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1、? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/文章编号 : 1004 - 289X( 2009) 06 - 0020 - 03开关电源的电磁兼容设计朱明杰(华南农业大学珠江学院,广州 从化 510900)摘 要 :分析了开关电源产生噪声的特点和主要原因,介绍一种电磁兼容开关电源,该电源采用改进滤波器和吸收变压器等限制高频辐射并且能够抑制其它电磁干扰,从而极大地提高了电源的电磁兼容性。经仿真证明其性能良好 。关键词 :开关电源 ;电磁兼容性;电磁干扰 ;滤波技术
2、 ;变压器中图分类号: T M13 文献标识码 : BElectromagnetic Com patibility D esign of Sw itched Power SupplyZHU M ing2jie(Zhujiang Institute of South China Agricultural University, Conghua 510900, China)Abstract:The characteristic andmain reas ons of noise produced the s witched power supply are first analyzed . The
3、n as witched power supply with electromagneticcompatibility is presented . The power supply usesmodified filters and abs orp2tion transfor mers to lim it, high2frequency radiation and can control other electromagnetic intereference,thus increasinge2lectromagnetic compatibility of the power supply. T
4、he si mulation proves that its performance is good .Key words:s witched power supply; E MC; EM I; filter technol ogy; transf ormer1 引言开关电源具有体积小、 重量轻、效率高的优点,且市场上已有成品开关电源集成控制模块,使电源设计、调试简化许多 ,在大多数电子设备(如计算机、电视机及各种控制系统 )中得到了广泛的应用。 然而 ,开关电源自身会产生较强的电磁干扰( E M I) 。这些电磁干扰随着开关电源开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强,经传导和辐射会污染周
5、围电磁环境,对通信设备和电子仪器造成干扰 ,影响周围电子设备的正常运行。例如 ,当电磁干扰窜入到计算机中,会引起计算机死机、 数据处理系统出错、 控制系统失灵、 产生误动作等。因此,只有提高开关电源的电磁兼容性,才能使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求的场合下被采用。随着电子产品的电磁兼容性 (E MC)日益受到重视,减少和抑制开关电源的电磁辐射 ,提高电子产品的质量,使之符合有关E MC标准或规范 ,已成为开关电源设计者的一个重要课题。2 开关电源E M I的特点开关电源功率变换器中功率半导体器件的开关频率通常较高,功率开关器件在高频下的通、 断过程中不可避免地要产生强大的E M I。与
6、数字电路相比,开关器件功率大,但频率不太高,所以开关电源E M I呈现出鲜明的特点:(1)开关电源E M I干扰源的位置较为清楚,主要集中在功率开关器件、 二极管以及与之相连的散热器和高频变压器上;(2)由于它是工作于开关状态的能量转换装置,其电压 、 电流变化率很高,产生的干扰强度较大;(3)印刷线路板( PCB)走线通常采用手工布置,具有很大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预估的难度;(4)开关频率不高(从几万Hz到数兆Hz) ,主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。3 开关电源产生噪声的原因开关电源将普通电直接整流滤波成为直流高压,然后通过晶体管逆变器转换成低电压的高频交流
7、电压 ,再经过整流和滤波变成所需要的直流低电压,结构如图 1所示 。开关电源产生E M I的因素较多,因为开02电气开关 (2009. No. 6)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/关电源内部的功率开关管、 整流或续流二极管及主功率变压
8、器在高电压、 大电流及高频开关的方式下工作,其电压电流波形多为方波,所以在高压大电流的方波切换过程中,方波电压电流会产生丰富的谐波电压及谐波电流 。这些谐波电压及谐波电流可通过电源输入线或开关电源的输出线传出,对同一电网上供电的其它设备及电网产生干扰。图1 开关电源结构框图开关电源中EM I发射的主要能量属离散频谱,但也含有来自输入电源的部分连续频谱。它还在设备的电路中产生感应电压,成为产生误动作的重要原因。电源设备本身在开关动作时,都会在该设备输入端出现终端噪声,产生干扰辐射,并可能干扰其它设备。另外 ,若设计时考虑不周,元器件也会成为电磁干扰源。例如电线和电缆(等效电路是感性发射天线)、
9、连接器 、 冷却用风扇电机、 开关 、 继电器 、 电磁线圈以及处于高频高压状态下的晶体管BTR (或功率 MOSFET)和二极管 ,如果这些器件在工作时端电压时间变化率dv/dt或电流时间变化率di/dt很大 ,就更容易产生E M I能量 。由于电压差可以产生电场,电流的流动可以产生磁场 ,丰富的谐波电压电流的高频部分,在开关电源内部就会产生电磁场,造成开关电源内部工作的不稳定,使电源的性能降低。而且部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙,向周围空间辐射,与通过电源线、 直流输出线产生的辐射电磁场,一起通过空间传播的方式,对其它高频及对电磁场比较敏感的设备造成干扰,引起这些设备工作异常。由于开关电
10、源中的二极管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流,通过高频变压器、 储能电感线圈和导线以及系统结构等若干因素的影响,基本整流器产生电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生尖峰电压干扰。基本整流器的整流过程常会引起电磁干扰 。因为正弦波通过整流器后不再是单一频率的电流 ,而是变成单向脉动电源,此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。较高的谐波 (特别是高次谐波)会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰,一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变,另一方面通过电源线产生射频干扰,使接收机等产生噪声。变压器型功率转换电路是实现变压,变频以及完成输出电压调整的部件,是开关稳压电源
11、的核心,主要由开关管和高频变压器组成。它产生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲,其频带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是:(1)开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感 。在开关管导通的瞬间,变压器初级出现很大的电流 ,它在开关管过激励较大时,将造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实际上是尖冲,轻者造成干扰,重者有可能击穿开关管。(2)由高频变压器产生的干扰。当原来饱和的开关管关断时,变压器的漏感所产生的反电势eL= -Ldi/dt,其值与集电极的电流变化率( di/dt)成正比 ,与漏感量成正比,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰 ,不但影响变压器的初级,还会传导至配电系统,影响其它
12、用电设备的安全和正常运行。这是因为开关管从Ton转换到Toff时 ,由于变压器的漏磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,储藏在漏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振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰 。这种电源电压中断会产生与变压器初级接通时一样的磁化冲击电流瞬变,它是一种传导性电磁干扰,不但影响变压器的初级,还会使干扰传导返回配电系统 ,造成电网谐波电磁干扰,影响其它用电设备的安全和经济运行。(3)由输出整流二极管产生的干扰。在输出整流二极管截止时,有一个反向电流,它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管为硬恢
13、复特性二极管,这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下,将产生较强的高频干扰 ,其频率可达几十MHz。4 开关电源的电磁兼容设计抑制开关电源干扰的基本手段有屏蔽、 接地处理 、输入输出滤波器、 改良电路等多种形式。本文采用了改良电路,采用吸收变压器以抑制分布电容的危害,降低高频噪声辐射;采用滤波电路等措施提高电源的抗干扰能力,从整体上提高了开关电源的电磁兼容性,使它在复杂的电磁环境下能够稳定运行。411滤波器的设计电源线是电磁干扰( E M I)出入电子设备的一个重12 电气开关(2009. No. 6)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -
14、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/要途径 ,在设备电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径。本电源采用了改进的滤波器 ,如图 2所示 。与普通滤波器相比,增加了差模扼流圈 、 地线扼流圈以及瞬态抑制器(VDR ) ,同时在开关电源入口端用磁环套在引线端,这样可以有效地抑制共模、 差模干扰 。图2 改进
15、的滤波器412逆变器设计逆变器是开关电源产生电磁辐射的主要器件,在高频下逆变器的简化等效电路如图3所示 。图3 等效电路绕组间的分布电容C12使变压器初次级产生耦合,使初级高频噪声耦合到次级;分布电容C1、C2使变压器内部和主回路中产生高频的振荡环流,使变压器功率损耗增大,并且产生高频电磁辐射。在变压器设计中,绝缘材料的选择和绕制应尽量减小各部分的分布电容,并通过在初次极之间加一屏蔽层将C12降为零 。由于高压电源变压器是升压型的,分布电容C1相对于C2对电路影响较小。为了减小次级分布电容C2的危害 ,把变压器次级设计成双绕组,用吸收变压器把绕组间分布电容的谐振能量转移到主电路之外,见图 4。
16、等效电路如图5所示 ,由于吸收变压器的存在,相当于在电容C2两端各加了一个电阻,使电流尖峰减小 ,电路处于阻尼状态,从而减小了电磁辐射。图4变压器绕组结构图5加吸收电阻变压器的等效电路当C2= 1nF、Ls= 15H、U1为f = 50kHz, 幅值为150V正负方波时,利用PSPICE仿真软件对变压器等效电路进行仿真分析。当Rs= 1 时 ,电流ic2波形如图 6所示 。当Rs= 1000 时 ,电流ic2的波形如图7所示 。可见吸收变压器大大降低了主电路环流的振荡电流峰值 ,使谐振电感与分布电容处于阻尼状态,减小了电磁辐射 。图6Rs= 1 时ic2电流波形 图7Rs= 1000时ic2电
17、流波形5 结束语在开关电源中,抑制EM I信号和高次谐波的方式还有许多,如选用开关速度高的半导体器件,合理设计制作印刷电路板,对电路板上元器件进行抗干扰布局以及各种电源线、 信号线的捆扎、 配置等都能抑制电磁干扰 。因此 ,全面抑制开关电源的各种噪声会大大提高开关电源的电磁兼容性,使开关电源得到更广泛的应用 。参考文献 1张晓林,李青侠.高频开关电源EMC设计 J .电视技术, 2004(08) : 40 - 41, 59. 2姜建国.开关电源中的电磁干扰问题 J .电源世界, 2002 ( 11) :59 - 65. 3钱照明.开关电源的E MC设计 J.电源世界,2002 (3) : 46
18、 - 50. 4朱文立.开关电源的电磁骚扰抑制技术 J.电子质量, 2002 ( 9) :91 - 93. 5Bowes S R, B ird B M. Novel approach to the analysis and synthesisofmodulation processesin power convertors J . proc .I EE, 1995 ( 5) : 95 -104.6 刘鹏程,邱杨.电磁兼容原理及技术M .北京:高等教育出版社,1999: 19 - 23. 7黄永俊,张居敏,胡月来.开关电源可靠性的设计 J.农机化研究, 2005 (2) : 147 - 148.
19、 8涂勇.通信电源子系统E M I滤波器设计方法 J .电磁兼容与电磁干扰抑制技术,2003 (6) : 1 - 2. 9刘建斌,孙军,田智会.电磁兼容与电路板的可靠性设计 J.电子工艺技术,2006, 27 (5) : 281 - 284.收稿日期 : 2009 - 03 - 10作者简介 :朱明杰 , (1979 - ) ,男 ,讲师 ,研究方向 : 电路与系统 。22电气开关 (2009. No. 6)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -