1、開關(guān)電源EMI濾波器的電路設(shè)計

當開關(guān)電源的諧波電平在低頻段(頻率范圍0.15～30MHz)表現(xiàn)在電源線上時,稱之為傳導(dǎo)干擾。要抑制傳導(dǎo)干擾相對比較容易,只要使用適當?shù)腅MI濾波器,就能將其在電源線上的EMI信號電平抑制在相關(guān)標準規(guī)定的限值內(nèi)。

要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減性能,則濾波器阻抗應(yīng)與電源阻抗失配,越失配,實現(xiàn)的衰減越理想,得到的插入損耗特性就越好。也就是說,如果噪音源內(nèi)阻是低阻抗的,則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是高阻抗(如電感量很大的串聯(lián)電感);如果噪音源內(nèi)阻是高阻抗的,則EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是低阻抗(如容量很大的并聯(lián)電容)。這個原則也是設(shè)計抑制開關(guān)電源EMI濾波器必須遵循的。

幾乎所有設(shè)備的傳導(dǎo)干擾都包含共模噪音和差模噪音,開關(guān)電源也不例外。共模干擾是由于載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的,其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的;而差模干擾則是由于載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的,其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。通常,線路上干擾電壓的這兩種分量是同時存在的。由于線路阻抗的不平衡,兩種分量在傳輸中會互相轉(zhuǎn)變,情況十分復(fù)雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路,如圖1所示。

圖1 電源濾波器

圖中:

差模抑制電容Cx1、Cx2:0.1～0.47μF;

差模抑制電感L1、L2:100～130μH;

共模抑制電容Cy1、Cy2:<>

共模抑制電感L:15～25mH。

設(shè)計時,必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開關(guān)電源的工作頻率,一般要低于10kHz,即

在實際使用中,由于設(shè)備所產(chǎn)生的共模和差模的成分不一樣,可適當增加或減少濾波元件。具體電路的調(diào)整一般要經(jīng)過EMI試驗后才能有滿意的結(jié)果,安裝濾波電路時一定要保證接地良好,并且輸入端和輸出端要良好隔離,否則,起不到濾波的效果。

開關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾以共模干擾為主,在設(shè)計濾波電路時可嘗試去掉差模電感,再增加一級共模濾波電感。常采用如圖2所示的濾波電路,可使開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾下降近30dB,比CISOR22標準的限值低了近6dB以上。

還有一個設(shè)計原則是不要過于追求濾波效果而造成成本過高,只要達到EMC標準的限值要求并有一定的余量(一般可控制在6dB左右)即可。

圖2 電源濾波器

2、輻射EMI的抑制措施

如前所述,開關(guān)電源是一個很強的騷擾源,它來源于開關(guān)器件的高頻通斷和輸出整流二極管反向恢復(fù)。很強的電磁騷擾信號通過空間輻射和電源線的傳導(dǎo)而干擾鄰近的敏感設(shè)備。除了功率開關(guān)管和高頻整流二極管外,產(chǎn)生輻射干擾的主要元器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。

雖然,功率開關(guān)管的快速通斷給開關(guān)電源帶來了更高的效益,但是,也帶來了更強的高頻輻射。要降低輻射干擾,可應(yīng)用電壓緩沖電路,如在開關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路(如圖3所示),或電流緩沖電路,如在開關(guān)管的集電極上串聯(lián)20～80μH的電感。電感在功率開關(guān)管導(dǎo)通時能避免集電極電流突然增大,同時也可以減少整流電路中沖擊電流的影響。

圖3 R-C-D吸收電路

功率開關(guān)管的集電極是一個強干擾源,開關(guān)管的散熱片應(yīng)接到開關(guān)管的發(fā)射極上,以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產(chǎn)生的電流流入主電路中。為減少散熱片和機殼的分布電容,散熱片應(yīng)盡量遠離機殼,如有條件的話,可采用有屏蔽措施的開關(guān)管散熱片。

圖4 RC緩沖電路

整流二極管應(yīng)采用恢復(fù)電荷小,且反向恢復(fù)時間短的,如肖特基管,最好是選用反向恢復(fù)呈軟特性的。另外在肖特基管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)均可減少干擾,電阻、電容的取值可為幾Ω和數(shù)千pF,電容引線應(yīng)盡可能短,以減少引線電感。實際使用中一般采用具有軟恢復(fù)特性的整流二極管,并在二極管兩端并接小電容來消除電路的寄生振蕩(如圖4所示)。

負載電流越大,續(xù)流結(jié)束時流經(jīng)整流二極管的電流也越大,二極管反向恢復(fù)的時間也越長,則尖峰電流的影響也越大。采用多個整流二極管并聯(lián)來分擔負載電流,可以降低短路尖峰電流的影響。

開關(guān)電源必須屏蔽,采用模塊式全密封結(jié)構(gòu),建議用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板,屏蔽層必須良好接地。在高頻脈沖變壓器初、次級之間加一屏蔽層并接地,可以抑制干擾的電場耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩,可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內(nèi)。

根據(jù)以上設(shè)計思路,對輻射干擾超過標準限值20dB左右的某開關(guān)電源,采用了一些在實驗室容易實現(xiàn)的措施,進行了如下的改進:

(1)在所有整流二極管兩端并470pF電容;

(2)在開關(guān)管G極的輸入端并50pF電容,與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器;

(3)在各輸出濾波電容(電解電容)上并一0.01μF電容;(4)在整流二極管管腳上套一小磁珠;

(5)改善屏蔽體的接地。

經(jīng)過上述改進后,該電源就可以通過輻射干擾測試的限值要求。

3、EMI濾波器的發(fā)展趨勢

90年代以來,隨著電子設(shè)備小型化和表面組裝技術(shù)的發(fā)展,電子元器件向小型化、片式化、復(fù)合化、多功能和高性能化發(fā)展,各種表面組裝元件逐漸成為電子元件的主流產(chǎn)品。因此,目前擺在傳統(tǒng)EMI濾波器面前的一個不可回避的問題是如何適應(yīng)電子設(shè)備小型化的發(fā)展需求。目前,國際片式EMI濾波器以信號濾波器為主,可運用于電源的EMI濾波器較少。有效抑制開關(guān)電源噪聲的新一代EMI濾波器應(yīng)該是由有效的共、差模扼流圈和若干電容組成的相關(guān)電路,為了減小體積,這些電感、電容元件應(yīng)盡可能采用片式元件。以采用片式電容、電感為主的新一代EMI濾波器的出現(xiàn)和發(fā)展將是歷史的必然。與標準模塊電源的發(fā)展歷史一樣,新一代EMI濾波器也應(yīng)該向標準模式電路的方向發(fā)展。由于目前直流系列片式電容發(fā)展迅速,所以新一代直流系列EMI濾波器的發(fā)展有可能成為現(xiàn)實。

4、結(jié)束語

開關(guān)電源技術(shù)是一項綜合性技術(shù),可以利用先進的半導(dǎo)體電路設(shè)計技術(shù)、磁性材料、電感元件技術(shù)以及開關(guān)器件技術(shù)等來有效地減少和抑制EMI。目前,開關(guān)電源已日益廣泛地應(yīng)用到各種控制設(shè)備、通信設(shè)備以及家用電器中,其電磁干擾問題及與其它電子設(shè)備的電磁兼容問題已日益成為人們關(guān)注的熱點,未來電磁干擾及其相關(guān)問題必將得到更多的研究。

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