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通信开关电源的特性以及抑制电磁干扰的技术解

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跟着今世电子技巧和功率器件的成长,开关电源以其体积小、重量轻、高机能、高靠得住性等特征被广泛利用于通信系统、自动节制、家用电器等领域,分外是广泛利用于程控互换、光数据传输无线基站、有线电视系统及IP收集中,是信息技巧设备正常事情的核心动力。然则,通信开关电源一样平常都采纳脉冲宽度调制(PWM)技巧,其开关器件事情在高频通断状态,因为高频的快速瞬变历程本身便是电磁滋扰源,它孕育发生的电磁滋扰(EMI)旌旗灯号有很宽的频率范围,又有必然的幅度,经传导和辐射会污染电磁情况,对通信设备和电子产品造成滋扰。别的,通信开关电源要有很强的抗电磁滋扰的能力,分外是对雷击、浪涌、电网电压、电场、磁场、电磁波、静电放电、脉冲串、电压跌落、射频电磁场传导抗扰性、辐射抗扰性、传导发射、辐射发射等项目必要满意有关EMC标准的规定。

海内在20世纪80~90年代,为了加强对当前海内电磁污染的管理,拟订了一些与CISPR标准、IEC801等国际标准相对应的标准。自从2003年8月1日中国强制实施3C认证(ChinaCompulsoryCertification)-K作以来,掀起了”电磁兼容热”,近间隔的电磁滋扰钻研与节制愈来愈引起电子钻研职员们的关注,当前已成为钻研领域的一个新热点。本文将针对通信开关电源电滋扰的产活力理系统地叙述相关的抑制技巧。

1 通信开关电源的特点及电磁滋扰孕育发生的机理

1.1 开关电源基础特点

开关电源的基础特点有四点:

①位置较为清楚。主要集中在功率开关器件、二极管以及与之相连的散热器和高频变压器上;

②能量转换装配事情于开关状态。因开关电源是事情于开关状态的能量转换装配,故其电压、电流变更率很高,孕育发生的滋扰强度较大年夜;

③电源印刷线路板PCB)走线平日采纳手工部署。这种部署使其具有很大年夜的随意性,增添了PCB散播参数的提取和近场滋扰猜测评估的难度;

④开关频率大年夜,可从几万Hz到数兆Hz,主要的滋扰形式是传导滋扰和近场滋扰。

1.2 电磁滋扰产活力理

1.2.1 开关电路孕育发生的电磁滋扰

开关电路是开关电源的核心,主要由开关管和高频变压器组成,它孕育发生的dv/dt是具有较大年夜幅度的脉冲,频带较宽且谐波富厚。这种脉冲滋扰孕育发生的主要缘故原由有两个方面:一方面开关管负载为高频变压器低级线圈,是感性负载。在开关管导通瞬间,低级线圈孕育发生很大年夜的涌流,并在低级线圈的两端呈现较高的浪涌尖峰电压;在开关管断开瞬问,因为低级线圈的漏磁通,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振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰。这种电源电压中断会孕育发生与低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人输出端,形成传导滋扰。另一个方面脉冲变压器低级线圈,开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会孕育发生较大年夜的空间辐射,形成辐射滋扰。

1.2.2 二极管的反向规复光阴引起的滋扰高频整流回路中的整流二极管正领导通时有较大年夜的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,因为PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消掉之前的一段光阴里,电流会反向流动,致使载流子消掉的反向规复电流急剧削减而发生很大年夜的电流变更(di/dt)。

2 电磁滋扰抑制步伐

形成电磁滋扰的三要素是滋扰源、传播道路和受扰设备。因而,抑制电磁滋扰应从这三方面人手。

抑制滋扰源、打消滋扰源和受扰设备之间的耦合和辐射、前进受扰设备的抗扰能力,从而改良开关电源的电磁兼容机能的目的。

2.1 采纳滤波器抑制电磁滋扰

滤波是抑制电磁滋扰的紧张措施,它能有效地抑制电网中的电磁滋扰进入设备,还可以抑制设备内的电磁滋扰进入电网。在开关电源输入和输出电路中安装开关电源滤波器,不只可以办理传导滋扰问题,同时也是办理辐射滋扰的紧张武器。滤波抑制技巧分为无源滤波和有源滤波两种要领。

2.1.1 无源滤波技巧

无源滤波电路简单,资源低廉,事情机能靠得住,是抑制电磁滋扰的有效要领。无源滤波器由电感、电容、电阻元件组成,其直接感化是办理传导发射。开关电

源中利用的无源滤波器的道理布局图如图1所示。

因为原电源电路中滤波电容容量大年夜,整流电路中会孕育发生脉冲尖峰电流,这个电流由异常多的高次谐波电流组成,对电网孕育发生滋扰;别的电路中开关管的导通或截止、变压器的低级线圈都邑孕育发生脉动电流。因为电流变更率很高,对周围电路会孕育发生出不合频率的感应电流,此中包括差模和共模滋扰旌旗灯号,这些滋扰旌旗灯号可以经由过程两根电源线传导到电网其他线路和滋扰其他的电子设备。图中差模滤波部分可以削减开关电源内部的差模滋扰旌旗灯号,又能大年夜大年夜衰减设备本身事情时孕育发生的电磁滋扰旌旗灯号传向电网。又根据电磁感应定律,得E—Ldi/dt,E为L两真个电压降,L为电感量,di/dt为电流变更率。显然要求电流变更率越小,则要求电感量就越大年夜。

脉冲电流回路经由过程电磁感应其他电路与大年夜地或机壳组成的回路孕育发生的滋扰旌旗灯号为共模旌旗灯号;开关电源电路中开关管的集电极与其他电路之间孕育发生很强的电场,电路会孕育发生位移电流,而这个位移电流也属于共模滋扰旌旗灯号。图中共模滤波器便是用来抑制共模滋扰,使之受到衰减。

2.1.2 有源滤波技巧

有源滤波技巧是抑制共模滋扰的一种有效措施。这是一种从噪声源启程而采取的步伐(如图2)。其基础思惟是设法从主回路中掏出一个与电磁滋扰旌旗灯号大年夜小相等、相位相反的补偿旌旗灯号去平衡原本的滋扰旌旗灯号,以达到低落滋扰水平的目的。如图,使用晶体管的电放逐大年夜感化,经由过程把发射极的电流折合到基极,在基极回路来滤波.R1、C2组成的滤波器使基极纹波很小,这样射极的纹波也很小。因为c2的容量小于C3,减小了电容的体积。这种要领仅得当低压小功率电源的环境。

要用于防止静电场和恒定磁场的影响;另一种是电磁樊篱,主要用于防止交变电场、磁场以及交变电磁场的影响。樊篱技巧分为对发出电磁波部位的樊篱和受电磁波影响的元器件的樊篱。在开关电源中,可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等,平日在其周围采纳铜板或铁板作为樊篱,以使其电磁波孕育发生衰减。

此外,为了抑制开关电源孕育发生的辐射向外部发散,为了削减电磁滋扰对其他电子设备的影响,应采取整体樊篱。可完全按照对磁场樊篱的措施来加工樊篱罩,然后将全部樊篱罩与系统的机壳和地连接为一体,就能对电磁场进行有效的樊篱。然而在应用整体樊篱时应充分斟酌樊篱材料的接缝、电线的输入、输出端子和电线的引出口等处的电磁泄露,且不易散热,布局资源大年夜幅度增添等身分。

为使电磁樊篱能同时发挥静电樊篱的感化,加强樊篱效果,同时保障人身和设备的安然,应将系统与大年夜地相连,即为接地技巧。接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的通路设计。这一历程是至关紧张的,将接地和樊篱精确结合起来可以更好地办理电磁滋扰问题,又可前进电子产品的抗滋扰能力。

2.3 PCB设计技巧

为更好地抑制开关电源的电磁滋扰,其印制电路板(PCB)的抗滋扰技巧尤为紧张。为削减PCB的电磁辐射和PCB上电路问的串扰,要异常留意PCB结构、布线和接地。如削减辐射滋扰是减小通路面积,减小滋扰源和敏感电路的环路面积,采纳静电樊篱。而抑制电场与磁场的耦合,应只管即便增大年夜线间间隔。

在开关电源中接地是抑制滋扰的紧张措施。接地有安然接地、事情接地和樊篱接地等3种基础类型。地线设计应留意以下几点:

(1)交流电源地与直流电源地分开。

(2)功率地与弱电地分开。

(3)模拟电路与数字电路的电源地分开。

(4)只管即便加粗地线。

2.4 扩频调制技巧

对付一个周期旌旗灯号尤其是方波来说,其能量主要散播在基频旌旗灯号折衷波分量中,谐波能量随频率的增添呈级数低落。因为次谐波的带宽是基频带宽的倍,经由过程扩频技巧将谐波能量散播在一个更宽的频率范围上。因为基频和各次谐波能量削减,其发射强度也应该响应低落。要在开关电源中采纳扩频时钟旌旗灯号,必要对该电源开关脉冲节制电路输出的脉冲旌旗灯号进行调制,形成扩频时钟(如图3)。与传统的措施比拟,采纳扩频技巧优化开关电源EMI既高效又靠得住,无需增添体积宏大年夜的滤波器件和繁琐的樊篱处置惩罚,也不会对电源的效率带来任何负面影响。

电感和电容等元件组成滤波器,将输入电流波形进行移相和整形历程来实现前进功率因数的。而有源功率因数校对电路是依据节制电路逼迫输入交流电流波形跟踪输入交流电压波形的道理来实现交流输入电流正弦化,并与交流输入电压同步。两种措施均使功率因数前进,后者效果加倍显着,但电路繁杂。

3 结论

跟着通信开关电源赓续向高频化成长,其抗滋扰问题显得更加紧张。在开拓和设计开关电源历程中,若何有效抑制开关电源的电磁滋扰,同时前进开关电源本身对电磁滋扰的抗滋扰能力是一个紧张课题。除本文中阐发的几种主要措施外,还可以采纳光电隔离器、LSA系列浪涌接受器、软开关技巧等。几种抗滋扰步伐既互相自力又互相联系,在实际设计时,应周全斟酌开关电源的各类电磁滋扰,选用多种抑制电磁滋扰的措施加以综合使用,才能达到优越的抗滋扰效果。

责任编辑;zl

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