開關電源EMI電磁干擾分析及抑制

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1、開關電源電磁干擾分析及抑制作者：王凡，王志發(fā)布日期:2006-01-0217:00查看數(shù):198出白:互聯(lián)網(wǎng)摘要:開關電源由于本身工作特性使得電磁干擾問題相當突出。從開關電源電磁干擾的模型入手論述了開關電源電磁兼容問題產(chǎn)生的原因及種類，并給出了常用的抑制開關電源電磁干擾的措施、濾波器設計及參數(shù)選擇。關鍵詞：開關電源；電磁干擾；分析與抑制0引言近年來，開關電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)尬性好的優(yōu)點而迅速發(fā)展起來。但是，由于開關電源工作過程屮的高頻率、高d〃dr和高di//dr使得電磁干擾問題非常突出。國內(nèi)己經(jīng)以新的3C認證取代了CCIB和

2、CCEE認證，使得対開關電源在電磁兼容方血的要求更加詳細和嚴格。如今，如何降低甚至消除開關電源的EMI問題已經(jīng)成為全球開關電源設計師以及電磁兼容(EMC)設計師非常關注的問題。本文討論了開關電源電磁干擾形成的原因以及常川的EMI抑制方法。1開關電源的干擾源分析開關電源產(chǎn)住電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產(chǎn)生的髙did和髙dv/df,它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。工頻整流濾波使用的大電容充電放電、開關管高頻工作時的電壓切換、輸出整流二極管的反向恢復電流都是這類干擾源。開關電源屮的電壓電流波形大多為接近矩形的周期波，比如

3、開關管的驅(qū)動波形、MOSFET漏源波形等。對于矩形波，周期的倒數(shù)決定了波形的某波頻率;兩借脈沖邊緣上升時間或下降時間的倒數(shù)決定了這些邊緣引起的頻率分竝的頻率值，典型的值在MHz范圍，而它的諧波頻率就更高了。這些高頻信號都對開關電源基本信號，尤其是控制電路的信號造成下擾。開關電源的電磁噪聲從噪聲源來說可以分為兩大類。一?類是外部噪聲，例如，通過電網(wǎng)傳輸過來的共模和茅模噪聲、外部電磁輻射對開關電源控制電路的干擾等。另一類是開關電源口身產(chǎn)牛-的電磁噪聲，如開關管和整流管的電流尖峰產(chǎn)生的諧波及電磁輻射干擾。如圖1所示，電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲

4、對開關電源產(chǎn)生干擾，開關電源在受到電磁干擾的同時也対電網(wǎng)其他設備以及負載產(chǎn)生電磁干擾(如圖屮的返回噪聲、輸出噪聲和輜射干擾)。進行開關電源EMI/EMC設計時一方面要防止開關電源對電網(wǎng)和附近的電子設備產(chǎn)生干擾，另一方面要加強開關電源本身對電磁騷擾環(huán)境的適應能力。下面具體分析開關電源噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。翩十干北/?//////////ZZ/ZZ////////////圖1開關電源噪聲類型圖1.1電源線引入的電磁噪聲電源線噪聲是電網(wǎng)中各種川電設備產(chǎn)生的電磁躲擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、羌模干擾。共模干擾(Co

5、mmon-modeInterference)定義為任何載流導體與參考地之間的不希望有的電位差;差模干擾(Differential-modeInterference)定義為任何兩個載流導體Z間的不希望有的電位差。兩種干擾的等效電路如圖2[1]所示。圖中為變壓器初、次級Z間的分布電容，Cr2為開關電源與散熱器Z間的分布電容(即開關管集電極與地之間的分布電容)。ACN-X(a)共模干擾(b)差模干擾圖2兩種干擾的等效電路如圖2(a)所示，開關管V1由導通變?yōu)榻刂範顟B(tài)時，其集電極電壓突升為高電壓，這個電壓會引起共模電流/頤2向Cp2充電和共模電

6、流/end向Cpi充電,分布電容的充電頻率即開關電源的工作頻率。則線路中共模電流總大小為(人訕+/呦2)。如圖2(b)所示，當力導通時，差模電流/師和信號電流加沿著導線、變壓器初級、開關管組成的回路流通。由等效模型可知,共模干擾電流不通過地線，而通過輸入電源線傳輸。而差模干擾電流通過地線和輸入電源線回路傳輸。所以，我們設置電源線濾波器時要考慮到差模干擾和共模干擾的區(qū)別，在其傳輸途徑上使用差?；蚬材V波元件抑制它們的干擾，以達到最好的濾波效杲。1.2輸入電流畸變造成的噪聲開關電源的輸入普遍釆用橋式整流、電容濾波型整流電源。如圖3所示，在沒

7、有PFC功能的輸入級，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲能作用，使得二極管的導通角變小，輸入電流i成為一個時間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。這種畸變的電流實質(zhì)上除了包含基波分量以外還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波分量注入電網(wǎng)，引起嚴重的諧波污染，對電網(wǎng)上英他的電器造成干擾。為了控制廿關電源對電網(wǎng)的污染以及實現(xiàn)高功率因數(shù)，PFC電路是不町或缺的部分。圖3未加PFC電路的輸入電流和電壓波形1.3開關管及變壓器產(chǎn)生的干擾主開關管是開關電源的核心器件，同時也是干擾源。其工作頻率玄接與電磁F?擾的強度和關。隨看開關管的工作頻率升高,開關

8、管電壓、電流的切換速度加快,其傳導于擾和輻射十擾也隨Z增加。此外，主開關管上反并聯(lián)的鉗位二極管的反向恢復特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當也會造成電磁干擾。開關電源工作過程中，山初級濾波大電容、高