15201665373

电磁兼容技术及其在开关电源中的运用_通信世界网 2022-10-05 12:23:52

来源:易倍体育官网首页 作者:emc体育官方网站

  电子设备凭借良好的发展与广泛的应用,功能得以不断丰富,在为百姓生活带来诸多便利的同时,也引发了电磁环境日趋复杂的问题。为确保电子设备可以正常工作,应积极使用电磁兼容技术。本文先对电磁兼容技术与开关电源中电磁干扰的形成进行介绍,而后重点分析高频开关电源设计中的电磁兼容问题,希望可以为从事此类研究的朋友们提供些许建设性意见。

  电磁干扰的产生与传输是较为复杂的,频道拥挤的问题常常发生,已经严重影响到电子设备的正常工作。以开关电源中电磁干扰的形成为例,其主要包括印制电路中的电磁噪声和晶体管、高频变压器以及开关管、整流管产生的电磁干扰,若未能有效处理,开关电源就会变成一个骚扰源。在近年来开展的电磁兼容技术研究中,发现通过应用电磁兼容技术可以有效抑制开关电源的电磁干扰,对提升电子产品的质量大有裨益,值得推广应用。针对于此,本文重点谈一谈高频开关电源设计中的电磁兼容问题。

  本文所述的电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中运行时,不对环境中的任何设备产生电磁骚扰。简言之,在整个系统中,电磁设备均处于正常的工作状态,不会受到其他电子设备的电磁干扰。在电磁兼容中,有两方面内容需要明确:一是设备在正常运行时对环境产生的电磁干扰必须严格控制在一定的限值内,二是设备对所处环境的电磁干扰具有一定的抗扰能力,即电磁敏感性比较低。

  伴随着无线电与电子技术的不断进步,电磁兼容技术得到了很好的发展与广泛的应用,尤其是应用范围在不断拓展,发挥出的作用是毋庸置疑的。从本质上来说,电磁兼容技术是一种抗干扰技术。电磁干扰主要分为自然干扰和人为干扰。在自然干扰中,雷电和大气等会对电子设备的正常运行造成很大干扰,后果较为严重。为了有效抵御电磁干扰,抑制电磁干扰的产生与传输,必须积极使用电磁兼容技术。

  开关电源是一个很强的电磁骚扰源,这主要是因为其由滤波电感、高频通断的开关器件、输出整流二极管、脉冲变压器等多部分组成。

  从开关管与整流管的角度来说,通常情况下开关管与整流管在高频通断时可以产生较大幅度的脉冲。其所产生的电磁干扰危害性很大,是一个很强的骚扰源。从高频变压器的角度来说,开关管负载的是高频变压器初级线圈,当开关管导通时,初级线圈会产生较大的浪涌电流,甚至还会出现较高的浪涌尖峰电压。而在开关管断开时,初级线圈存在漏磁通,导致一部分能量未能有效传输到次级线圈,这部分能量最终通过集电极电路中的电容、电阻形成衰减振荡,继而形成关断电压尖峰。关断电压尖峰与初级线圈接通时会产生反应,即磁化冲击电流瞬变,在这种情况下输入端和输出端均有噪声传入,所形成的传导骚扰会造成严重的后果,情况严重时可能导致开关管被击穿。除此之外,高频开关电流环路也有可能形成空间辐射,这主要是因为高频开关电流环路由滤波电容、高频变压器初级线圈与开关管组成,会形成较为严重的辐射骚扰。若是未能有效控制电磁波容量,或者高频特性不佳,则会导致电容上的高频阻抗出现传导问题,在交流电源中形成传导骚扰。可以说,高频变压器在开关电源产生电磁干扰中发挥的作用较大,且在实际处理时也有较大的难度。

  从杂散参数影响耦合通道的特性来说,电路网络可以描述多数开关电源骚扰的耦合通道,但开关电源中的元器件(如电容器、电阻器、二极管、电感器)均含有杂散参数,这也导致开关电源中的元器件较为复杂。当处于高频状态时,耦合通道的特性很大程度上会受到杂散参数的影响,此时分布的电容会成为电磁骚扰的通道。除此之外,当开关管功率较大时,需要在集电极加上散热片,散热片会对空间和电源线传导造成电磁干扰,且这种共模骚扰的危害性是较大的。

  开关电源运行过程中产生的噪声主要有两种:一种是差模噪声,另一种是共模噪声。共模噪声由大地与载流导体之间的电位差所导致,差模噪声则因载流导体之间的电位差而产生。通常情况下,线路上的电磁干扰既有差模噪声,也有共模噪声。可考虑在电源的输入端加入滤波器,并确保滤波器可以与电源阻抗适配,当适配水平足够高时可以实现理想的衰减作用,此时可以得到很好的插入损耗特性。简单来说,若噪声源内阻是低阻抗的,则所使用的电磁干扰滤波器输入阻抗应该是高阻抗的;若噪声源内阻是高阻抗的,则要保证电磁干扰滤波器输入阻抗是低阻抗的。

  当前广泛使用的电磁干扰滤波器包含差模杂讯和共模杂讯两个部分的抑制电路,具有较好的应用效果。在设计输入端滤波器的过程中,需要注意一点——因设备所产生的差模与共模成分是不一样的,所以滤波电路能够有效地增加或减少滤波元件,但需要结合实际情况认真调整电路,必须开展电磁干扰试验,以得到最佳的电路调整效果。除此之外,在安装滤波电路时确保接地良好,同时要隔离滤波电路的输出端与输入端,以求达到最佳的滤波效果。

  在长期研究中发现,要想有效降低辐射电磁干扰值,可以考虑使用电压缓冲电路,比如可以将RCD(剩余电流装置)缓冲电路并联到开关管两端;也可以考虑使用电流缓冲电路,将20~80μH的电流串联到开关管的集电极上。在开关电源中,功率开关管的集电极始终是一个危害较大的骚扰源,应该在集电极上接入开关管的散热片,这样可以让散热片与集电极之间的电流顺利流入到主电路中。需要注意的是:要确保散热片尽量远离机壳,这样可以最大限度地减少机壳与散热片之间的分布电容,若是条件允许,可以安装带有屏蔽功能的散热片。对于整流二极管来说,应优先使用恢复电荷小、反向恢复时间短的,比如可以使用肖特基管。在使用肖特基管时,为有效减少电磁干扰,应在其两端套磁珠,同时与RC吸收网络并联起来。考虑到当负荷电流增大时,二极管需要更长的时间才可以实现反向恢复,此时尖峰电流会受到较大影响,因此可以同时使用多个二极管,以降低对尖峰电流的影响。

  除此之外,开关电源必须做好屏蔽处理,优先使用模块式全密封结构,并且要确保屏蔽层可以良好接地。在长期应用过程中发现,模块式全密封结构可以实现很好的屏蔽效果,电磁干扰被始终限制在较小的范围内。以辐射电磁干扰值超过标准限值20dB的开关电源为例,为确保辐射电磁干扰值在限值范围内,可以采取5种措施:一是将470pF电容并联到所有整流二极管的两端;二是在开关管的G极输入端并联50pF电容;三是将0.01μF电容并联到各个输出滤波电容;四是将小磁珠套到整流二极管上;五是结合实际情况改善屏蔽体的接地处理。

  在接地技术的应用中,要结合实际情况选择有效的接地方式。在开关电源接地技术的应用中,主要进行设备的信号接地、设备接大地。在设备的信号接地中,可以使用浮地和混合接地两种方式。以浮地方式为例,需要将电路或设备与公共接地系统隔离开,同时可以实现不同电位间的电路配合。在长期应用过程中发现,浮地方式具有良好的抗干扰性能,但也有一定的缺点,即容易导致电路与公共地之间积累静电,当积累到一定程度后引起严重的静电放电,最终演变成骚扰源。针对这一问题,可以考虑在公共地与浮地之间连接一个电阻值大的泄放电阻,以释放所积累的电荷。

  在设备接大地中,必须实现3个方面的要求:一是确保设备操作人员始终安全;二是及时泄放机箱上所积累的电荷;三是避免设备在电磁环境下对大地的电位发生变化。可以说,设备接大地不仅可以实现设备安全与人员安全,而且能够较好地抑制电磁骚扰。

  屏蔽技术对抑制开关电源的电磁干扰十分有效,值得推广应用。为防止脉冲变压器的磁场泄漏,可以考虑使用闭合环,形成磁屏蔽。另外,还需要使用电场屏蔽的方式屏蔽整个开关电源。需要注意的是:若要实现电场屏蔽,须将屏蔽外壳接地,否则无法起到屏蔽效果;但若是要进行磁场屏蔽,则不必将屏蔽外壳接地。总的来说,针对开关电源,需要重点做好4个方面的屏蔽工作:一是开关管的屏蔽;二是高频变压器的屏蔽;三是机壳屏蔽;四是整流二极管屏蔽,优先考虑使用光电隔离技术。

  电磁兼容技术在开关电源中的运用具有较高的专业性与复杂性,涉及不少专业知识,因此要格外注意。在开关电源中运用电磁兼容技术,可以将重点放在设计输入端滤波器、预防辐射电磁干扰、使用接地技术、使用屏蔽技术4个方面,以求实现最佳的电磁兼容性设计。