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[资料分享] 怎么减少开关电源间的电磁干扰?

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一粒金砂(高级)

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发表于 2019-5-20 22:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
        开关电源也叫交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。
  开关电源不同于线性电源,开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换,这两个模式都有低耗散的特点,切换之间的转换会有较高的耗散,但时间很短,因此比较节省能源,产生废热较少。理想上,开关电源本身是不会消耗电能的。电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。相反的,线性电源在产生输出电压的过程中,晶体管工作在放大区,本身也会消耗电能。开关电源的高转换效率是其一大优点,而且因为开关电源工作频率高,可以使用小尺寸、轻重量的变压器,因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小,重量也会比较轻。
  开关电源中的电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。通常传导干扰比较好分析,可以将电路理论和数学知识结合起来,对电磁干扰中各种元器件的特性进行研究;但对辐射干扰而言,由于电路中存在不同的干扰源的综合作用,又涉及到电磁场理论,分析起来比较困难。
  传导干扰可分为共模(CM)干扰和常模(DM)干扰。由于寄生参数的存在以及开关电源中开关器件的高频开通与关断,开关电源在其输入端(即交流电网侧)产生较大的共模干扰和常模干扰。
  变换器工作在高频情况时,由于dvldt很高,激发变压器绕组间以及开关管与散热片间的寄生电容,从而产生共模干扰。
  根据共模干扰产生的原理,实际应用时常采用以下几种抑制方法:
  (1)优化电路元器件布置,尽量减少寄生、糯合电容。
  (2)延缓开关的开通、关断时间,但这与开关电源高频化的趋势不符。
  (3)应用缓冲电路,减缓dv/dt的变化率。变换器中的电流在高频情况下作开关变化,从而在输人、输出的滤波电容上产生很高的dv/dt,即在滤波电容的等效电感或阻抗上感应出干扰电压,这时就会产生常模干扰。故选用高质量的滤波电容(等效电感或阻抗很低)可以降低常模干扰。
  辐射干扰又可分为近场干扰[测量点与场源距离<λ/6(λ为干扰电磁波波长)]和远场干扰(测量点与场源距离>λ/6)。由麦克斯韦电磁场理论可知,导体中变化的电流会在其周围空间产生变化的磁场,而变化的磁场又产生变化的电场。两者都遵循麦克斯韦方程式。而这一变化电流的幅值和频率决定了产生电磁场的大小以及其作用范围。在辐射研究中天线是电磁辐射源,在开关电源电路中,主电路中的元器件、连线都可以认为是天线,可以应用电偶极子和磁偶极子理论来分析。分析时,二极管、开关管、电容等可看成电偶极子;电感线圈可以认为是磁偶极子,再以相关的电磁场理论进行综合分析就可以了。
  需要注意的是,不同支路的电流相位不一定相同,在磁场计算时这一点尤其重要。相位不同,一是因为干扰从干扰源传播到测量点存在时延作用(也称迟滞效应);二是因为元器件本身的特性导致相位不同。如电感中电流相位比其他元器件要滞后。迟滞效应引起的相位滞后是信号频率作用的结果,仅在频率很高时作用才较明显(如GHz级或更高);对于功率电子器件而言,频率相对较低,故迟滞效应作用不是很大。
  在开关电源产生的两类干扰中,传导干扰由于经电网传播,会对其他电子设备产生严重的干扰,往往引起更严重的问题。常用的抑制方法有缓冲器法,减少搞合路径法,减少寄生元件法等。近年来,随着对电子设备电磁干扰的限制越来越严格,又出现了一些新的抑制方法,主要集中在新的控制方法与新的无源缓冲电路的设计等几个方面。
  调制频率控制
  干扰是根据开关频率变化的,干扰的能量集中在这些离散的开关频率点上,所以很难满足抑制电磁干扰(EMI)的要求。通过将开关信号的能量调制分布在一个很宽的频带上,产生一系列的分立边频带,则干扰频谱可以展开,干扰能量被分成小份分布在这些分立频段上,从而更容易达到EMI标准。调制频率控制就是根据这种原理实现对开关电源电磁干扰的抑制。
  最初人们采用随机频率控制,其主要思想是在控制电路中加入一个随机扰动分量,使开关间隔进行不规则变化。则开关噪声频谱由原来离散的尖峰脉冲噪声变成连续分布噪声,其峰值大大下降。具体办法是,由脉冲发生器产生两种不同占空比的脉冲,再与电压放大器产生的误差信号进行采样选择产生最终的控制信号。
  但是,随机频率控制在开通时基本上采用PWM控制的方法,在关断时才采用随机频率,因而其调制干扰能量不便控制,抑制干扰的效果不是很理想。而最新出现的调制频率控制很好地解决了这些问题,其原理是,将主开关频率进行调制,在主频带周围产生一系列的边频带,从而将噪声能量分布在很宽的频带上,降低了干扰。这种控制方法的关键是对频率进行调制,使开关能量分布在边频带的范围,且幅值受调制系数β的影响(调制系数β=△f/fm,△f为相邻边频带间隔,fm为调制频率),一般β越大调制效果越好。
  无源缓冲电路设计
  开关变换器中的电磁干扰是在开关管开关时刻产生的。以整流二极管为例,在开通时,其导通电源不仅引起大量的开通损耗,还产生很大的dvl巾,导致电磁干扰;而在关断时,其两端的电压快速升高,有很大的dvl巾,从而产生电磁干扰。缓冲电路不仅可以抑制开通时的dvldt、限制关断时的dvl白,还具有电路简单、成本较低的特点,因而得到广泛应用。但是传统的缓冲电路中往往采用有源辅助开关,电路复杂不易控制,并有可能导致更高的电压或电流应力,降低了可靠性。因此许多新的无源缓冲器应运而生。



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