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开关电源的电磁干扰分析

2014-5-28 09:22| 发布者: dzly| 查看: 489| 评论: 0|原作者: 贾金钟

摘要: 开关电源本身的工作机制使得其 容易产生较大的电磁干扰问题,其产 生的干扰信号会对通信系统和电子 设备等造成严重影响。本文首先分析 了开关电源的电磁干扰来源,然后具 体提出了相关的抑制措施,以期为相 关技术人员提供参考。

  与传统的线性稳压电源相比,开关电源具有效率高、能耗小、稳压能力强、质量体积小等优点,在通信、计算机外围设备、家用电器、自动控制等行业都获得了良好的工作效果。然而,由于开关电源属于高频开关,其工作时会产生较高的电压和电流,因此会形成较强的电磁干扰。电磁干扰拥有较高的频率和幅度,不仅会造成电力系统污染,其形成的辐射空间还会引起其他设备的污染。因此,加强有关开关电源的电磁干扰分析研究,对于提高开关电源的使用质量和寿命具有重要意义。
  1 开关电源电磁干扰来源
  开关电源工作过程中产生的尖峰电压和浪涌电流是开关电源产生电磁干扰的主要原因。输出整流二极管的反向恢复电流、开关管高频工作时的电压切换和工频整流滤波运用的大电容充电放电装置等都是电磁干扰的主要来源。开关电源的电磁噪声根据来源可以分为两类:一类是开关电源工作时产生的电磁噪声,比如整流管和开关管等的电流尖峰引起的电磁辐射干扰和谐波干扰;另一类是开关电源控制电路受到的外部电磁辐射的干扰、电网传输过程中的差模和共模噪声等外部噪声。电网传输过程中的差模和共模噪声类型如图1 所示:
  1.1 变压器和开关管引起的干扰
  开关电源运行过程中会由高频变压器初级线圈、初级滤波大电容和开关管等形成一个高频电流环路,此环路会引起强烈的辐射噪声。高频变压器初级线圈是开关回路开关管的主要感性负载,由于初级线圈的作用开关管在通断时会产生尖峰噪声,程度较轻时会对开关管造成干扰,程度严重时会将开关管击穿。
  作为开关电源的主要器件之一,开关管也是电磁干扰的来源之一。电磁干扰的强度直接受到开关管工作频率的影响,伴随着开关管工作频率的增加,其工作的电流和电压切换速度会不断加快,因此其辐射干扰和传导干扰也会逐渐升高。同时电压尖峰吸收电路没有选择恰当的参数和钳位二极管较低的反向恢复特性也会导致较大干扰的产生。
  1.2 电源线引起的干扰
  电源线干扰是电力系统中用电设备引起的电磁噪声在电源线的传播过程中形成的。其主要有差模干扰和共模干扰两种。差模干扰是指任意两个载流导体间应该有的电位差,共模干扰是指任意载流导体和参考地间不应该有的电位差。此两种干扰的电路图如图2 所示:


  从图2(a)中,我们可以看到开关管的V1 在接通时,其信号电流Il 和差模电流Idm 会沿着开关管、变压器和导线之间组成的回路进行流通,其干扰电流是通过输入电源线回路和地线回路来完成输送的。图2(b)中,开关管V1 处于断开状态时,集电极电压会瞬间转变为高电压,其形成的共模电流Iem1 会向Cp1 充电和共模电流Iem2会向Cp2 充电,此时线路中共模电流值为(Iem1+Iem2),其干扰电流施工过输入电源线进行输送的,而不是经过地线。因此,唉对电源线滤波器的安置过程中我们要分析共模干扰哦和差模干扰的区别,从各自的传输路径上进行抑制。
  1.3 寄生和分布参数引起的干扰
  当电气设备元件在进行高频工作时,会产生不同的频率特性。其特性图如图3所示。
  图3 高频工作下的元件频率特性
  高频工作过程中,其连接设备元件的导线会转换成发射线、电阻会转变成共振电路、电容与电阻之间互相转换,最终使元件的频率特性发生了较大变化。因此在开关电源设计时要尽量选择具有高频特性的设备元件。同时,高频工作会增加相应的导线电感的感抗性能,使其成为一个可以让电磁不断传输的发射线,因而是开关电源的干扰源之一。
  开关电源产生电磁干扰的主要内部因素是因为开关电源自身的分布参数影响,其参数主要包括散热器和开关电源之间的不均匀分布电容、原副边的漏感、变压器不同级配之间的分布电容等。共模干扰就是通过散热器和开关电源之间的不均匀分布电容完成干扰传输的。
  1.4 输入电流畸变引起的干扰
  一般情况下开关电源会选择使用电容滤波型整流电源和桥式整流电源。其整流内部滤波电容的储能和二极管的非线性特点,会减小二极管的导通角,输入电流在短时间内会转换成具有高峰值的尖峰电流。这种电流会包含较强的高次谐波分量和基波分量,当谐波分量流入电网时,便会造成较强烈的谐波污染。
  2 开关电源电磁干扰抑制技术
  2.1 软开关技术
  软开关技术主要包括零开关PWM 变换器、谐振变换器、零转换PMW 变换器、准谐振变换器等。零开关PWM 变换器是通过将谐振进行不同程度的换相,换相完成后继续进行PWM 的工作形式,这不仅可以解决PWM 开关中的故障问题,还可以为PWM 开关提供较低稳态应力和较低能耗。软开关技术的使用虽然能够在一定程度上降低电磁干扰影响,但其使用过程中经常会添加相应的辅助开关电路,这在某些方面也增加了电磁干扰的污染。
  2.2 有源滤波技术
  有源滤波技术是针对共模干扰进行抑制的一种技术。其基本工作原理是通过在主回路中捕捉一种补偿信号,其具有与电磁干扰信号大小相等但相位相反的特点,采用这种信号去平衡相应的电磁干扰,从而不断降低电磁干扰的水平。有源滤波器是一种能够对晶体管的电流进行扩大,从而发射极的电流整合到基极中,在基极回路中完成降低干扰的一种设备。
  其主要工作电路方式如图4 所示:
  图4 有源电源滤波器
  2.3 扩频调制技术
  在一个周期信号中,其能量分布会主要集中在谐波分量和基频信号中,在工作频率提高的情况下,谐波能量会不同程度的降低。通常情况下,谐波带宽的次数是基频带宽的倍数,如果能够将扩频技术应用到其中,会让谐波能量在更广阔的范围分布。如果要在开关电源中采取扩频信号的方式,就应该先调制电源开关中脉冲控制电路输出的脉冲信号,以让其形成具有调制信号的的扩频时钟。扩频调制技术与原有的技术方法相比具有可靠高效降低电磁干扰的特点,且不会影响电源效率。
  2.4 屏蔽技术
  屏蔽主要分为电磁屏蔽和静电屏蔽两种,其中电磁屏蔽在避免磁场、交变电场和交变电磁场的影响方面应用较广,静电屏蔽在避免恒定磁场和静电场影响方面应用较广。屏蔽技术是对开关电源电磁干扰进行抑制的可靠方法,如在散热器安装过程中可以将一层屏蔽片安置在其两层绝缘片之间,并对屏蔽片做接地处理,这样可以有效阻断射频干扰向输入电网的传播。
  3 结束语
  开关电源的电磁干扰会严重影响开关电源的使用性能,同时也会给其他电力系统设备造成严重的电磁污染。因此,相关技术人员应当加强对电磁干扰来源的分析,努力从源头上控制电磁干扰影响,以提高开关电源的运行质量。
  
  

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