高频开关电源电磁兼容性（EMC）设计

高频开关电源电磁兼容性(E M C) 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 高频开关电源因采用脉冲宽度调 制(PWM)技术，脉冲波形呈矩形 ，开 关管上升沿与下降沿均包含大量的谐 波成分 ；另外 ，输出整流管的反向恢 复也会产生电磁干扰 。开关频率的提 高减小了电源的体积和重量，但同时 也导致了更为严重的电磁干扰问题， 这是影响系统可靠性的不利因素，因 而电磁兼容性 (EM c)设计 日益受到 重视。本文就雷达用高频开关电源设 计中的电磁兼容性问题进行了探讨。 开关电源产生电磁干扰的机理 开关 电源之所以是一个很强的电 磁干扰源，来源于高频通断的开关器 件和输出整流二极管，以及高频变压 器及滤波电感等。 1开关管与整流管 开关管、整流管高频通断时所产 生的di／dt和dv／dt是具有较大辐度的 脉冲，频带较宽且谐波丰富，是一个 很强的干扰源。 交 流输入 电压经功率 二极管 整 流桥变为正弦脉动电压，再经电容平 滑后变为直流 ，但电容电流的波形不 是正弦波而是脉冲波。由电流波形可 知，电流中含有高次谐波。大量电流 河北汇能欣源电子技术有限公司 侯玉江 刘思佳 何占伟 谐波分量流入 电网，造成对电网的谐 波污染。另外 ，由于电流是脉冲波 ， 使电源输入功率因数降低。 高频整流回路中的整流二极管正 向导通时有较大的正 向电流流过，在 其受反偏电压而转向截止时 ，由于PN 结中有较多的载流子积累，因而在载 流子消失之前的一段时间里 ，电流会 反向流动，致使反向恢复电流急剧减 少而发生很大的电流变化(di／dt)。 功率开关管在导通时流过较大的 脉冲电流。例如 ，正激型、推挽型和 桥式变换器的输入电流波形在阻性负 载时近似为矩形波 ，其中含有丰富的 高次谐波分量。当采用零 电流 、零电 压开关时，这种谐波干扰将会很小。另 外 ，功率开关管在截止期间，高频变压 器绕组漏感引起的电流突变也会产生 尖峰干扰。 2高频变压器 开 关管负载 为高频变 压器初级 线圈，在开关管导通瞬间，初级线圈 产生较大的浪涌电流和尖峰 电压 ；在 开关管关断瞬间，由于初级线圈的漏 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 。如果电容滤波容量不 足或高频特性不好 ，电容上的高频阻 抗会使高频电流以差模方式传导到交 流电源中形成传导骚扰。需要注意的 是 ，二极管整流电路产生的电磁骚扰 中，整流二极管反向恢复电流的di／dt 远比续流二极管反向恢复电流的di／dt 大得多。作为电磁骚扰源来研究，整 流二极管反向恢复电流形成的骚扰强 度大 ，频带宽。但是 ，整流二极管产 生的电压跳变远小于功率开关管导通 和关断时产生的电压跳变。因此 ，不 计整流二极管产生的dv／dt*~ldi／dt的 影响 ，而把整流电路当成电磁骚扰耦 合通道的一部分来研究也是可以的。 3杂散参数影响耦合通道的特性 在传导 骚扰频 段 ，多数开 关 电 源骚扰的耦合通道是可以用电路网络 来描述的。但是 ，在开关电源中的任 今日电子 ．2013年5月 55 何一个实际元器件，如电阻器、电容 器、电感器乃至开关管 、二极管中都 包含有杂散参数 ，且研 究的频带愈 宽，等值电路的阶次愈高。因此 ，包 括各元器件杂散参数和元器件间的耦 合在内的开关电源的等效电路将复杂 得多。在高频时，杂散参数对耦合通 道的特性影响很大，分布电容的存在 成为电磁骚扰的通道。另外 ，在开关 管功率较大时，集电极一般都需加上 散热片 ，散热片与开关管之间的分布 电容在高频时不能忽略，它能形成面 向空间的辐射骚扰和电源线传导的共 模骚扰。 电磁兼容性设计 电 磁 兼 容 性 包 含 电 磁 干 扰 (EMI)和电磁敏感度 (EMS)两方 面，电磁兼容性设计也包含这两方面 的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 。开关 电源本身是一个噪声发 生源 ，按传播途径来分 ，可分为传导 干扰和辐射干扰两 种。从根本意义 讲，电磁兼容性设计不外乎滤波 、屏 蔽、接地和布局与布线技术等。 l 元器件布局及印制电路板布线 技术 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 及频率平方的乘积成正比，即辐射骚 扰E—I Af2。运用这一关系的前提是 通路尺寸远小于频率的波长。上述关 系式 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，减小通路面积是减小辐射 骚扰的关键 ，即开关电源的元器件彼 此要紧密排列。在初级电路 中，要求 56 今B电子 ·20131115j~ 输入端 电容、功率管和变压器彼此靠 近 ，且布线紧凑；在次级电路中，要 求二极管、变压器和输出端电容彼此 贴近，尽量缩小由高频脉冲电流所包 围的面积。 在电路设计上，大功率高频开关 电源主电路采用全桥ZVS软开关电路 或不对称半桥LL C谐振变换器减／]~di／ dt~[1dv／dt的变化；在必要的地方加 装共模 电容给共模传导电流提供低阻 抗的通路 ；在功率开关管和输出整流 二极管等器件上并联R C吸收 ；采用固 态电容器或多只低ESR (等效串联电 阻)的铝电解电容并联滤波 ；变压器 的初级引线采用紧密绞绕，减小了环 路面积；通过选择功率开关管的栅极 驱动电阻，减缓漏极的电压上升率 ； 在电路布局时 ，把功率器件和容易受 到干扰的小信号控制环路分片布置并 使得它们相距一定的 距离 ；在布线 时 ，尽量缩小功率部分走线的环路面 积 ，小信号控制环路的地线与容易产 生干扰的功率部分的地线分开布线 ； 滤波器的输入和输出线必须分开，禁 止将开关电源的输入线和输出线捆扎 在一起。 2传导发射抑制 因为传导干扰主要是通过电源本 身的输入来进行传导的 ，因此对电源 的输入进行滤波能达到抑制传导干扰 的 目的。主要对输入线进行共模、差 模滤波，根据电源工作频率和可能的 开关噪声频率以及噪声幅度 ，进行两 级共模和一级差模的滤波 ，使共模滤 波和差模滤波电路的谐振频率 明显低 干开关电源的工作频率，使电源线发 射噪声信号大大衰减。滤波电路要远 离电磁辐射源，避免滤波电路的输入／ 输出线交叉，防止噪声信号越过滤波 电路直接耦合到输入线上。采用有源 功率因数校正功能组件，使电源输入 功率因数高达0．99以上，较好的抑制 电源输入线上的谐波电流。通过以上 措施 ，电源通过了CE1叭 、CE102的 测试。 3传导敏感度抑制 针对EMI的设计同时对EMS也有 效，主要采取在电源输入／输出端加共 模、差模滤波电路。为增强在高频段 的抗干扰能力，电源输入线缆要短 ， 滤波器尽量靠近输入端 口，避免滤波 器输入／输出发生耦合 ，而失去滤波 作用。接地尽量简短可靠 ，减小高频 阻抗 ，使干扰有效旁路。通过以上措 施，电源通过CS101、CS114、CS116 的测试。 4辐射发射抑制 针对辐射干扰 ，因为开关 电源产 生的电磁信号频带很宽，不同频段干 扰信号的传播途径也不完全一样。首 先在电路设计上减小辐射源，再通过 输入／输 出线滤波减小输 人／输 出线 引出的电磁辐射 ，其次通过电源壳体 金属密封 ，增加壳体顶盖和底壳接缝 的重合面积 ，以及减小螺钉间距等措 施保证电磁连续性来提高电磁屏蔽性 能。外壳永久连接处用导电胶粘牢或 采用连续焊缝结构 ，需拆卸的可以用