开关电源电磁干扰及抑制
电磁兼容( Elect ro Magnet ic Compat ibility, 简称EMC) 是指电子设备或系统在其电磁环境能正常工作, 且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。它包括电磁干扰( EMI ) 和电磁敏感( EMS) 两方面的内容。EMI 是指电器产品向外发出干扰。EMS 是指电器产品抵抗电磁干扰的能力。一台具备良好电磁兼容性的设备应既不受周围电磁噪声的影响, 也不对周围环境造成电磁干扰。电磁干扰的三个要素是干扰源、耦合通道和敏感体。抑制开关电源产生的干扰对保证电子系统的正常稳定运行具有十分重要的意义, 电磁干扰的抑制技术主要包括削弱干扰的能量, 隔离和减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁骚扰的抵抗能力等。本文分析了开关电源电磁干扰产生原因, 介绍了开关电源电磁干扰抑制技术及设计方法。
1开关电源电磁干扰的产生
开关电源通常是将工频交流电整流为直流电, 然后经过开关管的控制使其变为高频, 再经过整流滤波电路输出, 得到稳定的直流电压。工频整流滤波使用大容量电容充、放电, 开关管高频通断, 输出整流二极管的反向恢复等工作过程中产生了极高的di/dt和du/dt,形成了强烈的浪涌电流和尖峰电压, 它是开关电源电磁干扰产生的最基本原因。另外, 开关管的驱动波形, MOSFET漏源波形等都是接近矩形波形状的周期波。因此, 其频率是MHz 级别的, 这些高频信号对开关电源的基本信号, 特别是控制电路的信号造成干扰。
1.1输入整流电路的谐波干扰
开关电源输入端通常采用桥式整流、电容滤波电路。整流桥只有在脉动电压超过输入滤波电容上的电压时才能导通, 电流才从市电电源输入, 并对滤波电容充电。一旦滤波电容上的电压高于市电电源的瞬时电压, 整流管便截止。所以, 输入电路的电流是脉冲性质的, 并且有着丰富的高效谐波电流。这是因为整流电路的非线性特性, 整流桥交流侧的电流严重失真。
而直流侧的谐波次数是n 倍。所以, 整流电路直流侧高频谐波电流不仅使电路产生功率, 增加电路的无功功率, 而且高频谐波会沿着传输线路产生传导干扰和辐射干扰。
1.2开关电路产生的干扰
开关电路在开关电源中起着关键的作用, 同时也是主要的干扰源之一。开关管负载为高频变压器初级线圈, 是感性负载。其在导通瞬间, 初级线圈产生很大的涌流, 并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压; 在断开瞬间, 由于初级线圈的漏磁通, 致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈, 储藏在电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震荡, 叠加在关断电压上, 形成关断电压尖峰。如果尖峰有足够高的幅度, 那么很有可能把开关管击穿。
1.3高频变压器产生的共模传导骚扰
高频变压器是开关电源中实现能量储存、隔离、输出、电压变换的重要部件, 它的漏感和分布电容对电路的电磁兼容性能产生较大的影响。由于初级线圈有漏磁通, 致使一部分能量没有传输到次级线圈, 而是通过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, 产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变, 这个噪声会传导到输入、输出端, 形成传导骚扰, 重者有可能击穿开关管。另外, 高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射,形成辐射骚扰。
在开关电源的调频变压器初次级之间存在着分布电容。用一个装置电容( 装置对地的分布电容) 来与整个开关电源等效, 就形成了干扰通道。共模干扰通过变压器的耦合电容, 经过装置电容再返回大地, 就得到一个由变压器耦合电容与装置电容构成的分压器。脉冲变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射, 形成辐射骚扰。
1.4分布及寄生参数引起的开关电源噪声
开关电源的分布参数是多数干扰的内在因素, 开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初次级之间的分布电容、原副边的漏感都是噪声源。共模干扰就是通过变压器初、次级之间的分布电容以及开关电源与散热器之间的分布电容传输的。其中变压器绕组的分布电容与高频变压器绕组结构、制造工艺有关。开关电源与散热器之间的分布电容与开关管的结构以及开关管的安装方式有关。采用带有屏蔽的绝缘衬垫可以减小开关管与散热器之间的分布电容。
在高频工作下的元件都有高频寄生特性, 对其工作状态产生影响。高频工作时导线变成了发射线、电容变成了电感、电感变成了电容、电阻变成了共振电路, 当频率过高时各元件的频率特性产生了相当大的变化。为了保证开关电源在高频工作时的稳定性, 设计开关电源时要充分考虑元件在高频工作时的特性,选择使用高频特性比较好的元件。另外, 在高频时, 导线寄生电感的感抗显著增加, 由于电感的不可控性, 最终使其变成一根发射线, 也就成为了开关电源中的辐射干扰源。
2抑制电磁干扰的措施
开关电源存在着共模干扰和差模干扰两种电磁干扰形式。根据前面分析的电磁干扰源, 结合它们的耦合途径, 可以从EMI 滤波器、吸收电路、接地和屏蔽等几个方面来抑制干扰, 把电磁干扰衰减到允许限度之内。
2.1交流输入EMI 滤波器
滤波是一种抑制传导干扰的方法, 在电源输入端接上滤波器可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害, 也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元, 在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。电源进线端通常采用如图1 所示的EMI 滤波器电路。该电路可以有效地抑制交流电源输入端的低频差模骚扰和高频段共模骚扰。在电路中, 跨接在电源两端的差模电容Cx1、Cx2 ( 亦称X 电容) 用于滤除差模干扰信号, 一般采用陶瓷电容器或聚脂薄膜电容器, 电容值通常取0.1~ 0. 47F。而中间连线接地的共模电容Cy1和Cy2 ( 亦称Y 电容) 则用来短路共模噪声电流, 取值范围通常为C1=C2 # 2 200 pF。抑制电感L1、L2 通常取100~ 130H, 共模扼流圈L 是由两股等同并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成, 通常要求其电感量L#15~ 25 mH。当负载电流渡过共模扼流圈时, 串联在火线上的线圈所产生的磁力线和串联在零线上线圈所产生的磁力线方向相反, 它们在磁芯中相互抵消。因此, 即使在大负载电流的情况下, 磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流, 两个线圈产生的磁场是同方向的, 会呈现较大电感, 从而起到衰减共模干扰信号的作用。
2.2利用吸收电路
开关电源产生EMI 的主要原因是电压和电流的急剧变化, 因而需要尽可能地降低电路中电压和电流的变化率( du/ dt 和di/ dt ) 。采取吸收电路能够抑制EMI, 其基本原理就是在开关关断时为其提供旁路, 吸收积蓄在寄生分布参数中的能量, 从而抑制干扰的发生。可以在开关管两端并联如图2( a) 所示的RC 吸收电路, 开关管或二极管在开通和关断过程中, 管中产生的反向尖峰电流和尖峰电压, 可以通过缓冲的方法予以克服。缓冲吸收电路可以减少尖峰电压的幅度和减少电压波形的变化率, 这对于半导体器件使用的安全性非常有好处。与此同时, 缓冲吸收电路还降低了射频辐射的频谱成份, 有益于降低射频辐射的能量。箝位电路主要用来防止半导体器件和电容器被击穿的危险。兼顾箝位电路保护作用和开关电源的效率要求,TVS 管的击穿电压选择为初级绕组感应电压的1. 5倍。当TVS 上的电压超过一定幅度时, 器件迅速导通, 从而将浪涌能量泄放掉, 并将浪涌电压的幅值限制在一定的幅度。在开关管漏极和输出二极管的正极引线上可串联带可饱和磁芯线圈或微晶磁珠, 材质一般为钴, 当通过正常电流时磁芯饱和, 电感量非常小。一旦电流要反向流过时, 它将产生非常大的反电势, 这样就能有效地抑制二极管的反向浪涌电流。
2.3屏蔽措施
抑制辐射噪声的有效方法就是屏蔽。可以用导电性能良好的材料对电场进行屏蔽, 用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。为了防止变压器的磁场泄漏, 使变压器初次级耦合良好, 可以利用闭合磁环形成磁屏蔽,如罐型磁芯的漏磁通就明显比E 型的小很多。开关电源的连接线, 电源线都应该使用具有屏蔽层的导线,尽量防止外部干扰耦合到电路中。或者使用磁珠、磁环等EMC 元件, 滤除电源及信号线的高频干扰。但是, 要注意信号频率不能受到EMC 元件的干扰, 也就是信号频率要在滤波器的通带之内。整个开关电源的外壳也需要有良好的屏蔽特性, 接缝处要符合EMC规定的屏蔽要求。通过上述措施保证开关电源既不受外部电磁环境的干扰也不会对外部电子设备产生干扰。
2.4变压器的绕制
在设计高频变压器时必须把漏感减到最小。因为漏感越大, 产生的尖峰电压幅值越高, 漏极箝位电路的损耗就越大, 这必然导致电源效率降低。减小变压器的漏感通常采用减少原边绕组的匝数、增大绕组的宽度、减小各绕组之间的绝缘层等措施。
变压器主要的寄生参数为漏感、绕组间电容、交叉耦合电容。变压器绕组间的交叉耦合电容为共模噪声流过整个系统提供了通路。
在变压器的绕制过程中采用法拉第屏蔽来减小交叉耦合电容。法拉第屏蔽简单来说就是用铜箔或铝箔包绕在原边绕组和副边绕组之间, 形成一个表面屏蔽层隔离区, 并接地, 其中原边绕组和副边绕组交错绕制, 以减小交叉耦合电容。在安装规程上一般要求散热器接地, 那么开关管漏极与散热器之间的寄生电容就为共模噪声提供了通路, 可以在漏极和散热器之间加一铜箔或铝箔并接地以减小此寄生电容。
2.5接地技术的应用
开关电源需要重视地线的连接, 地线承担着参考电平的重任, 特别是控制电路的参考地, 如电流检测电阻的地电平和无隔离输出的分压电阻的地电平。
( 1) 设备的信号接地。设备的信号接地, 可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点,它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。如浮地和混合接地, 另外还有单点接地和多点接地。
( 2) 设备接大地。在工程实践中, 除认真考虑设备内部的信号接地外, 通常还将设备的信号地, 机壳与大地连在一起, 以大地作为设备的接地参考点。
控制信号的地电平衰减应尽可能的小, 因此, 采用控制部分一点接地, 然后将公共连接点再单点接至功率地。这种接地方式可以使噪声源和敏感电路分离。另外, 地线尽量铺宽, 对空白区域可敷铜填满, 力求降低地电平误差和EMI。
在装置中尽量采用表面贴装元器件, 使组装密度更高, 体积更小, 重量更轻, 可靠性更高, 高频特性好,减小电磁和射频干扰。
2.6PCB 元件布局及走线
PCB 中带状线、电线、电缆间的串间是印刷电路板线路中存在最难克服的问题之一[ 7] 。开关电源的辐射骚扰与电流通路中的电流大小、通路的环路面积、以及电流频率的平方的乘积成正比, 因此PCB 的布局设计将直接关系到整机电磁兼容性能。在设计开关电源印制电路板时, 必须从布局及走线的优化设计着手。
( 1) 印制板布线地通常要符合以下原则
1、 输入、输出端用的导线应尽量避免相邻平等。最好加线间地线, 以免发生反馈耦合;
2、 印制板导线尽量采用宽线, 尤其是电源线和地线;
3、 印制导线拐弯处一般采取圆弧形;
4、专用零伏线、电源线的走线宽度(1 mm, 电源线和地线尽可能靠近等。
( 2) 元器件布局时通常要符合以下原则
1、按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置, 使布局便于信号流通, 并使信号尽可能保持一致的方向。
2、 以每个功能电路的核心元件为中心, 围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上, 尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
3、 在高频下工作的电路, 要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平等排列。
4、位于电路板边缘的元器件, 离电路板边缘的距离一般不小于2 mm。
3结束语
开关电源体积越来越小, 功率密度越来越大,EMI/ EMC 问题成为了开关电源稳定性的一个关键因素, 也越来越受到人们的重视。开关电源的电磁兼容控制策略与控制技术方案有很多, 如通过对干扰的传输通道进行抑制、空间进行分离、时间进行分隔、频率管理、电气隔离等。在开关电源设计时只有综合运用各种电磁干扰抑制技术才能有效提高开关电源的电磁兼容性, 真正满足各种场合的需要。
