開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理
一、開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理
開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分,可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明：
1．二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾
高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過,在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí),由于PN結(jié)中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里,電流會(huì)反向流動(dòng),致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。
2．開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾
功率開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為矩形波,其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開關(guān)時(shí),這種諧波干擾將會(huì)很小。另外,功率開關(guān)管在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。
3．交流輸入回路產(chǎn)生的干擾
無工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。
開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量,通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾;而諧波和寄生振蕩的能量,通過輸入輸出線傳播時(shí),都會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。
4．其他原因
元器件的寄生參數(shù)，開關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場(chǎng)干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會(huì)造成EMI干擾。
二、開關(guān)電源EMI的特點(diǎn)
作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；干擾源主要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對(duì)于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開關(guān)頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線,具有更大的隨意性,這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場(chǎng)干擾估計(jì)的難度.
三、EMI測(cè)試技術(shù)
目前診斷差模共模干擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網(wǎng)絡(luò)、噪聲分離網(wǎng)絡(luò)。用射頻電流探頭是測(cè)量差模 共模干擾最簡(jiǎn)單的方法，但測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值比較要經(jīng)過較復(fù)雜的換算。差模抑制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（見圖1），測(cè)量結(jié)果可直接與標(biāo)準(zhǔn)限值比較，但只能測(cè)量共模干擾。噪聲分離網(wǎng)絡(luò)是最理想的方法，但其關(guān)鍵部件變壓器的制造要求很高。 四、目前抑制干擾的幾種措施
形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而,抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源,直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑（見圖2）;第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力,減低其對(duì)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干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。
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。例如,功率開關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗,為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時(shí)需要導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)行絕緣,這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容,開關(guān)電源的底板是交流電源的地線,因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾,解決這個(gè)問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射,電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響,可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體,就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場(chǎng)的干擾;電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導(dǎo)體時(shí)常增強(qiáng)靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)靜電屏蔽”效應(yīng),所以仍以接地為好,這樣使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點(diǎn)與大地相連,可為信號(hào)回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此,系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連.
在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則,如果形成多點(diǎn)接地,會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路,當(dāng)磁力線穿過該回路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲,實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)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(diǎn)接地,利用一個(gè)導(dǎo)電平面(底板或多層印制板電路的導(dǎo)電平面層等)作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)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(dú)連接后,再連接到公共參考點(diǎn)上。
濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾,也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。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(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)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。
一、開關(guān)電源電磁干擾的抑制措施
1 EMI濾波器
濾波器具有雙向?yàn)V波的作用，既能阻止來自于電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源內(nèi)部，又能阻止電源本身產(chǎn)生的干擾污染電網(wǎng)。利用電流探頭分離開關(guān)電源的共模和差模干擾，進(jìn)而分別設(shè)計(jì)共模和差模濾波器[3]。圖2示出實(shí)際使用的EMI濾波電路。
由圖可見，Y電容C202，C302與共模電感L101，L201對(duì)電源中的共模干擾起抑制作用；X電容C101，C201， C30l，C102與共模電感的漏感Lpo對(duì)電源中的差模干擾起抑制作用。R101，R201為泄放電阻，斷電之后，可使X電容上的電壓快速降低，并達(dá)到安全規(guī)范的要求。 RV30l為壓敏電阻，它的響應(yīng)時(shí)間僅有幾個(gè)納秒，并且沒有延遲現(xiàn)象，所以壓敏電阻能吸收上升很陡的浪涌電壓引起的EMI，并能保護(hù)電源中的器件，防止電壓畸變，特別是對(duì)防雷效果很好。' {* J* @4 N2 w
圖3示出加濾波器前后的傳導(dǎo)EMI測(cè)試結(jié)果�？梢姡珽MI濾波器使開關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI下降了20多個(gè)dB?μV。特別是在1MHz以上的高頻段效果更佳，起到了很好的抑制效果。
2 對(duì)電流諧波的抑制
對(duì)于整流電路中的尖峰電壓及其高次諧波可通過功率因數(shù)校正電路(PFC)予以解決。通過補(bǔ)償可有效抑制高次諧波，其功率因數(shù)可提高到0.99以上，基本上實(shí)現(xiàn)了無諧波，消除了諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。
3 減小du/dt和di/dt
對(duì)于VM等開關(guān)器件在開通時(shí)產(chǎn)生的di/dt和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的du/dt，可以加無源緩沖電路和軟開關(guān)諧振技術(shù)來抑制。圖4示出在VM兩端并聯(lián)的RCD吸收電路。它可吸收接通和關(guān)端瞬間產(chǎn)生的浪涌峰值電壓，降低開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾。圖5a示出加吸收和軟開關(guān)諧振電路時(shí)傳導(dǎo)EMI的測(cè)試結(jié)果。與圖3b相比，EMI平均下降了約6dB?μV。 l2 }- T9 J) D/ I1 A
4 高頻變壓器產(chǎn)生干擾的抑制
選擇高磁導(dǎo)率的磁芯，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組要緊密相連，并且初級(jí)與次級(jí)交叉并繞，以達(dá)到減小漏磁，進(jìn)而減小因漏感引起的電磁感應(yīng)噪聲。在變壓器的線包和磁芯外表面包一層薄的銅皮作為屏蔽層也會(huì)起到良好的抑制作用。在高頻時(shí)，干擾能量通過變壓器的分布電容在初次級(jí)之間傳遞，把干擾能量消耗在電路中，為了減小分布電容，常用的方法是在變壓器的初次級(jí)跨接一個(gè)Y電容。圖5b示出在變壓器外加屏蔽銅皮和在初次級(jí)跨接Y電容。與圖5a相比可見，雖然在1MHz以下的頻段，EMI下降得比較明顯，但因干擾能量在變壓器的初次級(jí)之間互相傳遞，在其余頻段卻有所上升，因而總體上達(dá)到了CISPER EN550022B的標(biāo)準(zhǔn)。 3 w W8 z' j4 q4 [
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5 調(diào)頻技術(shù)抑制干擾# v9 F d: q/ x; \. r
調(diào)頻技術(shù)也叫“頻率抖動(dòng)技術(shù)”[4]，即將主開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制，在主頻率的周圍產(chǎn)生一系列頻帶，把集中在主頻率及其2次、3次等諧波上的能量分散到周圍很寬的頻帶上，從而降低干擾。
6結(jié)論
研究了開關(guān)電源中的EMI干擾源，通過對(duì)正激變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的剖析，根據(jù)干擾源產(chǎn)生的機(jī)理，采用了幾中抑制措施，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，效果很好。它為抑制開關(guān)電源的干擾源，以及解決EMI超標(biāo)問題提供了參考依據(jù)。
二、高頻開關(guān)電源輔助電源電磁干擾(EMI)問題
隨著電源技術(shù)的發(fā)展，高頻開關(guān)電源控制從最初的模擬電路逐漸發(fā)展到微處理器、DSP等高集成度的控制器件，這些器件體積小、精密度高，但開關(guān)電源內(nèi)的電磁干擾、輻射相對(duì)其他通訊設(shè)備工作環(huán)境更強(qiáng)，這對(duì)輔助電源提出了更高的要求。本文對(duì)高頻開關(guān)電源內(nèi)輔助電源的工作特性和波形加以闡述，并著重根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題和參數(shù)的選擇。
1高頻開關(guān)電源的干擾問題
:在目前的智能開關(guān)電源中，都有機(jī)內(nèi)微處理器或DSP，作機(jī)內(nèi)監(jiān)控和通訊之用。微處理芯片對(duì)供電電源要求很高，要求幅值相當(dāng)穩(wěn)定，更不能帶有較大尖峰毛刺，造成電磁干擾，而且要求輔助電源的交流適應(yīng)能力比整流器正常工作的范圍更廣,當(dāng)整流器接上交流輸入電時(shí)，必須是監(jiān)控部分先正常工作，進(jìn)行自檢和各種狀況的檢測(cè)，以確定整流器能否開機(jī)；如遇極高或極低交流電壓，整流器雖已停止工作，但監(jiān)控部分仍要正常工作，保持正常的監(jiān)控和通訊�！ �
某些電源產(chǎn)品運(yùn)行過程中曾出現(xiàn)無故復(fù)位等現(xiàn)象，在進(jìn)行大功率開關(guān)電源的輔助電源設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其輔助電源在不同交流輸入電壓、不同負(fù)載條件下存在比較多的問題：交流適應(yīng)范圍窄，負(fù)載能力低，工作波形不穩(wěn)且極不對(duì)稱，出現(xiàn)偏磁，電磁干擾極嚴(yán)重等�！ �
一般開關(guān)整流器輔助電源的工作原理是：輸入交流電經(jīng)整流成為高壓直流電，然后經(jīng)變換電路成為低壓高頻方波，再經(jīng)由整流濾波電路成為系統(tǒng)所需的平穩(wěn)低壓直流電，一般由三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，由一路直流輸出提供高頻變換驅(qū)動(dòng)脈沖控制環(huán)的電壓反饋信號(hào)。由功率變換的主回路上串電阻采樣作為電流反饋信號(hào)，功率變換管的驅(qū)動(dòng)脈沖由UC3844等控制芯片及其外圍電路產(chǎn)生�！。ㄗⅲ航涣鞯蛪菏禽o助電源開始啟動(dòng)工作時(shí)最低輸入電壓實(shí)測(cè)值）
可以看到，在較低的交流輸入電壓、無電流反饋條件下輔助變壓器已經(jīng)不能正常工作，其波形的脈寬是不一樣的，有的寬有的窄，而且發(fā)生抖動(dòng)，示波器已無法穩(wěn)定地抓住波形。電流反饋，波形的脈寬也是有寬有窄，占空比達(dá)到了47%，而UC3844的最大占空比僅為50%，如果增加負(fù)載，輸出電壓會(huì)降低�！ �
如何使輔助電源能在交流輸入的上極限、下極限電壓下穩(wěn)定工作，如何使輔助電源所帶負(fù)載從空載到過載的全范圍內(nèi)能穩(wěn)定正常工作，都有比較大的難度，這涉及幾方面的技術(shù)難題：功率器件的耐壓、過載能力；高頻變壓器的設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)脈沖控制回路參數(shù)的選擇。
2解決方法
技術(shù)人員通過一定的理論分析和實(shí)驗(yàn)摸索，對(duì)輔助變壓器和控制回路作了相應(yīng)的改進(jìn)，終于解決了這個(gè)問題。解決辦法是：調(diào)整輔助變壓器的匝比，改變?cè)呍褦?shù) Np，降低原副邊匝比比例，使低電壓時(shí)的占空比減小，遠(yuǎn)小于UC3844規(guī)定的上限45%；將UC3844的電流反饋環(huán)節(jié)的RC濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，通過多次實(shí)驗(yàn)摸索，終于獲得了比較理想的參數(shù)，濾波電容加大。再次在同樣條件下測(cè)試輔助變壓器的同一副邊繞組。
改進(jìn)后的輔助電源無論在交流輸入極高或極低的情況下（且啟動(dòng)工作電壓較改進(jìn)前要低一些），還是在空載或帶重負(fù)載的情況下，其工作波形都較改進(jìn)前更穩(wěn)定，脈寬對(duì)稱更均衡，而且?guī)лd能力明顯優(yōu)于改進(jìn)前。對(duì)比在低輸入電壓下，改進(jìn)后的占空比相對(duì)改進(jìn)前的占空比下降了7％，表明輔助電源的交流輸入在增加負(fù)載的情況下，輸出電壓仍能保持穩(wěn)定，帶載能力明顯強(qiáng)于改進(jìn)前，輔助電源改進(jìn)工作取得了明顯效果。
3經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
在輔助電源的改進(jìn)過程中，技術(shù)人員曾經(jīng)從多個(gè)方面入手，包括改變電壓反饋環(huán)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)、改變脈沖頻率、增大副邊整流后的濾波電容等，但沒有找到問題根源，在交流輸入高低電壓、輕載和過載等情況下，其波形仍然抖動(dòng)厲害，直流輸出電壓不穩(wěn)，在調(diào)節(jié)UC3844的電流反饋環(huán)節(jié)的RC濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時(shí)，也進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)才找到了較為合適的匹配參數(shù)，由此可見，工程人員在進(jìn)行理論分析之后仍需要通過不斷實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)果�！�
開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分,可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明：
1．二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾
高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過,在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí),由于PN結(jié)中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里,電流會(huì)反向流動(dòng),致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。
2．開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾
功率開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為矩形波,其中含有豐富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流、零電壓開關(guān)時(shí),這種諧波干擾將會(huì)很小。另外,功率開關(guān)管在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。
3．交流輸入回路產(chǎn)生的干擾
無工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。
開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量,通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾;而諧波和寄生振蕩的能量,通過輸入輸出線傳播時(shí),都會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。
4．其他原因
元器件的寄生參數(shù)，開關(guān)電源的原理圖設(shè)計(jì)不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場(chǎng)干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會(huì)造成EMI干擾。
二、開關(guān)電源EMI的特點(diǎn)
作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，開關(guān)電源的電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；干擾源主要集中在功率開關(guān)期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對(duì)于數(shù)字電路干擾源的位置較為清楚；開關(guān)頻率不高（從幾十千赫和數(shù)兆赫茲），主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線,具有更大的隨意性,這增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場(chǎng)干擾估計(jì)的難度.
三、EMI測(cè)試技術(shù)
目前診斷差模共模干擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網(wǎng)絡(luò)、噪聲分離網(wǎng)絡(luò)。用射頻電流探頭是測(cè)量差模 共模干擾最簡(jiǎn)單的方法，但測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)限值比較要經(jīng)過較復(fù)雜的換算。差模抑制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（見圖1），測(cè)量結(jié)果可直接與標(biāo)準(zhǔn)限值比較，但只能測(cè)量共模干擾。噪聲分離網(wǎng)絡(luò)是最理想的方法，但其關(guān)鍵部件變壓器的制造要求很高。 四、目前抑制干擾的幾種措施
形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而,抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源,直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑（見圖2）;第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力,減低其對(duì)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干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。
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。例如,功率開關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗,為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時(shí)需要導(dǎo)熱性能好的絕緣片進(jìn)行絕緣,這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容,開關(guān)電源的底板是交流電源的地線,因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾,解決這個(gè)問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割斷了射頻干擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射,電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響,可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體,就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如,靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場(chǎng)的干擾;電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地,但不接地的屏蔽導(dǎo)體時(shí)常增強(qiáng)靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負(fù)靜電屏蔽”效應(yīng),所以仍以接地為好,這樣使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點(diǎn)與大地相連,可為信號(hào)回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此,系統(tǒng)中的安全保護(hù)地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后,最終都與大地相連.
在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則,如果形成多點(diǎn)接地,會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路,當(dāng)磁力線穿過該回路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲,實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)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(diǎn)接地,利用一個(gè)導(dǎo)電平面(底板或多層印制板電路的導(dǎo)電平面層等)作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)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(dú)連接后,再連接到公共參考點(diǎn)上。
濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。例如,在電源輸入端接上濾波器,可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾,也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。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(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)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。
一、開關(guān)電源電磁干擾的抑制措施
1 EMI濾波器
濾波器具有雙向?yàn)V波的作用，既能阻止來自于電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源內(nèi)部，又能阻止電源本身產(chǎn)生的干擾污染電網(wǎng)。利用電流探頭分離開關(guān)電源的共模和差模干擾，進(jìn)而分別設(shè)計(jì)共模和差模濾波器[3]。圖2示出實(shí)際使用的EMI濾波電路。
由圖可見，Y電容C202，C302與共模電感L101，L201對(duì)電源中的共模干擾起抑制作用；X電容C101，C201， C30l，C102與共模電感的漏感Lpo對(duì)電源中的差模干擾起抑制作用。R101，R201為泄放電阻，斷電之后，可使X電容上的電壓快速降低，并達(dá)到安全規(guī)范的要求。 RV30l為壓敏電阻，它的響應(yīng)時(shí)間僅有幾個(gè)納秒，并且沒有延遲現(xiàn)象，所以壓敏電阻能吸收上升很陡的浪涌電壓引起的EMI，并能保護(hù)電源中的器件，防止電壓畸變，特別是對(duì)防雷效果很好。' {* J* @4 N2 w
圖3示出加濾波器前后的傳導(dǎo)EMI測(cè)試結(jié)果�？梢姡珽MI濾波器使開關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI下降了20多個(gè)dB?μV。特別是在1MHz以上的高頻段效果更佳，起到了很好的抑制效果。
2 對(duì)電流諧波的抑制
對(duì)于整流電路中的尖峰電壓及其高次諧波可通過功率因數(shù)校正電路(PFC)予以解決。通過補(bǔ)償可有效抑制高次諧波，其功率因數(shù)可提高到0.99以上，基本上實(shí)現(xiàn)了無諧波，消除了諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。
3 減小du/dt和di/dt
對(duì)于VM等開關(guān)器件在開通時(shí)產(chǎn)生的di/dt和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的du/dt，可以加無源緩沖電路和軟開關(guān)諧振技術(shù)來抑制。圖4示出在VM兩端并聯(lián)的RCD吸收電路。它可吸收接通和關(guān)端瞬間產(chǎn)生的浪涌峰值電壓，降低開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾。圖5a示出加吸收和軟開關(guān)諧振電路時(shí)傳導(dǎo)EMI的測(cè)試結(jié)果。與圖3b相比，EMI平均下降了約6dB?μV。 l2 }- T9 J) D/ I1 A
4 高頻變壓器產(chǎn)生干擾的抑制
選擇高磁導(dǎo)率的磁芯，初級(jí)繞組和次級(jí)繞組要緊密相連，并且初級(jí)與次級(jí)交叉并繞，以達(dá)到減小漏磁，進(jìn)而減小因漏感引起的電磁感應(yīng)噪聲。在變壓器的線包和磁芯外表面包一層薄的銅皮作為屏蔽層也會(huì)起到良好的抑制作用。在高頻時(shí)，干擾能量通過變壓器的分布電容在初次級(jí)之間傳遞，把干擾能量消耗在電路中，為了減小分布電容，常用的方法是在變壓器的初次級(jí)跨接一個(gè)Y電容。圖5b示出在變壓器外加屏蔽銅皮和在初次級(jí)跨接Y電容。與圖5a相比可見，雖然在1MHz以下的頻段，EMI下降得比較明顯，但因干擾能量在變壓器的初次級(jí)之間互相傳遞，在其余頻段卻有所上升，因而總體上達(dá)到了CISPER EN550022B的標(biāo)準(zhǔn)。 3 w W8 z' j4 q4 [
0 H/ j: K0 d5 o0 r9 T
5 調(diào)頻技術(shù)抑制干擾# v9 F d: q/ x; \. r
調(diào)頻技術(shù)也叫“頻率抖動(dòng)技術(shù)”[4]，即將主開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制，在主頻率的周圍產(chǎn)生一系列頻帶，把集中在主頻率及其2次、3次等諧波上的能量分散到周圍很寬的頻帶上，從而降低干擾。
6結(jié)論
研究了開關(guān)電源中的EMI干擾源，通過對(duì)正激變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的剖析，根據(jù)干擾源產(chǎn)生的機(jī)理，采用了幾中抑制措施，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，效果很好。它為抑制開關(guān)電源的干擾源，以及解決EMI超標(biāo)問題提供了參考依據(jù)。
二、高頻開關(guān)電源輔助電源電磁干擾(EMI)問題
隨著電源技術(shù)的發(fā)展，高頻開關(guān)電源控制從最初的模擬電路逐漸發(fā)展到微處理器、DSP等高集成度的控制器件，這些器件體積小、精密度高，但開關(guān)電源內(nèi)的電磁干擾、輻射相對(duì)其他通訊設(shè)備工作環(huán)境更強(qiáng)，這對(duì)輔助電源提出了更高的要求。本文對(duì)高頻開關(guān)電源內(nèi)輔助電源的工作特性和波形加以闡述，并著重根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題和參數(shù)的選擇。
1高頻開關(guān)電源的干擾問題
:在目前的智能開關(guān)電源中，都有機(jī)內(nèi)微處理器或DSP，作機(jī)內(nèi)監(jiān)控和通訊之用。微處理芯片對(duì)供電電源要求很高，要求幅值相當(dāng)穩(wěn)定，更不能帶有較大尖峰毛刺，造成電磁干擾，而且要求輔助電源的交流適應(yīng)能力比整流器正常工作的范圍更廣,當(dāng)整流器接上交流輸入電時(shí)，必須是監(jiān)控部分先正常工作，進(jìn)行自檢和各種狀況的檢測(cè)，以確定整流器能否開機(jī)；如遇極高或極低交流電壓，整流器雖已停止工作，但監(jiān)控部分仍要正常工作，保持正常的監(jiān)控和通訊�！ �
某些電源產(chǎn)品運(yùn)行過程中曾出現(xiàn)無故復(fù)位等現(xiàn)象，在進(jìn)行大功率開關(guān)電源的輔助電源設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其輔助電源在不同交流輸入電壓、不同負(fù)載條件下存在比較多的問題：交流適應(yīng)范圍窄，負(fù)載能力低，工作波形不穩(wěn)且極不對(duì)稱，出現(xiàn)偏磁，電磁干擾極嚴(yán)重等�！ �
一般開關(guān)整流器輔助電源的工作原理是：輸入交流電經(jīng)整流成為高壓直流電，然后經(jīng)變換電路成為低壓高頻方波，再經(jīng)由整流濾波電路成為系統(tǒng)所需的平穩(wěn)低壓直流電，一般由三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，由一路直流輸出提供高頻變換驅(qū)動(dòng)脈沖控制環(huán)的電壓反饋信號(hào)。由功率變換的主回路上串電阻采樣作為電流反饋信號(hào)，功率變換管的驅(qū)動(dòng)脈沖由UC3844等控制芯片及其外圍電路產(chǎn)生�！。ㄗⅲ航涣鞯蛪菏禽o助電源開始啟動(dòng)工作時(shí)最低輸入電壓實(shí)測(cè)值）
可以看到，在較低的交流輸入電壓、無電流反饋條件下輔助變壓器已經(jīng)不能正常工作，其波形的脈寬是不一樣的，有的寬有的窄，而且發(fā)生抖動(dòng)，示波器已無法穩(wěn)定地抓住波形。電流反饋，波形的脈寬也是有寬有窄，占空比達(dá)到了47%，而UC3844的最大占空比僅為50%，如果增加負(fù)載，輸出電壓會(huì)降低�！ �
如何使輔助電源能在交流輸入的上極限、下極限電壓下穩(wěn)定工作，如何使輔助電源所帶負(fù)載從空載到過載的全范圍內(nèi)能穩(wěn)定正常工作，都有比較大的難度，這涉及幾方面的技術(shù)難題：功率器件的耐壓、過載能力；高頻變壓器的設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)脈沖控制回路參數(shù)的選擇。
2解決方法
技術(shù)人員通過一定的理論分析和實(shí)驗(yàn)摸索，對(duì)輔助變壓器和控制回路作了相應(yīng)的改進(jìn)，終于解決了這個(gè)問題。解決辦法是：調(diào)整輔助變壓器的匝比，改變?cè)呍褦?shù) Np，降低原副邊匝比比例，使低電壓時(shí)的占空比減小，遠(yuǎn)小于UC3844規(guī)定的上限45%；將UC3844的電流反饋環(huán)節(jié)的RC濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，通過多次實(shí)驗(yàn)摸索，終于獲得了比較理想的參數(shù)，濾波電容加大。再次在同樣條件下測(cè)試輔助變壓器的同一副邊繞組。
改進(jìn)后的輔助電源無論在交流輸入極高或極低的情況下（且啟動(dòng)工作電壓較改進(jìn)前要低一些），還是在空載或帶重負(fù)載的情況下，其工作波形都較改進(jìn)前更穩(wěn)定，脈寬對(duì)稱更均衡，而且?guī)лd能力明顯優(yōu)于改進(jìn)前。對(duì)比在低輸入電壓下，改進(jìn)后的占空比相對(duì)改進(jìn)前的占空比下降了7％，表明輔助電源的交流輸入在增加負(fù)載的情況下，輸出電壓仍能保持穩(wěn)定，帶載能力明顯強(qiáng)于改進(jìn)前，輔助電源改進(jìn)工作取得了明顯效果。
3經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
在輔助電源的改進(jìn)過程中，技術(shù)人員曾經(jīng)從多個(gè)方面入手，包括改變電壓反饋環(huán)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)、改變脈沖頻率、增大副邊整流后的濾波電容等，但沒有找到問題根源，在交流輸入高低電壓、輕載和過載等情況下，其波形仍然抖動(dòng)厲害，直流輸出電壓不穩(wěn)，在調(diào)節(jié)UC3844的電流反饋環(huán)節(jié)的RC濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時(shí)，也進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)才找到了較為合適的匹配參數(shù)，由此可見，工程人員在進(jìn)行理論分析之后仍需要通過不斷實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)果�！�
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