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[導讀] 0 引言開關(guān)電源作為電子設(shè)備的供電裝置,具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點,在數(shù)字電路中得到了廣泛的應(yīng)用,然而由于工作在高頻開關(guān)狀態(tài),屬于強干擾源,其本身產(chǎn)生的干擾

0 引言

開關(guān)電源作為電子設(shè)備的供電裝置,具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點,在數(shù)字電路中得到了廣泛的應(yīng)用,然而由于工作在高頻開關(guān)狀態(tài),屬于強干擾源,其本身產(chǎn)生的干擾直接危害著電子設(shè)備的正常工作。因此,抑制開關(guān)電源本身的電磁噪聲,同時提高其對電磁干擾的抗擾性,以保證電子設(shè)備能夠長期安全可靠地工作,是開發(fā)和設(shè)計開關(guān)電源的一個重要課題。

1 開關(guān)電源干擾的產(chǎn)生

開關(guān)電源的干擾一般分為兩大類:一是開關(guān)電源內(nèi)部元器件形成的干擾;二是由于外界因素影響而使開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾。兩者都涉及到人為因素和自然因素。

1.1 開關(guān)電源內(nèi)部干擾

開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI主要是由基本整流器產(chǎn)生的高次諧波電流干擾和功率變換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾。

1.1.1基本整流器

基本整流器的整流過程是產(chǎn)生EMI最常見的原因。這是因為工頻交流正弦波通過整流后不再是單一頻率的電流,而變成一直流分量和一系列頻率不同的諧波分量,諧波(特別是高次諧波)會沿著輸電線路產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾,使前端電流發(fā)生畸變,一方面使接在其前端電源線上的電流波形發(fā)生畸變,另一方面通過電源線產(chǎn)生射頻干擾。

1.1.2功率變換電路

功率變換電路是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心,它產(chǎn)帶較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要元器件為

1)開關(guān)管開關(guān)管及其散熱器與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容,當開關(guān)管流過大的脈沖電流(大體上是矩形波)時,該波形含有許多高頻成份;同時,關(guān)電源使用的器件參數(shù)如開關(guān)功率管的存儲時間,輸出級的大電流,開關(guān)整流二極管的反向恢復時間,會造成回路瞬間短路,產(chǎn)生很大短路電流,另外,開關(guān)管的負載是高頻變壓器或儲能電感,在開關(guān)管導通的瞬間,變壓器初級出現(xiàn)很大的涌流,造成尖峰噪聲。

2)高頻變壓器 開關(guān)電源中的變壓器,用作隔離和變壓,但由于漏感的原因,會產(chǎn)生電磁感應(yīng)噪聲;同時,在高頻狀況下變壓器層間的分布電容會將一次側(cè)高次諧波噪聲傳遞給次級,而變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通路,使變壓器周圍產(chǎn)生的電磁場更容易在其他引線上耦合形成噪聲。

3)整流二極管二次側(cè)整流二極管用作高頻整流時,由于反向恢復時間的因素,往往正向電流蓄積的電荷在加上反向電壓時不能立即消除(因載流子的存在,還有電流流過)。一旦這個反向電流恢復時的斜率過大,流過線圈的電感就產(chǎn)生了尖峰電壓,在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強的高頻干擾,其頻率可達幾十MHz。

4)電容、電感器和導線開關(guān)電源由于工作在較高頻率,會使低頻元件特性發(fā)生變化,由此產(chǎn)生噪聲。

1.2 開關(guān)電源外部干擾

開關(guān)電源外部干擾可以以“共模”或“差模”方式存在。干擾類型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進行變化。其中也包括電壓變化、頻率變化、波形失真、持續(xù)噪聲或雜波以及瞬變等,電源干擾的類型見表1。

在表1中的幾種干擾中,能夠通過電源進行傳輸并造成設(shè)備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波,而靜電放電等干擾只要電源設(shè)備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象,就不會造成因電源引起的對用電設(shè)備的影響。

2 開關(guān)電源干擾耦合途徑

開關(guān)電源干擾耦合途徑有兩種方式:一種是傳導耦合方式,另一種是輻射耦合方式。

2.1 傳導耦合

傳導耦合是騷擾源與敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一。傳導耦合必須在騷擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接,電磁騷擾沿著這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設(shè)備,產(chǎn)生電磁干擾。按其耦合方式可分為電路性耦合、電容性耦合和電感性耦合。在開關(guān)電源中,這3種耦合方式同時存在,互相聯(lián)系。

2.1.1電路性耦合

電路性耦合是最常見、最簡單的傳導耦合方式。其又有以下幾種:

1)直接傳導耦合導線經(jīng)過存在騷擾的環(huán)境時,即拾取騷擾能量并沿導線傳導至電路而造成對電路的干擾。

2)共阻抗耦合由于兩個以上電路有公共阻抗,當兩個電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時,一個電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會影響到另一個電路,這就是共阻抗耦合。形成共阻抗耦合騷擾的有電源輸出阻抗、接地線的公共阻抗等。

2. 1.2電容性耦合

電容性耦合也稱為電耦合,由于兩個電路之生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖,其頻間存在寄生電容,使一個電路的電荷通過寄生電容影響到另一條支路。

2.1.3 電感性耦合

電感性耦合也稱為磁耦合,兩個電路之間存在互感時,當干擾源是以電源形式出現(xiàn)時,此電流所產(chǎn)生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。

2.2 輻射耦合

通過輻射途徑造成的騷擾耦合稱為輻射耦合。輻射耦合是以電磁場的形式將電磁能量從騷擾源經(jīng)空間傳輸?shù)浇邮芷?。通常存?種主要耦合途徑:天線耦合、導線感應(yīng)耦合、閉合回路耦合和孔縫耦合。

2.2.1 天線與天線間的輻射耦合

在實際工程中,存在大量的天線電磁耦合。例如,開關(guān)電源中長的信號線、控制線、輸入和輸出引線等具有天線效應(yīng),能夠接收電磁騷擾,形成天線輻射耦合。

2.2.2 電磁場對導線的感應(yīng)耦合

開關(guān)電源的電纜線一般是由信號回路的連接線、功率級回路的供電線以及地線一起構(gòu)成,其中每一根導線都由輸入端阻抗、輸出端阻抗和返回導線構(gòu)成一個回路。因此,電纜線是內(nèi)部電路暴露在機箱外面的部分,最易受到騷擾源輻射場的耦合而感應(yīng)出騷擾電壓或騷擾電流,沿導線進入設(shè)備形成輻射騷擾。

2.2.3 電磁場對閉合回路的耦合

電磁場對閉合回路的耦合是指回路受感應(yīng)最大部分的長度小于波長的1/4。在輻射騷擾電磁場的頻率比較低的情況下,輻射騷擾電磁場與閉合回路的電磁耦合。

2.2.4 電磁場通過孔縫的耦合

電磁場通過孔縫的耦合是指輻射騷擾電磁場通過非金屬設(shè)備外殼、金屬設(shè)備外殼上的孔縫、電纜的編織金屬屏蔽體等對其內(nèi)部的電磁騷擾。

3 抑制干擾的一些措施

形成電磁干擾的三要素是騷擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而,抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面人手,采取適當措施。首先應(yīng)該抑制騷擾源,直接消除干擾原因;其次是消除騷擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁騷擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

1)采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾,即用電導率良好的材料對電場進行屏蔽,用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。屏蔽有兩個目的,一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出,二是防止外來的輻射干擾進入該內(nèi)部區(qū)域。其原理是利用屏蔽體對電磁能量的反射、吸收和引導作用。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射,電磁騷擾對其他電子設(shè)備的影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體,就能對電磁場進行有效的屏蔽。

2)所謂接地,就是在兩點間建立傳導通路,以便將電子設(shè)備或元器件連接到某些叫作“地”的參考點上。接地是開關(guān)電源設(shè)備抑制電磁干擾的重要方法,電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。在電路系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)遵循“一點接地”的原則,如果形成多點接地,會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路,當磁力線穿過該環(huán)路時將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲。實際上很難實現(xiàn)“一點接地”,因此,為降低接地阻抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地,利用一個導電平面作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中,應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后,再連接到公共參考點上。

3)濾波是抑制傳導干擾的有效方法,在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計中具有極其重要的作用。EMI濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元,可以抑制來自電網(wǎng)的干擾對電源本身的侵害,也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán),它們能夠改善電路的濾波特性。恰當?shù)卦O(shè)計或選擇濾波器,并正確地安裝和使用濾波器,是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。

選擇濾波器時要注意以下幾點:

(1)明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率,如兩者非常接近,則需要應(yīng)用頻率特性非常陡峭的濾波器,才能把兩種頻率分開;

(2)保證濾波器在高壓情況下能夠可靠地工作;

(3)濾波器連續(xù)通以最大額定電流時,其溫升要低,以保證在該額定電流連續(xù)工作時,不破壞濾波器中元件的工作性能;

(4)為使工作時的濾波器頻率特性與設(shè)計值相符合,要求與它連接的信號源阻抗和負載阻抗的數(shù)值等于設(shè)計時的規(guī)定值:

(5)濾波器必須具有屏蔽結(jié)構(gòu),屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸,濾波器的電容引線應(yīng)盡量短,最好選用短引線低電感的穿心電容;

(6)要有較高的工作可靠性,因為作防護電磁干擾用的濾波器,其故障往往比其他元器件的故障更難找。

安裝濾波器時應(yīng)注意以下幾點:

(1)電源線路濾波器應(yīng)安裝在離設(shè)備電源人口盡量靠近的地方,不要讓未經(jīng)過濾波器的電源線在設(shè)備框內(nèi)迂回;

(2)濾波器中的電容器引線應(yīng)盡可能短,以免因引線感抗和容抗在較低頻率上諧振;

(3)濾波器的接地導線上有很大的短路電流通過,會引起附加的電磁輻射,故應(yīng)對濾波器元件本身進行良好的屏蔽和接地處理;

(4)濾波器的輸人和輸出線不能交叉,否則會因濾波器的輸入和輸出電容耦合通路引起串擾,從而降低濾波特性,通常的辦法是輸入和輸出端之間加隔板或屏蔽層。

4 結(jié)語

開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的因素還有很多,抑制電磁干擾還有大量的工作要做。全面抑制開關(guān)電源的各種噪聲將使開關(guān)電源更加安全可靠地運行。

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