電子工程師必看！五大開關(guān)電源EMI抑制策略

　　電源開關(guān)因具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、工作穩(wěn) 定、安全可靠以及穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、電子儀器、工業(yè)自動(dòng)控制、國(guó)防及家用電器等領(lǐng)域。但是開關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)較差、易產(chǎn)生電磁 干擾，且EMI信號(hào)占有很寬的頻率范圍，并具有一定的幅度。這些EMI信號(hào)經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)和輻射方式污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子儀器造成干擾，因而在一定程 度上限制了開關(guān)電源的使用。而開關(guān)電源中的干擾源主要集中在電壓、電流變化大，如開關(guān)管、二極管、高頻變壓器等元件，以及交流輸人、整流輸出電路部分。接下來(lái)就說(shuō)下抑制開關(guān)電源電磁干擾的五大措施了↓

　　采用交流輸入EMI濾波器

　　通常干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)有兩種方式：共模方式和差模方式。共模干擾是載流體與大地之間的干擾：干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線 對(duì)大地間，主要是由du/dt產(chǎn)生的，di/dt也產(chǎn)生一定的共模干擾。而差模干擾是載流體之間的干擾：干擾大小相等、方向相反，存在于電源相線與中線及 相線與相線之間。干擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)既可以共模方式出現(xiàn)，也可以差模方式出現(xiàn);但共模干擾電流只有變成差模干擾電流后，才能對(duì)有用信號(hào)構(gòu)成干擾。

　　交流電源輸人線上存在以上兩種干擾，通常為低頻段差模干擾和高頻段共模干擾。在一般情況下差模干擾幅度小、頻率低、造成的干擾小;共模干擾幅度大、頻率高， 還可以通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，造成的干擾較大。若在交流電源輸人端采用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器，則可有效地抑制電磁干擾。電源線EMI濾波器基本原理如圖1所示， 其中差模電容C1、C2用來(lái)短路差模干擾電流，而中間連線接地電容C3、C4則用來(lái)短路共模干擾電流。共模扼流圈是由兩股等粗并且按同方向繞制在一個(gè)磁芯 上的線圈組成。如果兩個(gè)線圈之間的磁藕合非常緊密，那么漏感就會(huì)很小，在電源線頻率范圍內(nèi)差模電抗將會(huì)變得很小;當(dāng)負(fù)載電流流過(guò)共模扼流圈時(shí)，串聯(lián)在相線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線和串聯(lián)在中線上線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反，它們?cè)诖判局邢嗷サ窒?因此即使在大負(fù)載電流的情況下，磁芯也不會(huì)飽和。而對(duì)于共模干擾電流，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，會(huì)呈現(xiàn)較大電感，從而起到衰減共模干擾信號(hào)的作用。 這里共模扼流圈要采用導(dǎo)磁率高、頻率特性較佳的鐵氧體磁性材料。

　　圖1 電源線濾波器基本電路圖

　　利用吸收回路改善開關(guān)波形

　　開關(guān)管或 二極管在開通和關(guān)斷過(guò)程中，由于存在變壓器漏感和線路電感，二極管存儲(chǔ)電容和分布電容，容易在開關(guān)管集電極、發(fā)射極兩端和二極管上產(chǎn)生尖峰電壓。通常情況下采用RC/RCD吸收回路，RCD浪涌電壓吸收回路如圖2所示。

　　圖2 RCD浪涌電壓吸收回路

　　當(dāng)吸收回路上的電壓超過(guò)一定幅度時(shí)，各器件迅速導(dǎo)通，從而將浪涌能量泄放掉，同時(shí)將浪涌電壓限制在一定的幅度。在開關(guān)管集電極和輸出二極管的正極引線上串接 可飽和磁芯線圈或微晶磁珠，材質(zhì)一般為鈷（Co），當(dāng)通過(guò)正常電流時(shí)磁芯飽和，電感量很小。一旦電流要反向流過(guò)時(shí)，它將產(chǎn)生很大的反電勢(shì)，這樣就能有效地 抑制二極管VD的反向浪涌電流。

　　利用開關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)　

　　頻率控制技術(shù)是基于開關(guān)干擾的能量主要集中在特定的頻率上，并具有較大的頻譜峰值。如果能將這些能量分散在較寬的頻帶上，則可以達(dá)到降低于擾頻譜峰值的目的。通常有兩種處理方法：隨機(jī)頻率法和調(diào)制頻率法。

　　隨機(jī)頻率法是在電路開關(guān)間隔中加人一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)分量，使開關(guān)干擾能量分散在一定范圍的頻帶中。研究表明，開關(guān)干擾頻譜由原來(lái)離散的尖峰脈沖干擾變成連續(xù)分布干擾，其峰值大大下降。

　　調(diào)制頻率法是在鋸齒波中加人調(diào)制波（白噪聲），在產(chǎn)生干擾的離散頻段周圍形成邊頻帶，將干擾的離散頻帶調(diào)制展開成一個(gè)分布頻帶。這樣，干擾能量就分散到這些分布頻段上。在不影響變換器工作特性的情況下，這種控制方法可以很好地抑制開通、關(guān)斷時(shí)的干擾。

　　采用軟開關(guān)技術(shù)開關(guān)電源的干擾之一是來(lái)自功率開關(guān)管通/斷時(shí)的du/dt，因此，減小功率開關(guān)管通/斷的du/dt是抑制開關(guān)電源干擾的一項(xiàng)重要措施。而軟開關(guān)技術(shù)可以減小開關(guān)管通/斷的du/dt。

　　如果在開關(guān)電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)很小的電感、電容等諧振元件就構(gòu)成輔助網(wǎng)絡(luò)。在開關(guān)過(guò)程前后引人諧振過(guò)程，使開關(guān)開通前電壓先降為零，這樣就可以消除開通過(guò)程中電壓、電流重疊的現(xiàn)象，降低、甚至消除開關(guān)損耗和干擾，這種電路稱為軟開關(guān)電路。

　　根據(jù)上述原理可以采用兩種方法，即在開關(guān)關(guān)斷前使其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生損耗和干擾，這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷;或在開關(guān)開通前使其電壓為 零，則開關(guān)開通時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生損耗和干擾，這種開通方式稱為零電壓開通。在很多情況下，不再指出開通或關(guān)斷，僅稱零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)，基本電路如圖3和圖4所示。

　　通常采用軟開關(guān)電路控制技術(shù)，結(jié)合合理的元器件布局及印制電路板布線、接地技術(shù)，對(duì)開關(guān)電源的EMI干擾具有一定的改善作用。采用電磁屏蔽措施一般采用電磁屏蔽措施都能有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。開關(guān)電源的屏蔽措施主要是針對(duì)開關(guān)管和高頻變壓器而言。開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，需要給 它裝散熱片，從而使開關(guān)管的集電極與散熱片間產(chǎn)生較大的分布電容。因此，在開關(guān)管的集電極與散熱片間放置絕緣屏蔽金屬層，并且散熱片接機(jī)殼地，金屬層接到 熱端零電位，減小集電極與散熱片間藕合電容，從而減小散熱片產(chǎn)生的輻射干擾。

　　針對(duì)高頻變壓器，首先應(yīng)根據(jù)導(dǎo)磁體屏蔽性質(zhì)來(lái)選擇導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)，如用罐型鐵芯和 El型鐵芯，則導(dǎo)磁體的屏蔽效果很好。變壓器外加屏蔽時(shí)，屏蔽盒不應(yīng)緊貼在變壓器外面，應(yīng)留有一定的氣隙。如采用有氣隙的多層屏蔽物時(shí)，所得的屏蔽效果會(huì) 更好。另外，在高頻變壓器中，常常需要消除初、次級(jí)線圈間的分布電容，可沿著線圈的全長(zhǎng)，在線圈間墊上銅箔制成的開路帶環(huán)，以減小它們之間的禍合，這個(gè)開 路帶環(huán)既與變壓器的鐵芯連接，又與電源的地連接，起到靜電屏蔽作用。如果條件允許，對(duì)整個(gè)開關(guān)電源加裝屏蔽罩，那樣就會(huì)更好地抑制輻射干擾。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　隨著開關(guān)電源的體積越來(lái)越小、功率密度越來(lái)越大，EMI控制問(wèn)題成為開關(guān)電源穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。由上述分析可知，采用EMI濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、密封 技術(shù)及接地技術(shù)等，可以有效地抑制、消除干擾源及受擾設(shè)備之間的禍合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑，從而提高開關(guān)電源的電磁兼容性。
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