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浅谈开关电源模块的电磁兼容性

导读: 本文详细分析了隔离式DC/DC变换器存在的电磁干扰源及其产生机理,并详细介绍了针对其主电路和控制电路的电磁兼容设计方法,这些方法对其它电子产品的电磁兼容设计具有一定的指导作用。

  随着电力电子技术的发展,开关电源模块因其相对体积小、效率高、工作可靠等优点开始取代传统整流电源而被广泛应用到社会的各个领域。但由于开关电源工作频率高,内部产生很快的电流、电压变化,即dv/dt和di/dt,导致开关电源模块将产生较强的谐波干扰和尖峰干扰,并通过传导、辐射和串扰等耦合途径影响自身电路及其它电子系统的正常工作,当然其本身也会受到其它电子设备电磁干扰的影响。这就是所讨论的电磁兼容性问题,也是关于开关电源电磁兼容的电磁骚扰EMD与电磁敏感度EMS设计问题。由于国家开始对部分电子产品强制实行3C认证,因此一个电子设备能否满足电磁兼容标准,将关系到这一产品能否在市场上销售,所以进行开关电源的电磁兼容性研究显得非常重要。

  电磁兼容学是一门综合性学科,它涉及的理论包括数学、电磁场理论、天线与电波传播、电路理论、信号分析、通讯理论、材料科学、生物医学等。

  进行开关电源的电磁兼容性设计时,首先进行一个系统设计,明确以下几点:

  1. 明确系统要满足的电磁兼容标准;

  2. 确定系统内的关键电路部分,包括强干扰源电路、高度敏感电路;

  3. 明确电源设备工作环境中的电磁干扰源及敏感设备;

  4. 确定对电源设备所要采取的电磁兼容性措施。

  一、DC/DC变换器内部噪声干扰源分析

  1.二极管的反向恢复引起噪声干扰

  在开关电源中常使用工频整流二极管、高频整流二极管、续流二极管等,由于这些二极管都工作在开关状态,如图所示,在二极管由阻断状态到导通工作过程中,将产生一个很高的电压尖峰VFP;在二极管由导通状态到阻断工作过程中,存在一个反向恢复时间trr,在反向恢复过程中,由于二极管封装电感及引线电感的存在,将产生一个反向电压尖峰VRP,由于少子的存储与复合效应,会产生瞬变的反向恢复电流IRP,这种快速的电流、电压突变是电磁干扰产生的根源。

  2.开关管开关动作时产生电磁干扰

  在正激式、推挽式、桥式变换器中,流过开关管的电流波形在阻性负载时近似矩形波,含有丰富的高频成分,这些高频谐波会产生很强的电磁干扰,在反激变换器中,流过开关管的电流波形在阻性负载时近似三角波,高次谐波成分相对较少。开关管在开通时,由于开关时间很短以及逆变回路中引线电感的存在,将产生很大的dV/dt突变和很高的尖峰电压,在开关管的关断时,由于关断时间很短,将产生很大的di/dt突变和很高的电流尖峰,这些电流、电压突变将产生很强的电磁干扰。

  3.电感、变压器等磁性元件引起的电磁干扰

  在开关电源中存在输入滤波电感、功率变压器、隔离变压器、输出滤波电感等磁性元件,隔离变压器初次级之间存在寄生电容,高频干扰信号通过寄生电容耦合到次边;功率变压器由于绕制工艺等原因,原次边耦合不理想而存在漏感,漏电感将产生电磁辐射干扰,另外功率变压器线圈绕组流过高频脉冲电流,在周围形成高频电磁场;电感线圈中流过脉动电流会产生电磁场辐射,而且在负载突切时,会形成电压尖峰,同时当它工作在饱和状态时,将会产生电流突变,这些都会引起电磁干扰;

  4.控制电路中周期性的高频脉冲信号如振荡器产生的高频脉冲信号等将产生高频高次谐波,对周围电路产生电磁干扰。

  5.此外电路中还会有地环路干扰、公共阻抗耦合干扰,以及控制电源噪声干扰等。

  6.开关电源中的布线设计非常重要,不合理布线将使电磁干扰通过线线之间的耦合电容和分布互感串扰或辐射到邻近导线上,从而影响其它电路的正常工作。

  7.热辐射产生的电磁干扰,热辐射是以电磁波的形式进行热交换,这种电磁干扰影响其它电子元器件或电路的正常稳定工作。

  二、外界的电磁干扰

  对于某一电子设备,外界对其产生影响的电磁干扰包括:电网中的谐波干扰、雷电、太阳噪声、静电放电,以及周围的高频发射设备引起的干扰。

  三、电磁干扰的后果

  电磁干扰将造成传输信号畸变,影响设备的正常工作。对于雷电、静电放电等高能量的电磁干扰,严重时会损坏设备。而对于某些设备,电磁辐射会引起重要信息的泄漏。

  四、开关电源的电磁兼容设计

  了解了开关电源内部及外部电磁干扰源后,我们还应知道,形成电磁干扰机理的三要素是还有传播途径和受扰设备。因此开关电源的电磁兼容设计主要从以下三个方面入手:

  1、减小干扰源的电磁干扰能量;

  2、切断干扰传播途径;

  3、提高受扰设备的抗干扰能力。

  正确了解和把握开关电源的电磁干扰源及其产生机理和干扰传播途径,对于采取何种抗干扰措施以使设备满足电磁兼容要求非常重要。由于干扰源有开关电源内部产生的干扰源和外部的干扰源,而且可以说干扰源无法消除,受扰设备也总是存在,因此可以说电磁兼容问题总是存在。

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