工程師該如何解決開關(guān)電源的EMI問題?
隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展,實(shí)際應(yīng)用對(duì)開關(guān)電源提出更苛刻的技術(shù)要求,不僅講究高效率、高功率密度,且為保證模塊及整體系統(tǒng)的可靠性,會(huì)要求電磁干擾盡可能小。那么在設(shè)計(jì)或應(yīng)用時(shí)如何攻克電源的EMI難題呢?
現(xiàn)今開關(guān)電源的控制方式采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM),當(dāng)工作在高頻通斷狀態(tài)時(shí),開關(guān)管、整流二極管、變壓器等高動(dòng)態(tài)功率器件在快速瞬變過程中,產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波干擾噪聲和尖峰干擾噪聲,并通過輸入輸出線、分布電容的傳導(dǎo)、空間輻射、串?dāng)_等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)設(shè)備的正常工作。
一、電磁干擾(EMI)的綜述
1、電磁干擾(EMI)危害
在電子終端設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用中,電磁干擾(EMI)對(duì)系統(tǒng)的危害是顯而易見的,主要有如下三個(gè):
影響電子終端設(shè)備性能,甚至導(dǎo)致其不能正常工作;
由于電磁噪聲的干擾,導(dǎo)致電氣、電子設(shè)備的器件高壓擊穿、燒毀,可能引起周圍易燃易爆物的起火、爆炸,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷亡;
電磁波能量會(huì)對(duì)人的身體造成一定的危害,危及人的身體健康。
2、電磁干擾產(chǎn)生的源頭
對(duì)于高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)來說,有各種各樣的電路拓?fù)湫问?,但它們核心噪聲源的產(chǎn)生原因是相同的:即,瞬態(tài)變化大電流和高電壓,產(chǎn)生高次諧波干擾和尖峰干擾。因此高動(dòng)態(tài)功率器件都是電磁干擾(EMI) 噪聲的源頭。
3、電磁干擾(EMI)要素
開關(guān)電源電磁干擾(Electro Magnetic Interference,簡(jiǎn)稱EMI)產(chǎn)生的條件和傳播途徑如圖 1所示:騷擾源、騷擾路徑、敏感設(shè)備。傳導(dǎo)騷擾路徑主要通過共阻抗耦合、容性耦合、感性耦合,測(cè)試頻段在150K~30MHz之間;以空間途徑輻射為主的噪聲是輻射騷擾干擾,即電磁場(chǎng)能量以場(chǎng)的形式向四周空間傳播,測(cè)試頻段在30M~300MHz之間。
圖 1 電磁干擾三大要素圖
4、測(cè)定噪聲的標(biāo)準(zhǔn)
電磁兼容(EMC)的標(biāo)準(zhǔn)一般由國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)、政府,甚至由軍事部門組織定制的一系列的電磁兼容可靠性標(biāo)準(zhǔn),其強(qiáng)制要求確保電子設(shè)備和各單元電路符合電磁兼容(EMC)的標(biāo)準(zhǔn),目前國(guó)內(nèi)外電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)主要有歐洲無線電干擾委員會(huì)的CISPR Pubxxx,德國(guó)的VDE xxx和美國(guó)的FCC Part xxx標(biāo)準(zhǔn),以及我國(guó)定制的EMI標(biāo)準(zhǔn)GB9254 xxxx完全等效采用CISPR Pubxxx的標(biāo)準(zhǔn)。一般來說,只要滿足CISPR Pubxxx B級(jí)的電源設(shè)備與電子設(shè)備時(shí)不會(huì)相互影響。表 1為CISPR Pubxxx B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
表 1 CISPR Pubxxx B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
表 1所示,015~30MHz頻率的噪聲為傳導(dǎo)干擾噪聲,一般以公共地線、電源線、分布電容等途徑傳播; 30MHz~300MHz頻率的噪聲源,一般以空間傳播的方式對(duì)外干擾傳播,這種噪聲叫做輻射噪聲。
二、電磁干擾(EMI)的解決途徑
1、噪聲源頭的分布
開關(guān)電源是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾源,如圖 2所示:
開關(guān)管Q1、整流二極管D2在高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí),會(huì)產(chǎn)生較幅度大、頻帶寬的瞬態(tài)電流和瞬態(tài)電壓;
存在漏感的高頻變壓器T1的初級(jí)線圈是開關(guān)管Q1的感性負(fù)載,使得開關(guān)管Q1高頻通斷瞬間,產(chǎn)生較大的浪涌電流和衰減振蕩的尖峰電壓;
特別在高頻開關(guān)電源中,雜散參數(shù)的分布是耦合通道主要途徑,特別是電路中存在的分布電容;
在PCB制板時(shí),因PCB板布局和走線不合理而產(chǎn)生的高次諧波干擾回路;
低頻特性的器件如果工作在高頻狀態(tài)下時(shí),其性能會(huì)發(fā)生改變,也是噪聲產(chǎn)生的原因之一。
圖 2 噪聲源的分布圖
這些干擾噪聲源的頻率從幾百KHz到幾十MHz,甚至上百M(fèi)Hz,都是寬頻帶的噪聲信號(hào)源,在設(shè)計(jì)輸入電磁干擾抑制濾波器時(shí),必須對(duì)高次諧波噪聲源產(chǎn)生的原理有充分的認(rèn)識(shí)和了解。
2、傳導(dǎo)干擾抑制措施
圖 2所示傳導(dǎo)干擾一般分為:差模干擾(DM)和共模干擾(CM)。差模干擾指的是干擾電壓存在于輸入線及其地回線、輸出線及其地回線之間噪聲。共模干擾指的是干擾電壓在輸入、輸出線及其地回線上的幅度相同的噪聲,參考電位一般以大地為主。
1) 電源輸入EMI濾波器
圖 3 輸入EMI濾波電路圖
圖 3是典型的輸入EMI抑制電路。當(dāng)電網(wǎng)受到雷擊時(shí),產(chǎn)生高壓經(jīng)輸入線導(dǎo)入開關(guān)電源設(shè)備時(shí),由FS1、ZNR1、RTH1組成防雷浪涌電路進(jìn)行保護(hù)。
R1、R2、C2、C4、LF1、LF2組成的π型濾波電路,是輸入濾波電路,主要是對(duì)電網(wǎng)串入的電磁噪聲進(jìn)行抑制,防止對(duì)開關(guān)電源干擾,同時(shí)也抑制開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高頻噪聲干擾電網(wǎng),綠化電網(wǎng)的電磁污染。
電容C1、C3、C5為Y電容,選擇主要考慮漏電流,容值越大EMI效果越好,但是漏電流就越大,存在安規(guī)不符合的風(fēng)險(xiǎn)。
電感LF1、LF2為共模扼流圈,主要針對(duì)共模噪聲,一般選用高磁導(dǎo)率、取mH級(jí)別感值;差模干擾主要通過X電容C2、C4濾除,一般不添加差模電感,因?yàn)槿菀罪柡汀?/p>
2) 開關(guān)管與整流二極管的噪聲抑制措施
開關(guān)電源在工作過程中,由于開關(guān)管、整流二極管存在結(jié)電容,在快速開關(guān)的時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰,通過耦合通道傳遞或發(fā)射出來。另外開關(guān)管的結(jié)電容和變壓器初級(jí)繞組的漏感可能產(chǎn)生諧振而產(chǎn)生干擾信號(hào)。因此可采用的對(duì)策有:
在開關(guān)管D極和G極穿接一個(gè)磁珠環(huán),減小開關(guān)管的電流變化率,從而達(dá)到減小尖峰電壓的目的;
在開關(guān)管柵源間加RC緩沖吸收電路,從而減小開關(guān)管在快速通斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓;
減小開關(guān)管與周邊組件的壓差,那么開關(guān)管的結(jié)電容可充電的程度會(huì)得到一定的降低;
增大開關(guān)管的G極驅(qū)動(dòng)電阻。如圖 4 所示。
圖 4 用于尖峰電壓吸收的幾種電路
3) 高頻變壓器噪聲抑制措施
高頻變壓器是開關(guān)電源的儲(chǔ)能組件,在能量的充放過程中,會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾。特別是高頻變壓器的漏感和分布電容形成的振蕩回路,產(chǎn)生高頻振蕩并且向外輻射電磁波能量,造成電磁干擾。對(duì)此可采用的對(duì)策有:
變壓器初次級(jí)間加屏蔽,并且銅箔要接地,將初次級(jí)的干擾噪聲隔離,分布電容、接地銅箔構(gòu)成共模干擾噪聲的回路,使其不能傳入次級(jí)端,起到電磁屏蔽的作用;
降低開關(guān)電源的工作頻率,減緩能量的快速充放過程;
在制作變壓器,采用三明治繞法,減小其漏感和匝間電容,降低電壓尖峰,減小寄生振蕩,起到減小干擾的作用。
3、輻射干擾抑制措施
開關(guān)電源工作時(shí)會(huì)向空間輻射干擾:
輻射噪聲的幅值與輻射源的距離成反比,若空間結(jié)構(gòu)經(jīng)湊,無法拉開距離時(shí),則采用屏蔽技術(shù);
由于電源輸入線容易通過電網(wǎng)引入噪聲,而且輸入線與高頻變壓器連接,產(chǎn)生高頻動(dòng)態(tài)的電流產(chǎn)生電磁場(chǎng),會(huì)耦合到輸出線上,對(duì)供電對(duì)象設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾,所以輸入線與輸出線必須盡量遠(yuǎn)離;
有動(dòng)態(tài)大電流流過的導(dǎo)線在PCB布局時(shí)盡量的短、盡量的粗,遠(yuǎn)離低頻信號(hào)線;
高功率、高頻通斷工作的器件,在接地時(shí)應(yīng)以最短、盡量粗的引線與電容的地連接;
動(dòng)態(tài)大電流環(huán)是輻射的感性耦合途徑之一,環(huán)路面積應(yīng)盡量小。
三、結(jié)論
開關(guān)電源的是否穩(wěn)定可靠是整個(gè)電氣設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)核心要求,特別是電磁干擾的濾波電路設(shè)計(jì)是否符合要求,決定著電氣設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的EMI濾波電路時(shí),應(yīng)該綜合考慮高功率器件噪聲的抑制、PCB結(jié)構(gòu)的布局、高頻變壓器的設(shè)計(jì)、接地等等,盡可能使其符合國(guó)內(nèi)外電磁干擾噪聲的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn),使設(shè)計(jì)出來的開關(guān)電源產(chǎn)品在市場(chǎng)上能得到更加廣泛的應(yīng)用,產(chǎn)生價(jià)值。
對(duì)于自主搭建的電源模塊,不僅研發(fā)周期較長(zhǎng)和生產(chǎn)成本較高,且產(chǎn)品的一致性與可靠性均難以保證,此時(shí)可以選用一款優(yōu)質(zhì)的電源模塊進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
致遠(yuǎn)電子自主研發(fā)、生產(chǎn)的隔離電源模塊,具有寬輸入電壓范圍,隔離1000VDC、1500VDC、3000VDC及6000VDC等多個(gè)系列,封裝形式多樣,兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的SIP、DIP等封裝。同時(shí)致遠(yuǎn)電子為保證電源產(chǎn)品性能建設(shè)了行業(yè)內(nèi)一流的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室,配備最先進(jìn)、齊全的測(cè)試設(shè)備,全系列隔離DC-DC電源通過完整的EMC測(cè)試,靜電抗擾度高達(dá)4KV、浪涌抗擾度高達(dá)2KV,可應(yīng)用于絕大部分復(fù)雜惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),為用戶提供穩(wěn)定、可靠的電源隔離解決方案。