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(多图) 通信开关电源的EMI/EMC设计

来源:现代电子技术/作者:张津津 罗映红?? 2007年08月27日 ?? 收藏0

  1 引言

  通信开关电源一般都采用脉冲宽度调制(PWM)技术,其特点是频率高、效率高、功率密度高、可靠性高,另外还有体积小、重量轻、具有远程监控等优点,因此被广泛地应用于程控交换、光数据传输、无线基站、有线电视系统及IP网络中,是信息技术设备正常工作的核心动力。然而,由于其开关器件工作在高频通断状态,高频的快速瞬变过程本身就是电磁干扰(EMD)源,他产生的电磁干扰EMI信号有很宽的频率范围,又有一定的幅度,经传导和辐射会污染电磁环境,对通信设备和电子产品造成干扰。同时,通信开关电源要有很强的抗电磁干扰的能力,特别是对雷击、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、辐射发射等项目需要满足有关EMC标准的规定。

  2 开关电源引起电磁兼容性的原因

  通信开关电源因工作在高电压大电流的开关工作状态下,其引起电磁兼容性问题的原因是相当复杂的。按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干扰两种;按照干扰信号对于电路作用的形态不同,可将电源系统内的干扰分为共模干扰和差模干扰两种。通常,线路电源线上的任何传导干扰信号,都

可表示成共模和差模干扰两种方式。

  在开关电源中,主功率开关管在高电压、大电流或以高频开关方式工作下,开关电压及开关电流的波形在阻性负载时近似为方波,其中含有丰富的高次谐波分量。由于电压差可以产生电场、电流的流动可以产生磁场,以及丰富的谐波电压电流的高频部分在设备内部产生电磁场,从而造成设备内部工作的不稳定,使设备的性能降低。同时,由于电源变压器的漏电感及分布电容,以及主功率开关器件的工作状态非理想,在高频开或关时,常常产生高频高压的尖峰谐波振荡,该谐波振荡产生的高次谐波,通过开关管与散热器问的分布电容传人内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。

  如图1所示,电网中含有的共模和差模噪声对开关电源产生干扰,开关电源在受到电磁干扰的同时也对电网其他设备以及负载产生电磁干扰,例如返回噪声、输出噪声和辐射干扰等。进行开关电源EMI/EMC设计时,一方面要防止开关电源对电网和附近的电子设备产生干扰;另一方面要加强开关电源本身对电磁干扰环境的适应能力。下面用等效电路分别介绍共模和差模干扰产生的原因及路径。

开关电源噪声类型图

  
?????? 如图2所示,当开关管转为“关”时,集电极与发射极间的电压快速上升达500 V,他产生的电流经集电极与地之间的分布电容返回整流桥,这个按开关频率工作的脉冲串电流是共模噪声。这个电压会引起共模电流Icm2向CP2充电和共模电流Icm1向CP1充电,其中CP1为变压器初、次级之间的分布电容,CP2为开关电源与散热器之间的分布电容(即开关管集电极与地之间的分布电容)。则线路中共模电流总大小为Icm1+Icm2。如图3所示,当开关管转为“开”时,储能电容Cs的能量由AC电网和整流桥提供,他被开关管变换器的快速开关频率所变换,并通过变压器形成脉冲电流IL,他具有非常丰富的开关频率谐波。储能电容不是一个纯电容,他有串联电阻和电感。当整流桥处开关管“开”时,在AC电网端,IL会产生一个由电容的L,R,C所呈现的阻抗电压,这就是开关电源产生差模发射源的原理。差模电流Idm和信号电流IL沿着导线、变压器初级、开关管组成的回路流通。

开关电源共模干扰等效电路

  
?????? 3 开关电源的电磁兼容性设计

  电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)是指在有限的空间、时间和频谱范围内,各种电气设备共存而不引起性能的下降。形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备,因而,抑制电磁干扰也应该从这3个方面着手。首先应该抑制干扰源,直接消除干扰原因;其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径;第三是提高受扰设备的抗扰能力,降低其对噪声的敏感度。目前抑制开关电源EMI的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道,常用的方法是屏蔽和滤波,他们的确是行之有效的办法。

开关电源差模干扰等效电路

  


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通信? 开关电源? EMI? EMC?

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