開(kāi)關(guān)電源中電磁干擾的產(chǎn)生及其抑制

 1、引言

    電磁兼容EMC是英文electromagneticcompatibility的縮寫(xiě)。它包括兩層含義，一是設(shè)備在工作中產(chǎn)生的電磁輻射必須限制在一定水平內(nèi)，二是設(shè)備本身要有一定的抗干擾能力，它必須具備三個(gè)要素：干擾源、耦合通道、敏感體。給電子線(xiàn)路供電的開(kāi)關(guān)電源對(duì)于干擾的抑制對(duì)保證電子系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文通過(guò)分析開(kāi)關(guān)電源中的干擾源和耦合通道，提出了抑制干擾的有效措施。并提出了開(kāi)關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)和制作方法。

    2、開(kāi)關(guān)電源中的干擾源和耦合通道

    開(kāi)關(guān)電源首先將工頻交流電整流為直流電，然后經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管的控制變?yōu)楦哳l，最后經(jīng)過(guò)整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓，因此，自身含有大量的諧波干擾。同時(shí)，由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰，都會(huì)產(chǎn)生不同程度的電磁干擾。開(kāi)關(guān)電源中的干擾主要集中在電壓、電流變化大（即dv/dt或di/dt很大）的元器件上，尤其是開(kāi)關(guān)管、輸出二極管和高頻變壓器等。同時(shí)，雜散電容會(huì)將電網(wǎng)的噪聲傳導(dǎo)到電子系統(tǒng)的電源而對(duì)電子線(xiàn)路的工作產(chǎn)生干擾。

    這里我們來(lái)分析一下幾種干擾產(chǎn)生的原因及其耦合的路徑。

    2.1輸出整流濾波電路產(chǎn)生的濾波干擾開(kāi)關(guān)電源輸出端普遍采用橋式整流，電容濾波電路。由于整流二極管的非線(xiàn)性和濾波電容的儲(chǔ)能作用，使得輸出電流成為一個(gè)時(shí)間很短、峰值很高的周期性尖峰電流，如圖1所示。這種畸變的輸入電流，它除了基波外，還含有豐富的高次諧波分量。

    2.2開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的干擾

    如圖2a所示開(kāi)關(guān)電路的核心也是主要的干擾源之一，它主要由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成。開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生的dv/dt具有較大的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖干擾產(chǎn)生的主要原因是：

    （1）在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間，變壓器初級(jí)線(xiàn)圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級(jí)線(xiàn)圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間，由于初級(jí)線(xiàn)圈的漏磁通，致使一部分能量沒(méi)有從一次線(xiàn)圈傳輸?shù)蕉尉€(xiàn)圈，儲(chǔ)藏在漏感中的這部分能量將和開(kāi)關(guān)管本身的極間電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷電壓上，形成關(guān)尖峰電壓。這個(gè)噪音聲會(huì)傳導(dǎo)到輸入輸出端，形成傳導(dǎo)干擾。（2）輸出二極管在正向?qū)〞r(shí)，PN接內(nèi)的電荷被積累，二極管加反向電壓時(shí)積累的電荷將消失并產(chǎn)生反向電流。由于二次整流回路中V在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)頻率很高，即由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟臅r(shí)間很短，在短時(shí)間內(nèi)要讓存儲(chǔ)電荷消失就產(chǎn)生反向電流的浪涌。由于直流輸出中的分布電容、分布電感的存在，使因浪涌引起的干擾成為高頻衰減減振蕩。

    （3）高頻變壓器初級(jí)線(xiàn)圈，開(kāi)關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路可能產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。

    如圖2b所示，I1是變壓器初級(jí)線(xiàn)圈電流，I2是二次線(xiàn)圈電流，VDS是開(kāi)關(guān)管漏源極間電壓，VD是二次側(cè)輸出二極管上兩端電壓。開(kāi)關(guān)管關(guān)獨(dú)斷時(shí)產(chǎn)生頻率為f1的干擾，而輸出二極管反向電流引起頻率為f2的干擾。

    2.3干擾的耦合通道

    由于變壓器的初次級(jí)線(xiàn)圈間存在雜散電容，開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的共模干擾通過(guò)變壓器在原副邊相互傳播。相比較而言，差模干擾路徑比較簡(jiǎn)單也易于處理。本文主要介紹共模干擾的產(chǎn)生和抑制。

    3、抑制干擾的措施

    下面就幾種干擾講我們制作開(kāi)關(guān)電源時(shí)的抑制方法。

    3.1電源輸入EMI濾波器在電源進(jìn)線(xiàn)端通常采用如圖3所示電路。該電路對(duì)共模和差模紋波干擾均有較好抑制作用。圖中各元件的作用：

    （1）L，C1，C2用于濾除共模干擾信號(hào)。

    L是共模電感，通常電感量為2MH-33mH左右。

    C1，C2為旁路電容，又稱(chēng)Y電容。電容量要求2200pF左右。電容量過(guò)大會(huì)影響設(shè)備的絕緣性能。（2）C3，C4用于濾除差模干擾信號(hào)。

    C3，C4為電源跨接電容，又稱(chēng)X電容。常用陶瓷電容或聚酯薄膜電容。電容量取0.22μF-0.47μF。3.2開(kāi)關(guān)管和輸出二極管的緩沖電路

    由于開(kāi)關(guān)管和輸出二極管的高速開(kāi)關(guān)引起的干擾，可以通過(guò)增加緩沖電路來(lái)減少。如圖4所示：（1）圖4中C1，R1，D1組成snubber電路，吸收殘存在變壓器漏感中的能量，能夠減少開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓。

    （2）圖4中C2，R2，D2組成開(kāi)關(guān)管緩沖電路，減少開(kāi)關(guān)管的dv/dt，即減少由此產(chǎn)生的干擾。（3）圖4中C3，R3組成輸出二極管的緩沖電路，減少di/dt，另外輸出二極管應(yīng)采用肖特基或者超快速恢復(fù)二極管。

    3.3高頻變壓器的設(shè)計(jì)和制作

    變壓器是開(kāi)關(guān)電源的最關(guān)鍵器件之一。變壓器不僅要設(shè)計(jì)合理，在制作上也很有講究。一個(gè)好的變壓器既要滿(mǎn)足帶負(fù)荷能力，還要能起到較少和抑制干擾的作用。首先應(yīng)根據(jù)輸出負(fù)載的大小選擇變壓器的類(lèi)型和磁芯的型號(hào)。

    確定變壓器的線(xiàn)徑及線(xiàn)數(shù)。依據(jù)bobbin的槽寬并以電流密度6A/mm2為參考，綜合考慮電流的趨膚效應(yīng)，決定變壓器的線(xiàn)徑及線(xiàn)數(shù)。

    根據(jù)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要素，計(jì)算初次級(jí)繞組的電感量，如果是反激式電源還應(yīng)計(jì)算變壓器氣隙的大小，氣隙的大小決定了變壓器的帶負(fù)載能力，同時(shí)也會(huì)影響變壓器漏感的大小。而漏感是產(chǎn)生干擾的一個(gè)重要原因，在滿(mǎn)足帶負(fù)載能力的情況下，漏感以小些為好。

    變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和繞組分配。如圖5，變壓器有兩種常見(jiàn)的繞法：順序繞法和夾層繞法。順序繞法一般漏感為原邊電感量的5%左右，但由于初，次級(jí)只有一個(gè)接觸面，原副邊間雜散電容較小。夾層繞法一般漏感為原邊電感量的1-3%左右，但由于初，次級(jí)只有一個(gè)接觸面，原副邊間雜散電容較大。漏感是產(chǎn)生干擾的重要因素，原副邊間雜散電容是干擾的傳播通道，為抑制干擾，既要減少漏感又要減小漏感原副邊間雜散電容。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮這兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體采用何種繞法應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況而定。

    變壓器的屏蔽層。在EMI干擾較強(qiáng)的情況下，常在變壓器的初次級(jí)之間加入一層屏蔽層，如圖6，通過(guò)加入屏蔽層切斷了初次級(jí)間雜散電容的路徑，讓其都對(duì)地形成電容，其屏蔽效果非常好，可以大為減少EMI，同時(shí)對(duì)于電網(wǎng)串入的瞬態(tài)干擾也有一定的抑制作用。但變壓器的制作工藝和成本都上升。屏蔽層有銅層和繞線(xiàn)層兩種，銅層的效果最佳。

    輸出整流濾波為了增加對(duì)干擾的濾波效果，可以在電源的二次輸出側(cè)加入二級(jí)濾波和一個(gè)共模電感。如圖7所示，L1，C1組成二級(jí)濾波電器，濾除差模干擾；L2是輸出共模電感，濾除輸出電壓中所含有的共模干擾。

    3.5PCBLAYOUT應(yīng)注意的問(wèn)題

    布線(xiàn)開(kāi)關(guān)電源中包含有高頻信號(hào)，PCB上任何印制線(xiàn)都可以起到天線(xiàn)的作用，印制線(xiàn)的長(zhǎng)度和寬度會(huì)影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應(yīng)。因此應(yīng)將所有通過(guò)高頻交流的電流和印制線(xiàn)設(shè)計(jì)得盡可能短而寬，這意味著必須將所有連接到印制線(xiàn)和連接到其他電源線(xiàn)的元器件放置的很近。印制線(xiàn)的長(zhǎng)度與其表現(xiàn)出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線(xiàn)的電感量和阻抗成反比。根據(jù)印制線(xiàn)路經(jīng)電流的大小，應(yīng)盡量加粗電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻。

    4、結(jié)束語(yǔ)

    我們?cè)谠O(shè)計(jì)和制作反激式開(kāi)關(guān)電源時(shí)，采用了上述措施，變壓器采用順序繞法帶銅屏蔽層，輸出側(cè)加共模濾波電感后，+5v輸出電壓波形上的毛刺和紋波的峰值都小于60Mv，而在才用這些措施前毛刺和紋波的峰值大于500Mv。通過(guò)比較，我們發(fā)現(xiàn)這些措施確實(shí)能夠?qū)Ω蓴_起到很好的作用。抑制開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的措施還有很多，比如屏蔽技術(shù)、接地等等。在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因數(shù)，盡可能抑制開(kāi)關(guān)電源的各種噪音，提高開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性，使開(kāi)關(guān)電源得到更廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華，單片開(kāi)關(guān)電源北京：電子工業(yè)出版社，2004.[2]張占松，蔡宣三。開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)北京：電子工業(yè)出版社，2004.[3]AbrahamIPressmanSwitchingPowerSupplyDonnelleySonsCommpany，1991.[4]POWERINTEGRATIONS，INC.ApplicationNote.PI，1994.