開關變換器。
              有文獻系統地研究了PWM反激式變換器、準諧振零電流變頻開關正激變換器、多諧振零電壓變頻開關反激式變換器、多揩振零電壓變頻開關正激變換器、電壓箝位多諧振零電壓定頻開關反激式變換器以及半橋式零電壓變頻串聯諧振變換器的EMD特性,討論了緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對騷      擾水平的影響。實驗結果表明,具有電壓箝位的零電壓定頻開關變換器的EMD電平最低。
              因此,采用軟開關電源技術,結合合理的元器件布置及合理的印制電路板布線,對開關電源的EMD水平有一定的改善。
              2)開關頻率調制技術
          將頻率不變的調制改變為隨機調制,變頻調制等。頻率固定不變的調制脈沖產生的騷擾在低頻段主要是調制頻率的諧波騷擾,低頻段的騷擾主要集中在各諧波點上。由F.Lin提出的開關頻率調制方法[3],其基本思想是通過調制開關頻率fc的方法,把集中在開關頻率fc及其諧波2fc,3fc……上的能量分散到它們周圍的頻帶上,由此降低各個頻點上的EMD幅值,以達到低于EMD標準規定的限值。這種開關調頻PWM的方法雖然不能降低總的騷擾能量,但它把能量分散到頻點的基帶上,以達到各個頻點都不超過EMD規定的限值。

          3.2  接地

              “接地”有設備內部的信號接地和設備接大地,兩者概念不同,目的也不同。“地”的經典定義是“作為電路或系統基準的等電位點或平面”。

          3.2.1  設備的信號接地

              設備的信號接地,可能是以設備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點,它為設備中的所有信號提供了一個公共參考電位。
              在這里介紹浮地和混合接地,另外,還有單點接地和多點接地。

              1)浮地
              采用浮地的目的是將電路或設備與公共接地系統,或可能引起環流的公共導線隔離開來。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實現電路或設備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大優點是抗騷擾性能好。
              浮地的缺點是由于設備不與公共地相連,容易在兩者間造成靜電積累,當電荷積累到一定程度后,在設備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電,而成為破環性很強的騷擾源。
              一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻,用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗,太低的電阻會影響設備泄漏電流的合格性。

              2)混合接地
              混合接地使接地系統在低頻和高頻時呈現不同的特性,這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對低頻和直流有較高的阻抗,因此能夠避免兩模塊之間的地環路形成。當將直流地和射頻地分開時,將每個子系統的直流地通過10~100nF的電容器接到射頻地上,這兩種地應在一點有低阻抗連接起來,連接點應選在最高翻轉速度(di/dt)信號存在的點。

          3.2.2  設備接大地

              在工程實踐中,除認真考慮設備內部的信號接地外,通常還將設備的信號地,機殼與大地連在一起,以大地作為設備的接地參考點。設備接大地的目的是
              1)保證設備操作人員人身的安全。
              2)泄放機箱上所積累的電荷,避免電荷積累使機箱電位升高,造成電路工作的不穩定。
              3)避免設備在外界電磁環境的作用下使設備對大地的電位發生變化,造成設備工作的不穩定。
              由此可見,設備接大地除了是對人員安全、設備安全的考慮外,也是抑制騷擾發生的重要手段。

          3.3  屏蔽

              抑制開關電源產生的騷擾輻射的有效方法是屏蔽,即用電導率良好的材料對電場屏蔽,用磁導率高的材料對磁場屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場泄露,可利用閉合環形成磁屏蔽,另外,還要對整個開關電源進行電場屏蔽。屏蔽應考慮散熱和通風問題,屏蔽外殼上的通風孔最好為圓形多孔,在滿足通風的條件下,孔的數量可以多,每個孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接,以保證電磁的連續性,如果采用螺釘固定,注意螺釘間距要短。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施,否則,這些會成為騷擾發射天線,嚴重降低屏蔽外殼的屏蔽效果。若用電場屏蔽,屏蔽外殼一定要接地,否則,將起不到屏蔽效果;若用磁場屏蔽,屏蔽外殼則不需接地。對非嵌入的外置式開關電源的外殼一定要進行電場屏蔽,否則,很難通過輻射騷擾測試。

          3.4  濾波

              電源濾波器安裝在電源線與電子設備之間,用于抑制電源線引出的傳導騷擾,又可以降低從電網引入的傳導騷擾。對提高設備的可靠性有重要的作用。
              開關電源產生的電磁騷擾以傳導騷擾為主,而傳導騷擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。通常共模騷擾要比差模騷擾產生更大的輻射型EMD。目前抑制傳導EMD最有效的方法是利用無源濾波技術。
              作為一種雙端口網絡EMD濾波器,它對騷擾的抑制性能不僅取決于濾波器本身的拓撲,而且在很大程度上也受EMD濾波器輸入、輸出阻抗值的影響。由于EMD濾波器阻抗和負載阻抗的可變動性以及它們可能直接與電網相連的特點,電源EMD濾波器的輸入、輸出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。這就造成了EMD濾波器設計不能完全應用成熟的通信用濾波器的設計方法和理論。這是電源波波器設計面臨的主要問題。

          3.5  元器件布局及印制電路板布線

              開關電源的輻射騷擾與電流通路中的電流大小,通路的環路面積,以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比,即輻射騷擾E∝I·A·f2。運用這一關系的前提是通路尺寸遠小于頻率的波長。
              上述關系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關鍵,這是說開關電源的元器件要彼此緊密排列。在初級電路中,要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近,且布線緊湊;在次級電路中,要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。
              在印制板上,將正負載流導線分別布在印制板的兩面,并設法使兩個載流導體彼此間保持平行,因為平行緊靠的正負載流導體所產生的外部磁場是趨向于相互抵消的。
              布線間的電磁耦合是通過電場和磁場進行的,因此在布線時,應注意對電場與磁場耦合的抑制。對電場的抑制方法有
              1)盡量增大線間距離,使電容耦合為最??;
              2)采用靜電屏蔽,屏蔽層要接地;
              3)降低敏感線路的輸入阻抗。
              對磁場的抑制方法有
              1)減小騷擾源和敏感電路的環路面積;
              2)增大線間距離,使耦合騷擾源與敏感電路間的互感盡可能地??;
              3)最好使騷擾源與敏感電路呈直角布線,以便大大降低線路間耦合。

          4  結語

              開關電源電磁兼容設計的目的是使產品在一定的電磁環境下正常工作,也就是說,電源產品應滿足標準規定的抗擾度極限值要求,在受到一定的電磁騷擾時,無性能的下降或故障;同時,電源產品滿足標準規定的電磁極限值要求,對電磁環境不構成污染源,而實現電磁兼容。


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