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开关电源中的EMC概念介绍
时间:2021-12-22 08:42:24 点击次数:384


1.开关电源的电磁干扰的发生与传输

电磁干扰传输有两种办法:一种是传导传输办法,另一种则是辐射传输办法。传导传输是在干扰源和灵敏设备之间有完整的电路衔接,干扰信号沿着衔接电路传递到接纳器而发生电磁干扰现象。

辐射传输是干扰信号经过介质以电磁波的办法向外传达的干扰办法。常见的辐射耦合有三种:1)一个天线发射的电磁波被另一个天线意外地接纳,称为天线对天线的耦合;2)空间电磁场经导线感应而耦合,称为场对线的耦合。3)两根平等导线之间的高频信号彼此感应而构成的耦合,称为线对线的感应耦合。

2.电磁干扰的发生机理

从被干扰的灵敏设备角度来说,干扰耦合又可分为传导耦合和辐射耦合两类。

●传导耦合模型

传导耦合按其原理可分为电阻性耦合、电容性耦合和电理性耦合三种根本耦合办法。

●辐射耦合模型

辐射耦合是干扰耦合的另一种办法,除了从干扰源宣布的有意辐射外,还有大量的无意辐射。一起,PCB板上的走线无论是电源线、信号线、时钟线、数据线或许操控线等,都能起到天线的效果,即可辐射出干扰波,又可起到接纳效果。

3.开关电源的电磁干扰操控技术

①传输通道按捺

●滤波:在规划和选用滤波器时应留意频率特性、耐压功能、额外电流、阻抗特性、屏蔽和牢靠性。滤波器的装置正确与否对其插入损耗特性影响很大,只有装置位置恰当,装置办法正确,才能对干扰起到预期的滤波效果。在装置滤波器时应考虑装置位置,输入输出侧的配线有必要屏蔽阻隔,以及高频接地和搭接办法。

●屏蔽:电磁屏蔽按原理可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。电场屏蔽包含静电屏蔽和交变电场屏蔽;磁场屏蔽包含低频磁场屏蔽和高频磁场屏蔽。不同类型的电磁屏蔽对屏蔽体的要求不同。在实践的屏蔽中,电磁屏蔽效能更大程度上依赖于屏蔽体的结构,即导电的连续性。实践的屏蔽体因为制造、安装、修理、散热、观察及接口衔接要求,其上面一般都开有形状各异、尺度不同的孔缝,这些孔缝关于屏蔽体的屏蔽效能起着重要的影响效果,因而有必要采取办法来按捺孔缝的电磁走漏。

●接地:接地有安全接地和信号接地两种。一起,接地也会引进接地阻抗及地回路干扰。接地技术包含接地点的挑选、电路组合、接地的规划和按捺接地干扰办法的合理运用等。

●搭接:搭接是指导体间低阻抗衔接,只有良好的搭接才能使电路完结其规划功能,使干扰的各种按捺办法得以发挥效果。搭接办法可分为永久性搭接和半永久性搭接两种,而搭接类型分为直接搭接和直接搭接。

●布线:布线是印刷电路板电磁兼容性规划的关键,应挑选合理的导线宽度,采取正确的布线策略,如加粗地线,将地线闭组成环路,削减导线不连续性,选用多层板等。

②空间别离

空间别离是按捺空间辐射打扰和感应耦合打扰的有用办法,经过加大打扰源和承受器灵敏设备之间的空间距离,使打扰电磁场抵达灵敏设备时的强度已衰减到低于承受设备灵敏度门限,然后到达按捺电磁干扰的意图。由电磁场理论可知,场强在近区感应场中以1/r3的办法衰减,远区辐射场的场强散布按1/r办法减小。因而,为了满意系统的电磁兼容性要求,尽量将组成系统的各个设备间的空间距离增大。在设备、系统布线中,限制平行线缆的最小距离,以削减串扰。在PCB规划中,规则引线条间的最小距离。另外,空间别离也包含在空间有限的情况下,对打扰源辐射方向的方位调整、打扰源电场矢量与磁场矢量的空间取向的操控。

③时刻别离

当打扰源十分强,不易选用其他办法牢靠按捺时,通常选用时刻分隔的办法,使有用信号在打扰信号中止发射的时刻内传输,或许当强打扰信号发射时,使易受打扰的灵敏设备短时封闭,以避免遭受损害。时刻分隔操控有两种办法,一种是主动时刻分隔,适用于有用信号呈现时刻与干扰信号呈现时刻有确认先后联系的情况;另一种是被迫时刻分隔,按照干扰信号与有用信号呈现的特征使其间某一信号敏捷封闭,然后到达时刻上不重合、不掩盖的操控要求。

④频谱管理

频谱的规划划分是把各频段划分给各种无线电业务,为特定用户拟定频段。拟定国家标准规范是避免干扰以及在某些情况下确保通信系统到达所需通信功能的基础。这包含无线电设备的核准程序,无线电发射机、接纳机和其他设备型号核准所要求的最低功能标准文件。

⑤电气阻隔

电气阻隔是避免电路中传导干扰的牢靠办法,一起还能使有用信号正常耦合传输。常见的电气阻隔耦合办法有机械耦合、电磁耦合、光电耦合等。DC/DC变换器是一种运用广泛的电器阻隔器材,它将一种直流电压变换成另一种直流电压,为了避免多个设备共用一个电源引起共电源内阻干扰,运用DC/DC变换器单独对各路供电,以保证电路不受电源中的信号干扰。

一、开关电源发生干扰的原因

开关电源首先将工频交流整流为直流,再逆变为高频,最终经过整流滤波电路输出,得到安稳的直流电压,因而自身含有大量的谐波干扰。一起,因为变压器的漏感和输出二极管的反向康复电流形成的尖峰,都构成了潜在的电磁干扰。开关电源中的干扰源首要会集在电压、电流变化大的元器材上,突出表现在开关管、二极管、高频变压器等上。

①开关电路发生的电磁干扰

开关电路是开关电源的首要干扰源之一。开关电路是开关电源的核心,首要由开关管和高频变压器组成。它发生的du/dt具有较大起伏的脉冲,频带较宽且谐波丰厚。这种脉冲干扰发生的首要原因是:开关管负载为高频变压器初级线圈,是理性负载。在开关管导通瞬间,初级线圈发生很大的涌流,并在初级线圈的两端呈现较高的浪涌尖峰电压;在开关管断开瞬间,因为初级线圈的漏磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻构成带有尖峰的衰减振动,叠加在关断电压上,构成关断电压尖峰。电源电压中止会发生与初级线圈接通时相同的磁化冲击电流瞬变,这种瞬变是一种传导型电磁干扰,既影响变压器初级,还会使传导干扰回来配电系统,形成电网谐波电磁干扰,然后影响其他设备的安全和经济运转。

②整流电路发生的电磁干扰

整流电路中,在输出整流二极管截止时有一个反向电流,它康复到零点的时刻与结电容等因素有关。其间,能将反向电流敏捷康复到零的二极管称为硬康复特性二极管,这种二极管在变压器漏感和其他散布参数的影响下将发生较强的高频干扰,其频率可达几十MHz。高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,因为PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时刻里,电流会反向活动,致使载流子消失的反向康复电流急剧削减而发生很大的电流变化(di/dt)。

③高频变压器

高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会发生较大的空间辐射,构成辐射干扰。假如电容滤波容量缺乏或高频特性不好,电容上的高频阻抗会使高频电流以差模办法传导到交流电源中构成传导干扰。需求留意的是,在二极管整流电路发生的电磁干扰中,整流二极管反向康复电流的di/dt远比续流二极管反向康复电流的di/dt大得多。作为电磁干扰源来研究,整流二极管反向康复电流构成的干扰强度大、频带宽。可是,整流二极管发生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时发生的电压跳变。因而,也可不计整流二极管发生的│dv/dt│影响,把整流电路当成电磁干扰耦合通道的一部分来研究。

④散布电容引起的干扰

开关电源作业在高频状况,因而其散布电容不可疏忽。一方面,散热片与开关管集电极间的绝缘片触摸面积较大,且绝缘片较薄,因而两者间的散布电容在高频时不能疏忽。高频电流会经过散布电容流到散热片上,再流到机壳地,发生共模干扰;另一方面,脉冲变压器的初次级之间存在着散布电容,可将原边电压直接耦合到副边上,在副边作直流输出的两条电源线上发生共模干扰。

⑤杂散参数影响耦合通道的特性

在传导干扰频段(《30MHz),大都开关电源干扰的耦合通道是能够用电路网络来描述的。可是,开关电源中的任何一个实践元器材,如电阻、电容、电感甚至开关管、二极管都包含有杂散参数,且研究的频带愈宽,等值电路的阶次愈高。因而,包含各元器材杂散参数和元器材间的耦合在内的开关电源的等效电路将杂乱得多。在高频时,杂散参数对耦合通道的特性影响很大,散布电容的存在成为电磁干扰的通道。另外,在开关管功率较大时,集电极一般都需加上散热片,散热片与开关管之间的散布电容在高频时不能疏忽,它能构成面向空间的辐射干扰和电源线传导的共模干扰。

二、开关电源电磁干扰的操控技术

要处理开关电源的电磁干扰问题,可从3个方面入手:1)减小干扰源发生的干扰信号;2)堵截干扰信号的传达途径;3)增强受干扰体的抗干扰才能。因而,开关电源电磁电磁干扰要操控技术首要有:电路办法、EMI滤波、元器材挑选、屏蔽和印制电路板抗干扰规划等。

①削减开关电源自身的干扰

●软开关技术:在原有的硬开关电路中增加电感和电容元件,运用电感和电容的谐振,下降开关过程中的du/dt和di/dt,使开关器材开通时电压的下降先于电流的上升,或关断时电流的下降先于电压的上升,来消除电压和电流的重叠。

●开关频率调制技术:经过调制开关频率fc,把会集在fc及其谐波2fc、3fc…上的能量涣散到它们周围的频带上,以下降各个频点上的EMI幅值。该办法不能下降干扰总量,但能量被涣散到频点的基带上,然后使各个频点都不超过EMI规则的限值。为了到达下降噪声频谱峰值的意图,通常有两种处理办法:随机频率法和调制频率法。

●共模干扰的有源按捺技术:设法从主回路中取出一个与导致电磁干扰的首要开关电压波形彻底反相的补偿EMI噪声电压,并用它去平衡原开关电压。

●减小电磁干扰的缓冲电路:其由线性阻抗安稳网络组成,效果是消除在供电电力线内潜在的干扰,包含电力线干扰、电快速瞬变,电涌,电压凹凸变化和电力线谐波等。这些干扰对一般稳压电源来说,影响不是很大,但对高频开关电源的影响显著。

●滤波:EMI滤波器的首要意图之一,便是要在150kHz~30MHz的频段范围获得较高的插入损耗,但对频率为50Hz工频信号不发生衰减,使额外电压、电流顺畅经过,一起还有必要满意必定的尺度要求。任何电源线上的传导干扰信号,均可用差模和共模信号来表示。在一般情况下,差模干扰起伏小,频率低,所形成的干扰较小;共模干扰起伏大,频率高,还能够经过导线发生辐射,所形成的干扰较大。因而,欲削弱传导干扰,把EMI信号操控在有关EMC标准规则的极限电平以下,最有用的办法便是在开关电源输入和输出电路中加装电磁干扰滤波器。

●PCB规划:PCB抗干扰规划首要包含PCB布局、布线及接地,其意图是减小PCB的电磁辐射和PCB上电路之间的串扰。开关电源布局的最佳办法与其电气规划相似。在确认PCB的尺度形状后,再确认特别元器材(如各种发生器、晶振等)的位置。最终,根据电路的功能单元,对电路的悉数元器材进行布局。

●元器材的挑选:挑选不易发生噪声、不易传导和辐射噪声的元器材。通常特别值得留意的是,二极管和变压器等绕组类元器材的选用。反向康复电流小、康复时刻短的快速康复二极管是开关电源高频整流部分的抱负器材。

②堵截干扰信号的传达途径—共模、差模电源线滤波器规划

电源线干扰能够运用电源线滤波器滤除。一个合理有用的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模和共模干扰都有较强的按捺效果。



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