（环境科学专业论文）车载开关电源电磁干扰分析.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ll i n e a rr e g u l a t e dp o w e rs u p p l y s w i t c h i n gm o d ep o w e r s u p p l yh a st h ea d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e l i g h tw e i g h t l o wp o w e rc o n s u m p t i o n h i g h e f f i c i e n c y w i d ev o l t a g es t a b i l i z i n gr a n g ea n do t h e ra d v a n t a g e s n o w a d a y s i ti sw i d e l y u s e di nc o m m u n i c a t i o n c o n t r o ls y s t e m c o m p u t e ra n d p e r i p h e r a le q u i p m e n t h o u s e h o l d a p p l i a n c e sa n do t h e rf i e l d s h o w e v e r i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n b e c a u s et h es w i t c hp o w e r s u p p l yi n t e m a iu s u a l l ya d o p t sh i g hs p e e ds e m i c o n d u c t o rs w i t c h i n gd e v i c e w h e nt h e b a s i cr e c t i f i e rc u r r e n t sg e n e r a t e db yt h eh i g h e rh a r m o n i ca n dt r a n s f o r m e rt y p ep o w e r c o n v e r s i o nc i r c u i tg e n e r a t e sav o l t a g es p i k e sc a np r o d u c ev e r ys t r o n ge l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c es i g n a l s w h i c hi na n do fi t s e l fa n dt h es u r r o u n d i n ge l e c t r o n i ce q u i p m e n t n o r m a lw o r kc a u s e d g r e a t i n f l u e n c e t h e r e f o r e s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y f o r e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yp r o b l e mr e s e a r c hi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h i sp a p e rf r o mt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yp r o c e e dw i t h f o c u s e so nt h ea n a l y s i so ft h ec a u s e so f e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo fs w i t c h i n gp o w e r s u p p l y u s i n gh y p e r l y n xs o f t w a r es i m u l a t i o nf u n c t i o no ft h ei n t e r f e r e n c es i g n a li s a n a l y z e d w i t hs h e n p uc a nb u sa n df a s tc h a r g i n gs y s t e mi nt h ew o r ke n c o u n t e r e di n t h ep r o c e s so fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yp r o b l e m s r e f e rt ot h ea c t u a lt e s tr e s u l t s t h ep c bb o a r do ft h ec r o s s t a l ka n de l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ns i m u l a t i o n a n da c c o r d i n g t o t h es i m u l a t i o n r e s u l t s p u t s f o r w a r dt h ew h o l ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y i m p r o v e m e n tm e a s u r e s a tt h es a m et i m e d i s c u s s e di nd e t a i lh o wt h eu s eo ff i l t e r i n g s h i e l d i n g g r o u n d i n ga n do t h e rm e a n s t om a k ei t sp c bb o a r de l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t yi na c c o r d a n c ew i t ht h er e l e v a n tp r o v i s i o n sf o rt e s t i n g r e s e a r c ha n d i m p r o v e m e n to fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yo fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo fs w i t c h i n g p o w e rs u p p l y f u r t h e ri m p r o v et h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y s oa s t om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y k e yw o r d s s w i t c h i n gm o d ep o w e rs u p p l y e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y v e h i c u l a rc h a r g i n gs y s t e m 第一章绪论 1 1 1 开关电源应用背景 第一章绪论 1 1 开关电源发展概况 在当前的电源领域中 开关电源无可替代的占有举足轻重的地位 其得名是 因为电路中的电子元器件长期工作在开与关状态 在开关电源问世前的很长一段 时间里 工业生产中主要使用的是线性稳压电源 a p n 用调整管工作在线性放大 状态来实现稳压 损耗较大 整个电源发热很厉害 效率也较低 大体积的工频 变压器也使得电源的体积和重量非常庞大 为克服线性电源的缺点 开关电源应 运而生 它代表了稳压电源的发展方向 开关电源有以下几方面的优势i l j 开关电源的调整管工作在开关状态 变换效率高 有些甚至高达9 5 以上 开关电源采用的高频变压器的工作频率高 有的甚至达到1 m h z 所以变压器 的体积做的很小 同时高的工作频率也使电路中的滤波器及其磁性材料的体积减 小 从而整个电源的体积大大缩小 重量大为减轻 开关管的损耗小 从而也使得电源内部温升较低 周围元件不会因长期工作在 高温环境下而损坏 保证了电源的可靠性和稳定性 稳压范围宽 当开关电源输入的交流电在一个大范围内变化时 相对变动仅 在5 以下 输出电压基本稳定 这一特性使得开关电源非常适用于全球通用的电 子设备或是电网电压波动比较大的地区 比较完备的自动保护电路 保证了电子产品的安全性和可靠性 相对于传统的线性稳压电源 开关电源的以其功耗低 效率高 体积小 重 量轻 稳压范围宽等特点 广泛应用于计算机及其外围设备 通信 自动控制 家用电器等领域 特别是现代新型开关器件i g b t 等 在使用时大大提高了工作效 率并可进一步实现b u c k 全桥 b o o s t 全桥和半桥软开关d c d c 变换器 因此被广泛 应用于逆变器 u p s a c d c d c d c 开关稳压电源及功率集成电路中1 2 j 近几十年来 开关电源逐渐朝着集成化的方向发展 很多电源生产厂家都相 继开发出多款成熟的开关电源集成电路 这些集成电路都具有高集成度 高性价 比 最简外围电路的特点 为电子设备的电源部分的设计提供了极大的便利 3 目 前开关电源已经全面覆盖了电源领域 在工业 电子 通讯诸多领域中得到广泛 使用 但是 开关电源有极其突出的缺点 就是在工作时会产生较强的电磁干扰 2 车载开关电源电磁干扰分析 e m i e m i 信号频率范围宽 幅度较大 经传导和辐射会造成电磁环境污染 如 果处理不当 开关电源本身还会变成一个干扰源 对通信设备和电子仪器造成干 扰 4 1 随着电子产品的电磁兼容性 e m c 日益受到重视 抑制开关电源的e m i 标准 或规范 已成为电子产品设计者越来越关注的问题 5 1 1 1 2 开关电源e m c 发展概况 很多文献从传导e m i 的源 传播途径和门极驱动等方面入手 对电磁干扰频谱 的影响方面进行了分析研究 对比了在不同的开关频率 驱动电阻 输入电压 负载电流等参数下 差模 共模和总的传导干扰的变化 得出的结论是 差模干扰 主要由功率开关管产生的脉动电流引起 共模干扰主要由d v d t 与寄生电容引起 两者可以同时产生 当没有力i e m i 滤波器时 差模干扰在低频时占主要地位 而共 模干扰在高频时占主要地位 6 卜1 1 0 1 早在1 9 8 3 年 s e l l l l e i d e r 运用实验测试的方法 描述了开关电源交流测共模和 差模干扰的等效电路 1 9 8 6 年 m a r k j n a v e 分析了开关电源e m i 的产生机理 以及共模和差模干扰的传播途径 得出了各自的等效电路 l l j 1 9 8 9 年m a r k j n a v e 分析了开关电源中电压上升时间 占空比对共模干扰的影响 认为共模干扰与电 压上升时间 占空比无关 与直流电压幅值 开关管对地的寄生电容和开关频率 成正比关系 l 1 s g u t t o w s k i 等人对斩波电路从不同方面进行了研究l l 引 得出的结论是干扰频 谱随直流输入电压线性上升 随开关频率也线性上升 而驱动电阻对干扰频谱的 影响只在1 m h z 频率之后 在低于1 m h z 频率时干扰频谱基本不随驱动电阻变化 而负载电流对干扰频谱可以说基本上没有影响 法国g r e n o b t e 电技术实验室 以下简称l e g 的t e u l i n g s c h n a e n 和r o u d e t 基于 m o s f e t 陶成的4 0 0 w 开关频率为1 0 0 k h z 的斩波电路实验模型的研究表明 共模 噪声与d v d t 相关 差模噪声与d d t 相关 二者可能同时产生 如在该模型中m o s f e t 关断时 电流被关断的同时电压呈现衰减振荡 因而 此时共模噪声和差模噪声 共存 通常低频时差模干扰占主导地位 高频时共模干扰处于主导地位 l4 1 9 9 3 年 s c h c i c hr 考虑了器件的寄生参数 研究了一个b u c k 电路的共模干扰 他把共模干扰用一个近似等效电路描述 电路的激励源采用b u c k 电路开关管的端 电压代替 分别对激励电压源和共模电流与电压源之比的传递函数进行了傅立叶 分析 得出了共模干扰频谱 同时与实测结果进行比较 共模干扰频谱在 1 0 k i i z i o m h z 之间有5 1 0 d b 的差别 在1 0 m h z l o o m h z 之间有2 0 d b 的误差 1 9 9 5 年 s c h c i c hr 分析并预测了一套s c r 整流系统的差模传导干扰 1 5 认为 差模干扰的产生主要基于两个因素 一是由电源线路电感所引起的换流重叠现象 第一章绪论 3 二是半导体开关特性决定其电流特征的物理特性 同时s c r 整流系统中晶闸管的恢 复现象可能产生两个结果 一是换向重叠时间 二是在晶闸管上附加了指数衰减 的电流 根据其换流特征 得出了换流器件两个状态的等效电路 从时域和频域 对该等效电路进行分析 频率范围在1 k h z 2 5 0 k h z 实测干扰与计算得出的干扰 频谱差别为5 1 0 d b 同时实测出晶闸管恢复现象可使传导干扰频谱增 j i 4 5 d b 西门子公司的k f r a n k 等人研究了5 1 0 k v a 的i g b t 变换器在不同工作电压 工作电流 模块封装 门电路 温度 接地状况以及附加元件情况下的共模与差 模传导干扰1 1 6 在采用不同厂家 但额定值相同 的功率开关管时干扰频谱大致相同 不同的只是在3 m h z 频率以上 这是因为不同厂家的功率开关管的电压 电流的上 升 下降时间不一致 另外 散热器接安全地与否对于扰频谱有重大的影响 由 此得出干扰频谱与开关管对地的寄生电容有直接关系的结论 浙江大学的袁义牛 钱照明提出适合于e m l 分析的m o s f e t 和二极管的高频模 型 建立差模干扰和共模干扰的精确的时域电路模型 为e m i 干扰的定性和定量分 析提供了理论基础1 1 7 1 海军工程大学的孟进 马伟明等在共模干扰和差模干扰的基础上提出了混合 干扰模式 通过建立干扰集总等效模型精确的描述了开关电源变换器的电磁干扰 特性 提出了开关电源变换器传导干扰分析及建模方法i l 引 清华大学的和军平 姜建国在分析开关电源各个器件作用的基础上 得出了 反映典型电磁干扰发射时 传导干扰发射量 干扰源和干扰传播通道关系的线性 化方程 进而提出了测量典型传导干扰耦合通道特性的新方法 并进行了验证i l 圳 1 1 3 当前开关电源e m i 面临的主要问题 开关电源因工作在高电压 大电流的开关状态下 电磁兼容性问题相当突出 从整机的电磁性能方面 主要有共阻抗耦合 线间耦合 电场耦合 磁场耦合及 电磁场耦合几种 见表1 1 表1 1 开关电源电磁干扰耦合方式 共阻耦合干扰源与受干扰体在电气上存在的共同阻抗 通过该阻抗使干扰 信号进入受干扰体 线间耦合产生干扰电压及干扰电流的导线因并行布线而产生的相互耦合 电场耦合由于电位差的存在 产生的感应电场对受干扰体产生的场耦合 磁场耦合电源线上的脉冲大电流 产生的低频磁场产生的耦合 电磁场耦合由于脉动的电压或电流产生的高频电磁波通过空间向外辐射而产 生的耦合 在开关电源中 开关电压及电流均接近方波 高次谐波丰富 加之变压器的 漏电感及分布电容的存在 会产生高频 高压的尖峰高次谐波振荡 另外用于整 流及续流的开关二极管 也是产生高频干扰的另一个重要原因 抑制干扰的几种 4 车载开关电源电磁干扰分析 措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道 常用的方法有滤 波 屏蔽和接地 e m i 滤波技术是一种抑制尖脉冲干扰的有效措施 可以滤除多 种原因产生的传导干扰 一直是很多学者的研究对象 开关电源一般利用储能电 感及电容器组成l c 滤波电路 实现对差模及共摸干扰信号的滤波 由于电感线 圈的分布电容 导致了电感线圈的自谐振频率降低 从而使大量的高频干扰信号 穿过电感线圈 沿交流电源线或直流输出线向外传播 2 0 l 滤波电容器随着干扰信 号频率的上升 引线电感的作用导致电容量及滤波效果不断下降 e m i 滤波器的 滤波性能不仅取决于滤波器本身 而且取决于噪声源与负载阻抗的匹配情况 通 常情况下 滤波器的衰减器曲线是在5 0q 系统内测得的 因而当用于实际电路时 其滤波效果可能远小于过给出的衰减曲线 对于屏蔽和接地技术来说 虽说技术 相对成熟 但对于在开关电源内部采用此技术 也是值得研究的技术 如果措施 不当 非但起不到作用 反而会使干扰复杂化 1 2 本文的工作 本文在充分参考国内外开关电源电磁干扰抑制研究成果的基础上 结合实际 工程应用 分析讨论了能够实现抑制其干扰的屏蔽 接地 滤波等措施 并通过 某型号车载充电系统的实际测量和电路仿真 分析了抑制开关电源电磁干扰的有 效方法 并利用已有手段加以改进 提升其抗干扰能力 最终使开关电源能够得 以顺利通过电磁兼容的认证测试 1 通过对开关电源工作原理的讨论 分析得出其电磁干扰的产生机理 2 分析了开关电源中元器件的高频模型和实际电路构成中的分布参数 为后续 的仿真打下基础 3 对某型号车载充电系统电路行了研究分析 并利用h y p e r l y n x 仿真软件对其主 要网络的电性能进行了改进型分析 4 结合仿真分析结果 对某型号车载充电系统开关电源的e m c 问题的整体解 决提出建设性方案 第二章开关电源工作原理和干扰分析 5 第二章开关电源工作原理和干扰分析 2 1 开关电源e m i 研究现状 2 1 1 开关电源e m i 研究现状 作为一门综合性的学科 开关电源e m i 涉及的学科也非常广泛 包括器件物 理 电路理论 电磁场理论 测试技术等 目前所研究的问题主要包括以下几个 方面 1 e m i 测试技术 传导e m i 在研究时被分为差模和共模两种模式 但在测量时 仪器按照相应 e m i 测试标准测得到的干扰电平是两者之和 因此 在分析时 需要将其分开 常见的 诊断差模 共模干扰的三种办法分别是射频电流探头 差模抑制网络 噪声分离网络 射频电流探头最为简单但测量结果要经过较复杂的换算才能与标 准限时相比较 差模抑制网络结构简单 结果直接 但只能用于测量共模干扰 综合来看 噪声分离网络最为理想 但其关键部件变压器的制作要求很高1 2 1 1 1 2 4 1 2 无源器件 p c b 寄生参数的抽取和高频建模 在高频范围内 电阻 电容 电感都不再单纯的具有原先特性 由于寄生特性 的影响 它们的高频特性发生了很大变化 在各种无源器件中 电阻器 电感器 和电容器的高频等效寄生参数可用高频阻抗分析仪测得1 2 5 1 如何在仿真设置中将 这些高频特性表现出来 对变压器的高频建模非常重要 尤其反映在共模e m i 电 平的高低水平 在实例研究中 最大限度的还原其客观特性 对于研究结果有关 键性的影响 图2 1 为电阻 电感 电容的高频模型 e s r re s l l e s re s lc v 厂旷圹圹l 一卜 图2 1 电阻 电感 电容的高频模型 6 车载开关电源电磁干扰分析 3 高频电源e m i 的机理和建模 开关电源e m i 的产生机理与其仿真分析模型的建立密不可分 开关电源中的 e m i 按照其成分的来源可以划分为 部分来自于电路原理图 部分来自于所选择购 买的元器件的寄生参数 部分来自于p c b 的布线 器件的安装 放置 方位 因此 对于开关电源e m i 机理的研究及建模综合考虑上述因素 4 开关电源e m i 抑制技术 此内容将在第三章详细讨论 5 印刷线路板布线的e m c 设计 一般来说 在p c b 设计中 e m l 分析是一个薄弱环节 实际中 p c b 板的元 器件布局布线对开关电源的e m c 性能有极大的影响 通常来说 通过合理的优化 器件布局和布线设计就能使得原p c b 板的e m c 性能得到明显改善 这就省却了 通过添加多余器件或更改原先的电路设计结果引起的麻烦 许多文献都曾对一些常规的p c b 布线规则有过分析 例如 将高频电流环路 包围的面积和导体的面积减小 借以实现降低电源系统的e m i 电平的目的 高频电 流环路只由功率半导体器件构成 b o o s t 电路的高频电流环路是由功率m o s f e t 二极管器件和输出滤波电容所共同构成的回路 尽管存在一些己知的简单布线规则 但由于有效分析电磁干扰手段的缺乏 人们在进行开关电源p c b 布线阶段往往是采用尝试性的设计方法 一旦产品不能 通过e m c 标准 可能就要重新设计p c b 线路板 这个方法不但非常耗时而且提 高了设计成本 为此人们十分关注印刷线路板的元器件布置和布线的计算机辅助 设计 要实现p c b 的元件布置和布线的计算机辅助设计 一种方法是以开关电源 的e m i 建模仿真为基础 首先建立传导e m i 模型 然后用仿真软件预估可能会出 现的干扰水平 若干扰水平超过规定限值就修改设计1 2 6 1 这样的基本设计思想实 际上是将原先尝试性的实际方法从硬件平台移植到了软件平台上 但是在目前的 建模技术仍不够准确的情况下这种方法是不现实的而且在具体操作中会出现诸多 问题 2 2 开关电源工作原理 2 2 1 开关电源的构成 一般说来 高频开关电源的构成如图2 2 所示 第二章开关电源工作原理和干扰分析 7 图2 2 开关电源构成示意图 1 主电路 从交流电网输入 直流输出的全过程 包括 输入滤波器 其作用是将电网存在的杂波过滤 同时也阻碍本机产生的杂波反 馈到公共电网 整流与滤波 将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电 以供下一级变换 逆变 将整流后的直流电变为高频交流电 这是高频开关电源的核心部分 频 率越高 体积 重量与输出功率之比越小 输出整流与滤波 根据负载需要 提供稳定可靠的直流电源 在主电路中 d c d c 变换器是开关电源的核心部分 主要进行功率转换 误 差放大器比较输出电压与基准电压 并将比较的误差电压经过放大及脉冲调制电 路后 经驱动电路控制功率器件的占空比 进而达到调整输出电压目的 2 0 2 控制电路 一方面从输出端取样 经与设定标准进行比较 然后去控制逆变器 改变其 频率或脉宽 达到输出稳定 另一方面 根据测试电路提供的数据 经保护电路 鉴别 提供控制电路对整机进行各种保护措施 3 检测电路 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外 还提供各种显示仪表数据 4 辅助电源 提供所有单一电路的不同要求电源 2 2 2 开关电源的稳压原理 开关电源的稳压原理如图2 3 所示 8 车载开关电源电磁干扰分析 图2 3 开关电源稳压原理示意图 开关s 以一定的时间间隔重复地接通和断开 在开关s 接通时 输入电源u i 通过开关s 和滤波电路提供给负载r l 在整个开关接通期间 电源u i 通过电感l 向负载提供能量 当开关s 断开时 输入电源u i 便中断了能量的提供 可见 输入 电源向负载提供能量是断续的 为使负载能得到连续的能量提供 开关稳压电源 必须要有一套储能装置 在开关接通时将一部份能量储存起来 在开关断开时 向负载释放 图中 由电感l 电容c 2 和二极管v d 组成的电路 就具有这种功能 电感l 用以储存能量 在开关断开时 储存在电感l 中的能量通过二极管d 释放 给负载 使负载得到连续而稳定的能量 因二极管d 使负载电流连续不断 所以 称为续流二极管 在a b 间的电压平均值e a b 可用下式表示 邑占 乙 丁 2 一1 式中t o 为开关每次接通的时间 t 为开关通断的工作周期 即开关接通时间几 和关断时间t o n 和管关断时间t o 仟之和 t o 厂t 为占空比 由式2 1 可知 改变开关接通时间和工作周期的比例 a b 间电压的平均值也 随之改变 因此 随着负载及输入电源电压的变化自动调整t o 和t 的比例便能使 输出电压v o 维持不变 改变接通时间t o 和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比 这种方法称为 时间比率控制 2 2 3 开关电源的调制方式 按照时间比率控制原理 开关电源的调制方式分为三种 脉冲宽度调制方式 脉冲频率调制方式和混合调制方式 1 脉冲宽度调制 p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m 脉冲宽度调制方式指开关周期恒定 通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式 此方法的优点是由于脉冲周期恒定 滤波电路的设计比较容易实现 但缺点是受 最小未导通时间的限制 电源输出端需接假负载 2 脉冲频率调制 p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n p f m 脉冲频率调制方式是指导通脉冲的宽度恒定 通过改变开关工作频率来改变 占空比的方式 优点是由于t 0 n t 可以在很宽的范围内变化 输出电压可调范围较 第二章开关电源工作原理和干扰分析 9 p w m 方式大 且只需极小的假负载 缺点是电路工作的频率带宽较大 需要的滤 波器体积较大 3 混合调制 h y b r i dm o d u l a t i o n 混合调制方式是指导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定 彼此都能改变的 方式 它是上两种方式的混合 导通时间t o n 和周期t 相对地发生变化 在频率 变化不大的情况下 可以得到非常大的可调范围的输出电压 在实际的应用中 脉冲宽度调制 p w m 方式应用得较多 在目前开发和使 用的开关电源集成电路中 绝大多数也为脉宽调制型 2 3 开关电源干扰产生机理 2 3 1 开关电源干扰产生机理 开关电源是工作于高频开关状态的能量转换装置 其工作过程中主要是由于 开关晶体管 高频变压器1 2 2 j 和输出整流回路工作时产生l 拘d u d t 和d i d t 变化率很 高及幅度很大的电压和电流脉冲形成了具有较宽的频谱和非常丰富的谐波成分 从而产生比较大的传导干扰信号 整流电容充电放电 功率开关器件 输出整流 二极管以及与之相连的散热器和高频变压器等在高频工作时的快速切换都是这类 电磁干扰源 它们通过电源线以共模或差模方式向外传导 同时还向周围空间辐 射电磁能量 图2 4 为开关电源共模和差模干扰示意图 i d m 为共模电流 i c m 为差模 电流 2 8 2 9 l g n 图2 4 开关电源共模和差模干扰示意图 开关电源中的差模干扰主要是由回路中开关动作产生 其大小与直流侧滤波 电容的寄生阻抗有很大的关系 滤波电容的寄生阻抗与导线上的电感 电容器件 本身的寄生电感有关 在开关电源中 由于开关器件和整流器件都会产生热 为 散热要加装散热器底板 底板一般再与地相连 这就会在这些器件和底板间产生 寄生电容 另外 在变压器的原边和次边也会产生寄生电容 当矩形波电压作用 于功率器件时 开关电源的输出端会产生共模干扰 它的大小与输入电压幅值和 寄生电容及导线寄生电感有关 共模干扰与位移电流相关 其大小与电路中的杂 1 0 车载开关电源电磁干扰分析 散参数有关 故共模干扰在很大程度上受电源中各组件的大小 形状和位置的影 响 2 6 2 7 2 引 由于开关电源的功率管工作于非线性条件下 大部分采用p w m 的开关控制方 式 加上开关频率的不断提高 使e m i 问题越来越严重 开关电源的干扰主要以 传导干扰为主 其频率在1 0 k h z 到3 0 m h z 之间 差模干扰在两根电源线之间形成 回路 是由于电路半导体组件开关动作而引起 主要涉及的电路组件是输入电路 电解电容的寄生参数 该寄生参数引起的干扰源是变换器脉动电流 可以通过输 入滤波器来削弱 但由于滤波器中使用的电容器一般为电解电容有很大的等效串 联电感 e s l 和等效串联电阻 e s r 因此造成滤波器的性能下降 2 3 2 开关电源的干扰源分析 开关电源的开关器件现在用得较多的是m o s f e t 和g i b t 他们在关断时都会 产生比较大的电压 电流变化率 开关电源中的开关器件在其关断时 电压 电流 的变化率都很大 会造成很大的干扰 为了抑制开关电源的干扰 首先必须了解 干扰源所产生的噪声信号的频谱特性 其次 是研究信号的上升 下降时间对其频 谱特性的影响 具体开关电源线路简图如图2 5 所示 教热片 图2 5 开关电源线路简图 功率开关管 功率开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电 容 当开关管导通和关断时 一般会形成矩形波 该波形含有丰富的高频成份 由于元器件本身的原因 如开关管的存储时间 输入输出电容 开关整流二极管 的反向恢复时问等 这样会造成很大的尖峰电流 这种电流流经变压器和电感产 生的电磁场都可能形成噪声源 严重时 可以击穿开关管 高频变压器 当原来导通的开关管关断时 高频变压器的漏感所产生的反电 第二章开关电源工作原理和干扰分析 l l 动势e l d i d t 其值与集电极的电流变化率成正比 与漏感成正比 迭加在关 断电压上 形成关断电压尖峰 从而形成传导干扰 它既影响其它设备的安全和 经济运行 也影响自身的工作 开关电源中的变压器作用是 隔离与储能 在高 频的情况下 其隔离是不完全的 变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪 声很容易在初次级之间传递 变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路 而 使变压器周围产生的电磁场更容易在其它引线上耦合形成噪声 整流二极管 在输出整流二极管截止时有一个反向电流 它恢复到零点的时 间与结电容等因素有关 其中能将反向电流恢复到零点的二极管称为硬恢复二极 管 它会在变压器漏感和其它分布参数的影响下产生较强的高频干扰 其频率可 达几十兆赫 p n 型硅二极管用作高频整流时 正向电流蓄积的电荷在加反向电压 时不能立即消除 只要这个反向电流恢复时的电流斜率过大 流过变压器线圈的 电感就产生了尖峰电压 电容 电感器和导线 开关电源由于工作在较高频率 会使低频元器件特性 发生变化 由此产生噪声1 2 引 通过对开关电源电磁干扰机理的分析可以看出 抑制其电磁干扰 就是要尽 可能地减少干扰源的d u d t 和d i d t 其中 减少d u d t 主要是通过在干扰源的两端 并联电容实现 减少d i d t 则是在干扰源回路并联电感或电阻以及增加续流二极管 来实现 实际中 解决传导耦合常采用屏蔽或滤波的方法 解决公共阻抗耦合一般采取 多点接地的方法 解决感应耦合多采用屏蔽 改变导线方向性和接地方法 解决辐 射耦合也多采用接地方法把辐射耦合过来的能量屏蔽掉解 2 3 3 开关电源干扰源谐波分析 根据上面的分析我们不难了解到 开关电源中的开关管 高频变压器 开关 电路等在正常工作时都会产生较大的电压和脉冲 这些信号中有许多的谐波分量 为了有效的对开关电源的电磁干扰实施抑制 我们有必要分析一下这些谐波的产 生 开关电源中有着众多的非线性器件 当一个正弦信号通过时 由于非线性线 路的影响 信号会发生畸变 除基波分量外还包含了大量的谐波分量 假设有一个输入电压u t c o s w t 用f f u 来表示其伏安特性 将其用幂级 数的形式来表示并将上式代入可得 i o o 口l 砺c o s 研 口2 以c o s 2 研 口3 以c o s 3a t a 4 叱c o s 4c o t 2 2 根据三角公式 c o s 2c o t 1 c o s 2 t a t 2 c o s 3c o t 3 c o s 国t c o s 3 0 j t 4 1 2 车载开关电源电磁干扰分析 c o s 4c o t 3 2 2 c o s 2 c o t 1 2 c o s 4 r a t 4 将此三式代入式 2 2 整理可得 f a o a 2 以 2 3 a 4 u 8 q 3 a 3 u 3 4 c o s c a t a o 4c o s o t 4c o s 2 e a t 4c o s m o t 2 3 式中 4 a o u 三 2 3 a 4 u 4 8 4 a l u m 3 q 以 4 4 口2 以 2 口4 以 2 4 0 3 叱 4 由式 2 3 可以看出 当信号通过非线性器件后 除了原有的信号分量外 还包括直流分量 2 倍频 3 倍频及更高频次的分量 对应于2 次谐波 3 次谐波 和高次谐波 公式很好地说明了谐波分量的产生 一般来说 对于满足狄里赫利条件周期为t 2 n 国的非正弦电压u t 可 将其分解为傅里叶级数如下 u m t a o c o sm o t b s i nn e a t 2 4 n l 式中 口o 去r 4 u m t d c o t 昙r u w t c s 刀c o t d m t 屯 昙r 蛔 s i n n a t d c o t 对此傅里叶级数进行观察 n l 时 对应于基波的频率分量 n l 时 对应于 各谐波分量 公式 2 4 从数学角度很好的说明了开关电源线路中谐波的产生 为我们进 一步实现其干扰抑制打下了良好的基础 第三章开关电源电磁干扰 l p 1 j 措施 从电磁兼容的三要素讲 要解决开关电源的电磁干扰问题 可以从三方面入 手 首先 减小干扰源产生的干扰信号 其次 切断干扰信号的传播途径 第三 增强受干扰体的抗干扰能力 为此 抑制开关电源电磁干扰采取的主要方法有 屏蔽 滤波 接地 电路 措施 元器件选择 印制电路板抗干扰设计等 开关电源产生的对外干扰 如电 源线谐波电流 电源线传导干扰 电磁场辐射干扰等 可以用减小干扰源的方法 第三章开关电源电磁干扰抑制措施 1 3 来解决 一方面 可以增强输入和输出端口滤波电路的设计 改善开关电源的有 源功率因数校正电路的性能 减小开关管和整流续流二极管的电压 电流变化率 通过采用各种软开关电路拓扑及控制方式等来减小开关电源本身对外部的干扰 另一方面 加强屏蔽效果 改善机壳的缝隙泄漏 并进行良好的接地处理 防止 泄漏磁通对外部设备的影响 对于开关电源外部的抗干扰能力 如浪涌 雷击 首 先 应优化交流输入及直流输出端口的防雷能力 通常对1 2 5 0 u s 开路电压及8 2 0 u s 短路电流的组合雷击波形 因能量较小 可采用氧化锌压敏电阻与气体放电 管等的组合方法来解决 其次 对于静电放电 通常在通信端口及控制端口的小 信号电路中 采用t v s 管及相应的接地保护 加大小信号电路与机壳等的电距离来 解决 也可以选用具有抗静电干扰的器件来加强外部抗干扰 另外 快速瞬变信 号含有很宽的频谱 很容易以共模的方式传入控制电路内部 可以采用与防静电 相同的方法来减小外部干扰 同时减小共模电感的分布电容 加强输入电路的共 模信号滤波 加共模电容或插入损耗型的铁氧体磁环等 也可以提高系统的抗干扰 性能 2 5 1 减小开关电源的内部干扰 实现其自身的电磁兼容性 提高开关电源的 稳定性及可靠性 3 1 屏蔽技术 屏蔽是电磁兼容工程中广泛采用的抑制电磁骚扰的有效方法之一 一般而言 凡是通过空间传输的电磁骚扰都可以采用屏蔽的方法来抑制 所谓屏蔽 s h i e l d i n g 就是用导电或导磁材料制成的金属屏蔽体 s h i e l d 将电磁骚扰源限制在一定的范 围内 使骚扰源从屏蔽体的一面耦合或辐射到另一面时受到抑制或衰减 屏蔽的目的是在采用屏蔽体包围电磁骚扰源 以抑制电磁骚扰源对其周围空 间存在的接受器的干扰 或采用屏蔽体包围接受器 以保护 避免骚扰源对其干 扰 采用这种方法的特点是不会影响原电路的正常工作 3 1 1 开关电源电磁辐射干扰特征 开关电源干扰频谱主要集中在3 0 m h z 以下 属于低阻抗场 其辐射干扰主要 是由电缆线的共模电流和差模电流产生 开关电源初级侧的开关晶体管漏极或集 电极工作电压一般可达3 0 0 v 或更高 而且由于带有散热器 表面积较大 对开关 电源的控制回路的工作可以形成强烈干扰 如图3 1 所示 图示中q 为大功率开关 管 可看成是差模电压源u d m 共模电流i c m 的途径是由q 通过开关管和散热片之 间的分布电容c d 到达散热片 它作为共模天线的一个极 以空间位移电流的形式 通过分布电容c a 到达外部接线 外部接线是天线的另一个极 共模电流再由印制 板地回到q 其产生的共模电流计算公式为 2 3 k j 一 一c a 1 4 车载开关电源电磁干扰分析 绝缘 散热片 p c b 地 图3 1 共模辐射示意图 3 1 对于开关电源来说 做好机壳 开关管 整流二极管 高频变压器的屏蔽是 工程中经常采用的方法 3 1 2 开关电源主要屏蔽措施 1 机壳屏蔽 机壳屏蔽是抑制辐射电磁干扰最基本和有效的手段 对机壳的屏蔽不仅取决 于制作的材料 而更重要的是取决于机壳的设计结构 在开关电源的机壳结构中 装配面的缝隙 进出孔是最主要的泄漏结构 应考虑散热和通风问题 屏蔽外壳 上的通风孔最好为圆形多孔 在满足通风要求的条件下 孔的数量可以多 每个 孔的尺寸要尽可能小 接缝处要焊接 以保证电磁通路的连续性 如果采用螺钉 固定 注意螺钉之间的距离要短 在实际应用中 通常采用屏蔽效能来定量分析 和表示屏蔽效果 屏蔽效能是指不存在屏蔽体时某处的电场强度e 0 与存在屏蔽体时同一处的电 场强度e s 之比 常用分贝 d b 表示 即 7 s e e 2 0 1 9 l 詈i 3 2 或者不存在屏蔽体时某处的磁场强度岛写存在屏蔽体时同一处的磁场强度 凰之比 常用分贝 船 表示 即 玎 2 0 1 9 l 半i 3 3 力s 2 高频变压器屏蔽 对高频电源变压器进行电磁屏蔽 多数是将变压器整体地封闭在一个密封的 金属盒内 有时把驱动电路的部件也包括在内 采用这种屏蔽结构时 为防止在 高压绕组和金属盒内之间可能产生的飞弧 两者中间要留有足够大的空隙 第三章开关电源电磁干扰抑制措施 1 5 再一种屏蔽结构是将变压器整体地灌封在具有高介电常数的绝缘材料中 形 成一体化无间隙结构 这种灌注成整体结构的问题是 要使灌封达到无间隙 工 艺操作上有相当难度 由于以环氧树脂为代表的灌封材料的位移电荷在封装材料 表面形成高电位 将通过较低介电常数的空气向有足够电位差的表面形成飞弧 3 开关管和整流二极管的屏蔽 在开关电源中 功率开关管和输出二极管有较大功率损耗 会产生大量的热 为了实现良好散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上 并且 器件在 安装时为了更好地快速散热 需要用导热性能好的绝缘材料进行绝缘 这就使器 件与底板和散热器之间产生了分布电容 一般大小约有1 0 0 2 5 0 p f 开关电源底板 是交流电源地线 因而通过器件与底板之间分布电容将电磁干扰耦合到交流输入 端产生共模干扰 类似于变压器屏蔽 抑制此共模干扰同样是采用两层绝缘片之 间夹一层屏蔽片 并把屏蔽片接到机壳上 确保绝缘片接地良好 这样可分布电 容减小至大约l p f 有效切断射频干扰向输入电网传播途径 3 2 接地技术 接地原意指与真正的大地连接以提供雷击放电的通路 例如避雷针一端埋入 大地 后来成为为用电设备提供漏电保护 提供放电通路 的技术措施 现在接 地的含义已经延伸 按地 一般指为了使电路 设备或系统与 地 之间建立低 阻抗通路 而将电路 设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良 导体的技术行为 其中一点通常是系统的一个电气或电子元 组 件 而另一点则是 称之为 地 的参考点 例如当所说的系统组件是设备中的一个电路时 则参考 点就是设备的外壳或接地平面 通常电路 用电设备按其作用可分类为安全接地和信号接地 其中安全接地 又有设备安全接地 接零保护接地和防雷接地 信号接地又分类为单点接地 多 点接地 混合接地和悬浮接地 3 2 1 安全接地 安全接地包括设备安全接地和接零保护接地 主要目的是为了人 机安全 任何高压电气设备 电子设备的机壳 底座均需要安全接地 以避免高电压直接 接触设备外壳 或者避免由于设备内部绝缘损坏造成漏电打火使机壳带电 3 2 2 信号接地 信号接地是为设备 系统内部各种电路的信号电压提供一个零电位的公共参 1 6 车载开关电源电磁干扰分析 考点或面 对于电子设备 将其底座或者外壳接地 除了提供安全接地外 更重 要的是为了在电子设备内部提供一个作为电位基准的导体 以保证设备工作稳定 抑制电磁骚扰 这个导体称为接地面 设备的底座或者外壳往往采用接地导线连 接至大地 接地面的电位一旦出现不稳定 就会导致电子设备工作的不稳定 1 单点接地 共用地线串联一点接地 单点接地只有一个接地点 所有电路 设备的地线都必须连接到这一接地点 上 这一点作为电路 设备的零电位参考点 面 图3 2 公用地线串连一点接地示意图 图3 2 为一共用地线串联一点接地的示例 设图3 1 中 电路l 电路2 电 路3 注入地线 接地导线 的电流分别依次为1 1 1 2 1 3 r l 为a 点至接地点之 间的一段地线 a g 段 之电阻 a g 段地线是电路1 电路2 和电路3 的共用地 线 r 2 为b a 段的地线电阻 这一段地线是电路2 和电路3 的共用地线 r 3 为 c b 段的地线电阻 g 点为共用地线的接地点 则共用地线上a 点的电位 u 月2 厶 厶 厶 曷 3 4 共用地线上b 点的电位 u 口 u 一十 1 2 j 3 r 2 j l 1 2 1 3 r 1 2 1 3 r 2 3 5 共用地线上c 点的电位 u b 忆r 3 厶 厶蛾 厶 1 3 r 2 厶r 3 6 通常地线的直流电阻不为零 特别在高频情况下 地线的交流阻抗比其直流 电阻大 因此共用地线上么 曰 c 点的电位不为零 并且各点电位受到所有电路 注入地线电流的影响 从抑制干扰的角度考虑 这种接地方式是最不适用的 但 是这种接地方式的结构比较简单 各个电路的接地引线比较短 其电阻相对小 所以 这种接地方式常用于设备机柜中的接地 如果各个电路的接地电平差别不 大 也可以采用这种接地方式 反之 高电平电路会干扰低电平电路 第三章开关电源电磁干扰抑制措施 1 7 采用共用地线串联一点接地时必须注意 要把具有最低接地电平的电路放置 在最靠近接地点g 的地方 即图3 2 中的彳点 以便b 点和c 点的接地电位受其 影响最小 独立地线并联一点接地 图3 3 是独立地线并联一点接地的等效电路图 各个电路分别用一条地线连接 到接地点g