開關電源電磁干擾抑制方法淺析
高新技術的不斷發展,電子設備的大量使用,電源作為供電部分也越來越受到人們重視。開關電源于其體積小、重量輕、效率高等特點,正逐步取代線性電源,成為電源的主流,但是,其缺點——高頻工作條件下產生電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)——成為不容忽視的問題,阻礙了電源的發展。
EMI 信號占有很寬的頻率范圍,又有一定的幅度,經過在電路、空間中的傳導和輻射,污染了周圍的電磁環境,影響了與其它電子設備的電磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)性。本文就電磁干擾的產生機理進行簡單的介紹,重點總結了幾種近年來提出的抑制開關電源電磁干擾產生及傳播的方法。
2 開關電源電磁干擾的產生機理
開關電源產生的干擾,按噪聲干擾源種類來分,可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。以下按噪聲干擾源來做一說明;
2.1 開關管工作時產生的諧波干擾
功率開關管在導通時流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波,其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時,這種諧波干擾將會很小。另外,功率開關管在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會產生尖峰干擾。
2.2 二極管的反向恢復時間引起的干擾
高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過,在其受反偏電壓而轉向截止時,由于 PN 結中有較多的載流子積累,因而在載流子消失之前的一段時間里,電流會反向流動,致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化(di / dt)。
2.3 交流輸入回路產生的干擾
無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產生干擾。開關電源產生的尖峰干擾和諧波干擾能量,通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導干擾;而諧波和寄生振蕩的能量,通過輸入輸出線傳播時,都會在空間產生電場和磁場。這種通過電磁輻射產生的干擾稱為輻射干擾。
2.4 其他原因
元器件的寄生參數,開關電源的原理圖設計不夠完美,印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布置,具有很大的隨意性,PCB 的近場干擾大,并且印刷板上器件的安裝、放置,以及方位的不合理都會造成 EMI 干擾。
3 開關電源 EMI 的特點
作為工作于開關狀態的能量轉換裝置,開關電源的電壓、電流變化率很高,產生的干擾強度較大,干擾源主要集中在功率開關器件以及與之相關聯的散熱器和高頻變壓器上,開關頻率不高(從幾千赫茲到幾兆赫茲),主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線,具有更大的隨意性,這增加了 PCB 分布參數的提取和近場干擾估計的難度。
4 幾種電磁干擾抑制方法
4.1 調制頻率控制
調制頻率(Modulate Frequency)控制是通過將開關信號的能量調制分布在一個很寬的頻帶上,產生一系列的分立邊頻帶,則干擾頻譜可以展開,干擾能量被分成小份分布在這些分立頻段上,從而實現了對開關電源電磁干擾的抑制。
其主要原理是:將主開關頻率進行調制,在主頻帶周圍產生一系列的邊頻帶,從而將噪聲能量分布在很寬的頻帶上,降低了干擾。這種控制方法的關鍵是對頻率進行調制,使開關能量分布在邊頻的范圍,且幅值受調制系數 β的影響(調制系數 β=Δ f / fm,Δ f 為相鄰邊頻帶間隔,fm 為調制頻率),一般 β 越大調制效果越好。其控制波形如圖 1 所示。
圖 即為一個根據調制頻率原理設計的控制電路。這種控制方法可以在不影響變換器工作特性的情況下,很好地抑制開通、關斷時的干擾。
4.2 無源緩沖電路控制
開關變換器中電磁干擾是在開關管開關時刻產生的。以整流二極管為例,在開通時,其導通電流不僅引起大量的開通損耗,還產生很大的 di / dt,導致電磁干擾;而在關斷時,其兩端的電壓快速升高,有很大的 dv / dt,從而產生電磁干擾。緩沖電路不僅可以抑制開通時的 dv / dt、限制關斷時的 dv / dt,還具有電路簡單、成本較低的特點,因而得到了廣泛應用。但是傳統的緩沖電路中往往采用有源輔助開關,電路復雜不易控制,并有可能導致更高的電壓或電流應力,降低了可*性。因此許多新的無源緩沖器應運而生,以下分別予以總結介紹。
4.2.1 二極管反向恢復電流抑制電路
評論