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        開關電源的干擾及其抑制

        0 引言

          開關電源作為電子設備的供電裝置,具有體積小、重量輕、效率高等優點,在數字電路中得到了廣泛的應用,然而由于工作在高頻開關狀態,屬于強干擾源,其本身產生的干擾直接危害著電子設備的正常工作。因此,抑制開關電源本身的電磁噪聲,同時提高其對電磁干擾的抗擾性,以保證電子設備能夠長期安全可靠地工作,是開發和設計開關電源的一個重要課題。
          1 開關電源干擾的產生

          開關電源的干擾一般分為兩大類:一是開關電源內部元器件形成的干擾;二是由于外界因素影響而使開關電源產生的干擾。兩者都涉及到人為因素和自然因素。

          1.1 開關電源內部干擾

          開關電源產生的EMI主要是由基本整流器產生的高次諧波電流干擾和功率變換電路產生的尖峰電壓干擾。

          1.1.1基本整流器

          基本整流器的整流過程是產生EMI較常見的原因。這是因為工頻交流正弦波通過整流后不再是單一頻率的電流,而變成一直流分量和一系列頻率不同的諧波分量,諧波(特別是高次諧波)會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾,使前端電流發生畸變,一方面使接在其前端電源線上的電流波形發生畸變,另一方面通過電源線產生射頻干擾。

          1.1.2功率變換電路

          功率變換電路是開關穩壓電源的核心,它產帶較寬且諧波比較豐富。產生這種脈沖干擾的主要元器件為

          1)開關管開關管及其散熱器與外殼和電源內部的引線間存在分布電容,當開關管流過大的脈沖電流(大體上是矩形波)時,該波形含有許多高頻成份;同時,關電源使用的器件參數如開關功率管的存儲時間,輸出級的大電流,開關整流二極管的反向恢復時間,會造成回路瞬間短路,產生很大短路電流,另外,開關管的負載是高頻變壓器或儲能電感,在開關管導通的瞬間,變壓器初級出現很大的涌流,造成尖峰噪聲。

          2)高頻變壓器 開關電源中的變壓器,用作隔離和變壓,但由于漏感的原因,會產生電磁感應噪聲;同時,在高頻狀況下變壓器層間的分布電容會將一次側高次諧波噪聲傳遞給次級,而變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通路,使變壓器周圍產生的電磁場更容易在其他引線上耦合形成噪聲。

          3)整流二極管二次側整流二極管用作高頻整流時,由于反向恢復時間的因素,往往正向電流蓄積的電荷在加上反向電壓時不能立即消除(因載流子的存在,還有電流流過)。一旦這個反向電流恢復時的斜率過大,流過線圈的電感就產生了尖峰電壓,在變壓器漏感和其他分布參數的影響下將產生較強的高頻干擾,其頻率可達幾十MHz。

          4)電容、電感器和導線開關電源由于工作在較高頻率,會使低頻元件特性發生變化,由此產生噪聲。

          1.2 開關電源外部干擾

          開關電源外部干擾可以以“共模”或“差模”方式存在。干擾類型可以從持續期很短的尖峰干擾到完全失電之間進行變化。其中也包括電壓變化、頻率變化、波形失真、持續噪聲或雜波以及瞬變等,電源干擾的類型見表1。

          在表1中的幾種干擾中,能夠通過電源進行傳輸并造成設備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波,而靜電放電等干擾只要電源設備本身不產生停振、輸出電壓跌落等現象,就不會造成因電源引起的對用電設備的影響。

          2 開關電源干擾耦合途徑

          開關電源干擾耦合途徑有兩種方式:一種是傳導耦合方式,另一種是輻射耦合方式。

          2.1 傳導耦合

          傳導耦合是騷擾源與敏感設備之間的主要耦合途徑之一。傳導耦合必須在騷擾源與敏感設備之間存在有完整的電路連接,電磁騷擾沿著這一連接電路從騷擾源傳輸電磁騷擾至敏感設備,產生電磁干擾。按其耦合方式可分為電路性耦合、電容性耦合和電感性耦合。在開關電源中,這3種耦合方式同時存在,互相聯系。

          2.1.1電路性耦合

          電路性耦合是較常見、較簡單的傳導耦合方式。其又有以下幾種:

          1)直接傳導耦合導線經過存在騷擾的環境時,即拾取騷擾能量并沿導線傳導至電路而造成對電路的干擾。

          2)共阻抗耦合由于兩個以上電路有公共阻抗,當兩個電路的電流流經一個公共阻抗時,一個電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會影響到另一個電路,這就是共阻抗耦合。形成共阻抗耦合騷擾的有電源輸出阻抗、接地線的公共阻抗等。

          2 1.2電容性耦合

          電容性耦合也稱為電耦合,由于兩個電路之生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖,其頻間存在寄生電容,使一個電路的電荷通過寄生電容影響到另一條支路。

          2.1.3 電感性耦合

          電感性耦合也稱為磁耦合,兩個電路之間存在互感時,當干擾源是以電源形式出現時,此電流所產生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。

          2.2 輻射耦合

          通過輻射途徑造成的騷擾耦合稱為輻射耦合。輻射耦合是以電磁場的形式將電磁能量從騷擾源經空間傳輸到接受器。通常存在4種主要耦合途徑:天線耦合、導線感應耦合、閉合回路耦合和孔縫耦合。


          2.2.1 天線與天線間的輻射耦合

          在實際工程中,存在大量的天線電磁耦合。例如,開關電源中長的信號線、控制線、輸入和輸出引線等具有天線效應,能夠接收電磁騷擾,形成天線輻射耦合。

          2.2.2 電磁場對導線的感應耦合

          開關電源的電纜線一般是由信號回路的連接線、功率級回路的供電線以及地線一起構成,其中每一根導線都由輸入端阻抗、輸出端阻抗和返回導線構成一個回路。因此,電纜線是內部電路暴露在機箱外面的部分,較易受到騷擾源輻射場的耦合而感應出騷擾電壓或騷擾電流,沿導線進入設備形成輻射騷擾。

          2.2.3 電磁場對閉合回路的耦合

          電磁場對閉合回路的耦合是指回路受感應較大部分的長度小于波長的1/4。在輻射騷擾電磁場的頻率比較低的情況下,輻射騷擾電磁場與閉合回路的電磁耦合。

          2.2.4 電磁場通過孔縫的耦合

          電磁場通過孔縫的耦合是指輻射騷擾電磁場通過非金屬設備外殼、金屬設備外殼上的孔縫、電纜的編織金屬屏蔽體等對其內部的電磁騷擾。

          3 抑制干擾的一些措施

          形成電磁干擾的三要素是騷擾源、傳播途徑和受擾設備。因而,抑制電磁干擾也應該從這三方面人手,采取適當措施。首先應該抑制騷擾源,直接消除干擾原因;其次是消除騷擾源和受擾設備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力,減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁騷擾源和受擾設備之間的耦合通道。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

          1)采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾,即用電導率良好的材料對電場進行屏蔽,用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。屏蔽有兩個目的,一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出,二是防止外來的輻射干擾進入該內部區域。其原理是利用屏蔽體對電磁能量的反射、吸收和引導作用。為了抑制開關電源產生的輻射,電磁騷擾對其他電子設備的影響,可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩,然后將整個屏蔽罩與系統的機殼和地連接為一體,就能對電磁場進行有效的屏蔽。

          2)所謂接地,就是在兩點間建立傳導通路,以便將電子設備或元器件連接到某些叫作“地”的參考點上。接地是開關電源設備抑制電磁干擾的重要方法,電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。在電路系統設計中應遵循“一點接地”的原則,如果形成多點接地,會出現閉合的接地環路,當磁力線穿過該環路時將產生磁感應噪聲。實際上很難實現“一點接地”,因此,為降低接地阻抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地,利用一個導電平面作為參考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降,可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統中,應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后,再連接到公共參考點上。

          3)濾波是抑制傳導干擾的有效方法,在設備或系統的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。EMI濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元,可以抑制來自電網的干擾對電源本身的侵害,也可以抑制由開關電源產生并向電網反饋的干擾。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環,它們能夠改善電路的濾波特性。恰當地設計或選擇濾波器,并正確地安裝和使用濾波器,是抗干擾技術的重要組成部分。

          選擇濾波器時要注意以下幾點:

          (1)明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率,如兩者非常接近,則需要應用頻率特性非常陡峭的濾波器,才能把兩種頻率分開;

          (2)保證濾波器在高壓情況下能夠可靠地工作;

          (3)濾波器連續通以較大額定電流時,其溫升要低,以保證在該額定電流連續工作時,不破壞濾波器中元件的工作性能;

          (4)為使工作時的濾波器頻率特性與設計值相符合,要求與它連接的信號源阻抗和負載阻抗的數值等于設計時的規定值:

          (5)濾波器必須具有屏蔽結構,屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸,濾波器的電容引線應盡量短,較好選用短引線低電感的穿心電容;

          (6)要有較高的工作可靠性,因為作防護電磁干擾用的濾波器,其故障往往比其他元器件的故障更難找。

          安裝濾波器時應注意以下幾點:

          (1)電源線路濾波器應安裝在離設備電源人口盡量靠近的地方,不要讓未經過濾波器的電源線在設備框內迂回;

          (2)濾波器中的電容器引線應盡可能短,以免因引線感抗和容抗在較低頻率上諧振;

          (3)濾波器的接地導線上有很大的短路電流通過,會引起附加的電磁輻射,故應對濾波器元件本身進行良好的屏蔽和接地處理;

          (4)濾波器的輸人和輸出線不能交叉,否則會因濾波器的輸入和輸出電容耦合通路引起串擾,從而降低濾波特性,通常的辦法是輸入和輸出端之間加隔板或屏蔽層。

          4 結語

          開關電源產生電磁干擾的因素還有很多,抑制電磁干擾還有大量的工作要做。全面抑制開關電源的各種噪聲將使開關電源更加安全可靠地運行。

         


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