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(多图) 高频开关电源的EMC设计

佛山科学技术学院 方清城 李先祥?? 2009年06月22日 ?? 收藏0

  0 引 言

  目前,在计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域中大量使用高频开关电源,但高频开关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰(Electro Magnet-ic Interference,EMI)。

  由于高频开关电源的一次整流桥是非线性器件,其形成的电流是严重失真的正弦半波,含有丰富的高次谐波,形成了一系列连续、脉动和瞬变干扰。因此,在高频开关电源设计中必须考虑电磁兼容性(Electro Magnet-ic Compatbility,EMC)的设计。

  电网完全在自然环境中,连接着各种电子电气设备,有着复杂的电磁转换过程,可能会引起一些问题:外来噪声使高频开关电源设备的控制电路出现误动作;通信设备由于高频开关电源设备的噪声而出现误动作;高频开关电源设备对电网产生噪声污染;高频开关电源设备向空间散发噪声。

  根据上述情况,针对高频开关电源存在的缺点,在此对其电路及印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)进行了电磁兼容性的设计研究。

  1 高频开关电源的EMC设计

  1.1 高频开关电源主电路组成

  高频开关电源主电路组成框图如图1所示,它由输入滤波电路、高频逆变电路、输出整流电路及输出直流滤波电路等组成。

高频开关电源主电路组成框图

  1.2 输入滤波电路的EMC设计

  输入滤波电路的EMC设计如图2所示。

输入滤波电路的EMC设计

  VD2为瞬态电压抑制二极管,Rv1为压敏电阻,它们都具有很强的瞬变浪涌吸收能力,能很好地保护后级元气件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z1为直流抗电磁干扰滤波器,必须良好接地,且接地线要短。L1和C1组成低通滤波电路,当L1的电感量较大时,必须增加VD1和R1形成续流回路,以吸收L1断开时释放时的电场能量,否则,L1产生的电压尖峰就会形成EMI。L1的磁芯使用闭合磁芯,可以避免开环磁芯的漏磁场形成EMI。C1采用大容量的电容,可以减少输入线上的纹波电压,减弱在输入导线周围形成的电磁场。

  1.3 高频逆变电路的EMC设计

  高频逆变电路的EMC设计如图3所示。

高频逆变电路的EMC设计

  C2,C3,VT2,VT3组成半桥逆变电路,VT2,VT3为IGBT或MOSFET等开关管。R4和C4构成EMI吸收回路,或在VT2,VT3两端并联C5,C6,由于VT2,VT3开通和关断时,开关时间很短以及引线电感、变压器漏感的存在,回路会产生较高的di/dt,du/dt,从而形成EMI。C4,C5,C6采用低感电容,其容量的大小由公式LI2/2=C△U2/2求得C的值(L为回路电感,I为回路电流,△U为过冲电压值)。

  1.4 输出整流电路的EMC设计

  输出整流电路的EMC设计如图4所示。

输出整流电路的EMC设计

  VD6为整流二极管,VD7为续流二极管。由于VD6,VD7工作于高频开关状态,是产生EMI的主要源头。把R5,C12和R6,C13分别连接成VD6,VD7的吸收回路,用于吸收其开关时产生的电压尖峰。

  减少整流二极管的数量可减少EMI的能量,因此,在同等条件下采用半波整流比全波整流和全桥整流产生的EMI要小。为减少二极管的EMI,选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小的且时间短的二极管。

  1.5 输出直流滤波电路的EMC设计

  直流EMI滤波器双端口网络模型如图5所示,其混合参数方程为:

公式

  式中:g11为输入导纳;g22为输出阻抗;g12为反向电流增益;g21为正向电压增益。

直流EMI滤波器双端口网络模型

  由式(1)可以等效出如图6所示的原理图。

直流EMI滤波器等效原理图

  直流EMI滤波器的设计必须满足以下的要求:

  (1)要保证滤波器在滤波的同时不影响电源的带负载能力;

  (2)对于输入的直流分量,要求滤波器尽量不造成衰减;

  (3)对于谐波分量,滤波器要有良好的滤波效果。

  结合混合参数方程及等效原理图,根据第一条要求,应使滤波器的输入导纳和输出阻抗尽可能小,即g11=g22=0。根据第二条要求,在低频时反向电流增益g12和正向电压增益g21的设计值要尽量为1,而输入导纳和输出阻抗尽可能小,即g12=g21=1,g11=g22=0。根据第三条要求,在高频时,g11,g12,g21,g22都要尽可能的小。根据以上的条件,输出直流滤波电路的EMC设计电路如图7所示,L2,C17,C18组成LC滤波电路,减少输出电压、电流纹波的大小,从而减小通过辐射传播的EMI。滤波电容C17,C18应尽量采用多个电容并联,以减小等效串联电阻,从而减小纹波电压。输出电感L2应尽量大,以减小输出纹波电流。

输出直流滤波电路的EMC设计电路

  C19用于滤除导线上的共模干扰,选用低感电容,接线要短。C20,C21,C22,C23用于滤除输出线上的差模干扰,选用低感的三端电容。Z2为直流滤波器,滤波器的输入、输出线要屏蔽隔离。


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开关电源? EMC? PCB? 电磁兼容?

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