开关电源的电磁干扰抑制技术

  电磁干扰对开关电源的效率和安全性影响成为人们关注的热点。文中分析了开关电源中电磁干扰产生的原因, 提出了抑制干扰的有效措施。

  电磁兼容( Elect ro Magnet ic Compat ibility, 简称EMC) 是指电子设备或系统在其电磁环境能正常工作, 且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。它包括电磁干扰(EMI) 和电磁敏感( EMS) 两方面的内容。EMI 是指电器产品向外发出干扰。EMS 是指电器产品抵抗电磁干扰的能力。一台具备良好电磁兼容性的设备应既不受周围电磁噪声的影响, 也不对周围环境造成电磁干扰。电磁干扰的三个要素是干扰源、耦合通道和敏感体。抑制开关电源产生的干扰对保证电子系统的正常稳定运行具有十分重要的意义, 电磁干扰的抑制技术主要包括削弱干扰的能量, 隔离和减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁骚扰的抵抗能力等。本文分析了开关电源电磁干扰产生原因, 介绍了开关电源电磁干扰抑制技术及设计方法。

  开关电源通常是将工频交流电整流为直流电, 然后经过开关管的控制使其变为高频, 再经过整流滤波电路输出, 得到稳定的直流电压。工频整流滤波使用大容量电容充、放电, 开关管高频通断, 输出整流二极管的反向恢复等工作过程中产生了极高的di/ dt和du/dt , 形成了强烈的浪涌电流和尖峰电压, 它是开关电源电磁干扰产生的最基本原因。另外, 开关管的驱动波形, MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形状的周期波。因此, 其频率是MHz 级别的, 这些高频信号对开关电源的基本信号, 特别是控制电路的信号造成干扰。

  开关电源输入端通常采用桥式整流、电容滤波电路。整流桥只有在脉动电压超过输入滤波电容上的电压时才能导通, 电流才从市电电源输入, 并对滤波电容充电。一旦滤波电容上的电压高于市电电源的瞬时电压, 整流管便截止。所以, 输入电路的电流是脉冲性质的, 并且有着丰富的高效谐波电流。这是因为整流电路的非线性特性, 整流桥交流侧的电流严重失真。

  而直流侧的谐波次数是n 倍。所以, 整流电路直流侧高频谐波电流不仅使电路产生功率, 增加电路的无功功率, 而且高频谐波会沿着传输线路产生传导干扰和辐射干扰。

  开关电路在开关电源中起着关键的作用, 同时也是主要的干扰源之一。开关管负载为高频变压器初级线圈, 是感性负载。其在导通瞬间, 初级线圈产生很大的涌流, 并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压; 在断开瞬间, 由于初级线圈的漏磁通, 致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈, 储藏在电感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减震荡, 叠加在关断电压上, 形成关断电压尖峰。如果尖峰有足够高的幅度, 那么很有可能把开关管击穿。

  高频变压器是开关电源中实现能量储存、隔离、输出、电压变换的重要部件, 它的漏感和分布电容对电路的电磁兼容性能产生较大的影响。由于初级线圈有漏磁通, 致使一部分能量没有传输到次级线圈, 而是通过集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上, 形成关断电压尖峰, 产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变, 这个噪声会传导到输入、输出端, 形成传导骚扰, 重者有可能击穿开关管。另外, 高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射,形成辐射骚扰。

  在开关电源的调频变压器初次级之间存在着分布电容。用一个装置电容( 装置对地的分布电容) 来与整个开关电源等效, 就形成了干扰通道。共模干扰通过变压器的耦合电容, 经过装置电容再返回大地, 就得到一个由变压器耦合电容与装置电容构成的分压器。脉冲变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射, 形成辐射骚扰。

您可能还会对下面的文章感兴趣: