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开关电源电磁干扰抑制技术

现代电子技术 于淑芳 何忠跃 徐红丽?? 2010年07月26日 ?? 收藏0

  0 引言

  随着现代电子技术和功率器件的发展,开关电源以其体积小,重量轻,高性能,高可靠性等特点被广泛应用于计算机及外围设备通信、自动控制、家用电器等领域,为人们的生产生活和社会的建设提供了很大帮助。但是,随着现代电子技术的快速发展,电子电气设备的广泛应用,处于同一工作环境的各种电子、电气设备的距离越来越近,电子电路工作的外部环境进一步恶化。由于开关电源工作在高频开关状态,内部会产生很高的电流、电压变化率,导致开关电源产生较强的电磁干扰。电磁干扰信号不仅对电网造成污染,还直接影响到其他用电设备甚至电源本身的正常工作,而且作为辐射干扰闯入空间,造成电磁污染,制约着人们的生产和生活。

  国内在20世纪80一90年代,为了加强对当前国内电磁污染的治理,制定了一些与CISPR标准、IEC801等国际标准相对应的标准。自从2003年8月1日中国强制实施3C认证(china compulsory certification)工作以来,掀起了“电磁兼容热”,近距离的电磁干扰研究与控制愈来愈引起电子研究人员们的关注,当前已成为当前研究领域的一个新热点。本文将针对开关电源电磁干扰的产生机理系统地论述相关的抑制技术。

  l 开关电源电磁干扰的抑制

  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,抑制电磁干扰应从这三方面人手。抑制干扰源、消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射、提高受扰设备的抗扰能力,从而改善开关电源的电磁兼容性能的目的。

  1.1 采用滤波器抑制电磁干扰

  滤波是抑制电磁干扰的重要方法,它能有效地抑制电网中的电磁干扰进入设备,还可以抑制设备内的电磁干扰进入电网。在开关电源输入和输出电路中安装开关电源滤波器,不但可以解决传导干扰问题,同时也是解决辐射干扰的重要武器。滤波抑制技术分为无源滤波和有源滤波2种方式。

  1.1.1 无源滤波技术

  无源滤波电路简单,成本低廉,工作性能可靠,是抑制电磁干扰的有效方式。无源滤波器由电感、电容、电阻元件组成,其直接作用是解决传导发射。开关电源中应用的无源滤波器的原理结构图如图1所示。

  由于原电源电路中滤波电容容量大,整流电路中会产生脉冲尖峰电流,这个电流由非常多的高次谐波电流组成,对电网产生干扰;另外电路中开关管的导通或截止、变压器的初级线圈都会产生脉动电流。由于电流变化率很高,对周围电路会产生出不同频率的感应电流,其中包括差模和共模干扰信号,这些干扰信号可以通过2根电源线传导到电网其他线路和干扰其他的电子设备。图中差模滤波部分可以减少开关电源内部的差模干扰信号,又能大大衰减设备本身工作时产生的电磁干扰信号传向电网。又根据电磁感应定律,得E=Ldi/dt,其中:E为L两端的电压降;L为电感量;di/dt为电流变化率。显然要求电流变化率越小,则要求电感量就越大。

  脉冲电流回路通过电磁感应其他电路与大地或机壳组成的回路产生的干扰信号为共模信号;开关电源电路中开关管的集电极与其他电路之间产生很强的电场,电路会产生位移电流,而这个位移电流也属于共模干扰信号。图1中共模滤波器就是用来抑制共模干扰,使之受到衰减。

共模滤波器就是用来抑制共模干扰

  1.1.2 有源滤波技术

  有源滤波技术是抑制共模干扰的一种有效方法。该方法从噪声源出发而采取的措施(如图2所示),其基本思想是设法从主回路中取出一个与电磁干扰信号大小相等、相位相反的补偿信号去平衡原来的干扰信号,以达到降低干扰水平的目的。如图2所示,利用晶体管的电流放大作用,通过把发射极的电流折合到基极,在基极回路来滤波。R1,C2组成的滤波器使基极纹波很小,这样射极的纹波也很小。由于C2的容量小于C3,减小了电容的体积。这种方式仅适合低压小功率电源的情况。另外,在设计和选用滤波器时应注意频率特性、耐压性能、额定电流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。滤波器的安装位置要恰当,安装方法要正确,才能对干扰起到预期的滤波作用。

有源滤波技术

  1.2 屏蔽技术和接地技术

  采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。屏蔽一般分为2种:一种是静电屏蔽,主要用于防止静电场和恒定磁场的影响;另一种是电磁屏蔽,主要用于防止交变电场、磁场以及交变电磁场的影响。屏蔽技术分为对发出电磁波部位的屏蔽和受电磁波影响的元器件的屏蔽。在开关电源中,可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等,通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽,以使电磁波产生衰减。

  此外,为了抑制开关电源产生的辐射向外部发散,为了减少电磁干扰对其他电子设备的影响,应采取整体屏蔽。可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩,然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体,就能对电磁场进行有效的屏蔽。然而在使用整体屏蔽时应充分考虑屏蔽材料的接缝、电线的输入/输出端子和电线的引出口等处的电磁泄露,且不易散热,结构成本大幅度增加等因素。


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开关电源? 电磁干扰? PFC? 整流?

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