(电源技术)高频开关电源的干扰及抑制.doc

网络教育学院电源技术课 程 设 计 题 目： 高频开关电源的干扰及抑制 学习中心： 辽宁东港奥鹏 层 次： 高中起点专科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2010年 春 季 学 号： 学 生： 金明宇 辅导教师： 武东锟 完成日期： 2012年 2 月 12 日 内容摘要本文针对高频开关的电磁兼容 ，从传导和辐射两个方面着重分析了开关电源产生电磁干扰的原因，研究通过减少干扰源产生的干扰信号、切断干扰信号的传播途径，增强敏感设备的抗干扰能力三个方面来抑制产生的电磁干扰，提出了提高高频开关电源电磁兼容性的具体措施。关键词：高频开关电源；电磁干扰；抑制方法引言高频开关电源因具有体积小、重量轻、高效能等特点被广泛应用于电气电子系统中。但是，由于开关电源工作频率在几十千赫兹到数兆赫兹，会产生很高的电压、电流变化率（即高du/dt和di/dt），导致开关电源产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI信号具有很宽的频率范围，不仅对电网造成污染，直接影响其他用电设备的正常工作，而且辐射的电磁波对空间造成电磁污染。目前，抑制开关电源的EMI，使开关电源符合EMC标准已成为开关电源设计者越来越关注的问题。本文论述了开关电源电磁干扰问题，并提出了几种EMI抑制方法。1高频开关电源的工作原理开关电源本身是一个很大的噪声源（即干扰源），在它不断地向高频化、小型化发展的过程中，其噪声影响也在增大。近年来，电子设备的EMI抑制已成为人们关注的焦点，开关电源是市场上一种颇受欢迎的电源。在电子产品的研发过程中，开关电源往往被直接利用作为整个电子系统的一部分，然而，由于这种电源高频率的开关动作，将产生大量的传导性电磁干扰。整个问题在产品设计阶段如果处理不好，将对开关电源乃至整个电子系统造成不利影响。高频开关电源因具有体积小、重量轻、高效能等特点被广泛应用于电气电子系统中。但是，由于开关电源工作频率在几十千赫兹到数兆赫兹，会产生很高的电压、电流变化率（即高du/dt和di/dt），导致开关电源产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI信号很宽的频率范围，不仅对电网造成污染，直接影响其他用电设备的正常工作，而且辐射的电磁波对空间造成电磁污染。目前，抑制开关电源的电磁干扰，使开关电源符合EMC标准已成为开关电源设计者越来越关注的问题。高频开关电源的基本原理框图如图1所示。交流电源经过一次整流滤波后变成脉动直流电，然后送到DC/DC变换器（变换器由高频变压器和二次整流滤波器组成），再通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，将直流加到高频变压器初级上；高频变压器次级感应出高频电压，经整流滤波后输出供给负载；输出部分经过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比以达到稳定输出的目的。高频开关电源一般采用桥式功率转换电路。工作时通过开关管导通来产生高频脉冲波，然后通过高频变压器转换为所需的直流电压。考虑到目前大量应用的高频开关电源都是采取AC/DC-DC/DC级联的形式，因此图二所示高频开关电源结构具有较强的代表性，开关管多采用MOS-FET或ICBT。2高频开关电源的电磁干扰分析作为一种有害的电磁效应，EMI的发生需要具备三个条件：第一，要有发出电磁干扰的设备；第二，要有接收电磁干扰的设备；第三，电磁干扰要有传播的途径。这就构成了电磁干扰的三要素：干扰源、敏感体和干扰耦合途径。高频开关电源的EMI特点:1、 作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很大，产生的干扰强度大；2、 干扰源主要集中在功率开关器件及与之相连的散热器和高频变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；3、 开关频率不高(从几千赫兹到数兆赫兹)，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰；4、 印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有更大的随意性，这增加了PCB分部参数的提取和近场干扰预估的难度。印刷电路板布线不当也是引起电磁干扰的主要原因；5、 与信号处理电路中显露阻抗匹配的情形不同，开关电源的干扰源阻抗与网侧阻抗不但不匹配，而且随阻抗变化的，这给EMI滤波器的舍弃带来了一定困难。同时EMI滤波器中的L、C元件必须承受很大的无功功率，不但降低了电源的整体效率，也增大了体积。电磁干扰有两种传输方式。传导传输是在干扰源和敏感设备之间有完整的电路连接，干扰信号沿着连接电路传递到接收器而发生电磁干扰现象。辐射传播是干扰信号通过介质以电磁波的形式向外传播的干扰形式。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收，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）两根平行导线之间的高频信号相互感应而形成的耦合，称为线对线的感应耦合。高频开关电源产生电磁干扰的最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高du/dt，他们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。整流电容充电放电、开关管和输出整流二极管的电压、电流在高频工作时的快速切换都是这类电源干扰源，他们通过电源线以共模或差模方式向外传输，同时还向周围空间辐射电磁能量。下面从干扰源的角度来分析开关电源所产生的干扰：2.1一次整流回路产生的电磁干扰 高频开关电源的输入普遍采用桥式整流、电容滤波性整流电路。在这样的一次整流贿赂重，由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，整流二极管只有在交流输入电压大于滤波电容充电电压时才能导通，输入电流脉冲大于平均电流的5到10倍以上，成为一个时间很短、峰值很高的周期性畸变电流，该电流脉冲含有高次谐波分量，如不加抑制则会对电网产生严重的谐波污染。2.2开关管工作时产生的电磁干扰 由于高频开关电源的开关管工作频率很高，开关管的电压、电流切换速度很快，其传导干扰和辐射干扰也非常强。开关电源工作过程中，由初级滤波大电容、高频变压器初级线圈和开关管构成了一个高频电流环路，该环路包含有典型的梯形电流波形，因而具有高频谐波分量（典型的数值在数兆赫兹范围），这会产生较大的辐射干扰。如果一次整流回路的滤波不足，则高频电流还会以差模方式传导到交流电网中去。另一方面，当原来导通的开关管关断时，由于电流突变，变压器绕组漏感所产生的反电动势U=-Ldi/dt会叠加在关断电压上，因而会在变压器初级线圈的两端出现较高的尖峰电压和浪涌电流，其所含有的高次谐波会反馈到电网形成谐波干扰，同时这些谐波还将以辐射方式干扰其他设备的工作。2.3二次整流回路产生的电磁干扰 高频开关电源在工作过程中，二次整流回路重的整流二极管也处于高频通断状态。脉冲变压器次级线圈、整流二极管和滤波电容构成的高频开关电流环路所含的高频谐波分量会产生较大的辐射干扰。如果二次整流回路的滤波不足，则高频电流还会以差模方式混在输出直流电压上，影响负载电路的正常工作。另一方面，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通过，在其反向截止时由于PN结中有较多的载流子积累，在短时间内要让存储电荷消失就会产生反向电流浪涌，这样致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化（di/dt），因而形成了很强的高频衰减振荡。2.4分布电容引起的干扰 开关电源工作在高频状态，因而其分布电容不可忽略。一方面散热片与开关管集电极间的绝缘片接触面积较大，且绝缘片较薄，因而两者间的分布电容在高频时不能忽略。高频电流会通过分布电容流到散热片上，再流到机壳地，产生共模干扰；另一方面高频变压器的初次级之间存在着分布电容，会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产生共模干扰。由以上分析可知，作为工作于开关状态的能量转换装置高频开关，其电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大，干扰源主要集中在功率管开关期间以及与之相连的高频变压器上。3高频开关电源的电磁干扰抑制方法要抑制高频开关电源的电磁干扰，可从以下三个方面入手：1）减少干扰源产生的干扰信号；2）切断干扰信号的传播途径；3）增强敏感设备的抗干扰能力。因此，高频开关电源电磁干扰控制技术主要有：EMI滤波、电路措施、屏蔽和印制电路板抗干扰技术等。3.1滤波 EMI滤波器的主要目的是在150KHz30MHz的频段范围内获得较高的插入损耗，但对频率为50Hz工频信号不产生衰减，使交流电压、电流顺利通过。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，差模干扰幅度小，频率低，所造成的干扰较小；共模干扰幅度大，频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装电磁干扰滤波器（如图3所示），在其外部加装屏蔽机壳，防止对周围设备产生干扰。在电源输入端接上滤波器，可以有效抑制来自电网的噪声对电源本身的危害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。在电源输出端接输出滤波器，可以加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量，抑制差模噪声。3.2减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容 开关集电极和散热片之间的绝缘垫可以选用介电常数小的材料，并采用静电屏蔽法加以处理，即在绝缘垫中间夹一层铜箔作为静电屏蔽层，接在直流OV地上，这样将大大减少集电极和散热片之间的电场耦合。另一方面，为减少开关管的发射极与集电极间的耦合电容，可在开关管的发射极与集电极间加RC吸收回路，吸收变压器初级产生的浪涌电压。3.3屏蔽 屏蔽的目的是使产生的电磁干扰不向外部辐射。采用屏蔽的方法解决电磁干扰问题的优点是不影响电路的正常工作。屏蔽技术分为对产生电磁干扰部位的屏蔽和对受电磁干扰影响的元器件的屏蔽。在高频开关电源中，产生电磁干扰的元器件是指变压器、整流二极管、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，使电磁波产生衰减。对抗电磁干扰较弱的元器件，应采取相应的屏蔽措施。此外。为使电磁干扰不向外部辐射，可将开关电源整体屏蔽，使向外辐射的电磁波衰减。然而，屏蔽体的焊接处、电源线的输入输出端子等处，均易产生电磁泄漏，且不易散热，结构成本将大幅度增加。因此，采用整体屏蔽时应充分考虑这些因素。3.4印制电路板（PCB） 印制电路板的布局、布线及接地摇合理，以减小PCB板的电磁辐射和电路间的串扰。可采取以下措施：1）减小高频环路的面积，尽量缩短高频信号线。2）分别建立交流、直流和信号的接地通路。电源接地与信号接地摇相互隔离，减少地线间耦合；电源接地通路，尽可能直接接到阻抗最小的接地导体上。3）开关电源的输入输出线应尽量远离电路中的信号线，输出的直流电源线最好用双绞线。4总结针对高频开关的电磁兼容 ，从传到和辐射两个方面着重分析了开关电源产生电磁干扰的原因，研究通过减少干扰源产生的干扰信号、切断干扰信号的传播途径，增强敏感设备的抗干扰能力三个方面来抑制产生的电磁干扰，提出了提高高频开关电源电磁兼容性的具体措施。高频开关电源由于存在体积小、重量轻、高效、节能等优点已被广泛应用于各个领域，但高频开关电源固有的高频辐射和传导效应造成的电磁干扰对其使用的影响已成为人们关注的热点。本文在分析高频开关电源电磁