开关电源电磁兼容性问题研究

来源:未知  发布时间:2013-09-13 20:29  Tags:开关电源,电磁兼容 
1 前言 开关电源因具有体积...

1 前言

开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、工作可靠、可远程监控等优点,而广泛应用于工业、通讯、军事、民用、航空等各个领域。

在很多场合,开关电源,特别是通信开关电源要有很强的抗电磁干扰能力,如对浪涌、电网电压波动的适应能力,对静电、电场、磁场及电磁波等的抗干扰能力,保证自身能够正常工作以及对设备供电的稳定性。

一方面,因开关电源内部的功率开关管、整流或续流二极管及主功率变压器,是在高频开关的方式下工作,其电压电流波形多为方波。在高压大电流的方波切换过程中,将产生严重的谐波电压及电流。这些谐波电压及电流,一方面通过电源输入线或开关电源的输出线传出,对与电源在同一电网上供电的其它设备及电网产生干扰,使设备不能正常工作;另一方面,严重的谐波电压电流在开关电源内部产生电磁干扰,从而造成开关电源内部工作的不稳定,使电源的性能降低。还有部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙,向周围空间辐射,与通过电源线、直流输出线产生的辐射电磁场,一起通过空间传播的方式,对其它高频设备及对电磁场比较敏感的设备造成干扰,引起其它设备工作异常。

因此,对开关电源要限制由负载线、电源线产生的传导干扰,及由辐射传播的电磁场干扰,使处于同一电磁环境中的设备均能够正常工作,互不干扰[1][2]。

2 国内外电磁兼容性标准[1]

电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何设备构成不能承受的电磁干扰的能力。

要彻底消除设备的电磁干扰及对外部一切电磁干扰信号是不可能的。只能通过系统地制定设备与设备之间允许产生的电磁干扰大小及抵抗电磁干扰的能力的标准,才能使电气设备及系统间达到电磁兼容的要求。国内外大量的电磁兼容性标准,为系统内的设备相互达到电磁兼容性制订了约束条件。

国际无线电干扰特别委员会(CISPR)是国际电工委员会(IEC)下属的一个电磁兼容标准化组织,设六个分会。早在1934年就开展EMC标准的研究。其中第六分会(SCC)主要负责制定关于干扰测量接收机及测量方法的标准。CISPR16《无线电干扰和抗干扰度测量设备规范》对电磁兼容性测量接收机、辅助设备的性能以及校准方法给出了详细的要求。CISPR17《无线电干扰滤波器及抑制元件的抑制特性测量》制订了滤波器的测量方法。CISPR22《信息技术设备无线电干扰限值和测量方法》规定了信息技术设备在0.15MHz~1000MHz频率范围内产生的电磁干扰限值。CISPR24《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》规定了信息技术设备对外部干扰信号的时域及频域的抗干扰性能要求。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24构成了信息技术设备包括通信开关电源设备的电磁兼容性测试内容及测试方法要求,是目前通信开关电源电磁兼容性设计的最基本要求。

IEC最近也出版了大量的基础性电磁兼容性标准,其中最有代表性的是IEC61000系列标准。它规定电子电气设备的雷击、浪涌(SURGE)、静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)、电流谐波、电压跌落、电压瞬变及短时中断、电压起伏和闪烁、辐射电磁场、由射频电磁场引起的传导干扰抗扰度、传导干扰及辐射干扰等的电磁兼容性要求。

另外,美国联邦委员会制定的FCC15、德国电气工程师协会制订的VDE0871、2A1、VDE0871、2A2、VDE0878,都对通信设备的电磁兼容性提出了要求。

我国对电磁兼容性标准的研究比较晚,采取的最主要的办法是引进、消化、吸收,洋为中用是国内电磁兼容性标准制订的最主要方法。1998年,信息产业部根据CISPR22、IEC61000系列标准及ITU-T0.41标准,制定了YD/T983-1998《通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法》,详尽规定了通信电源设备包括通信开关电源的电磁兼容性的具体测试项目、要求及测试方法,为通信电源电磁兼容性的检验、达标并通过入网检测明确了设计目标。

国标也等同采用了相应的国际标准。如GB/T17626.1~12系列标准等同采用了IEC61000系列标准;GB9254-1998《信息技术设备的无线电干扰限值及测量方法》等同采用CISPR22;GB/T17618-1998《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》等同采用CISPR24。

3 开关电源的电磁兼容性问题的由来

电磁兼容产生的3个要素为:干扰源、传播途径及受干扰体。

开关电源因工作在开关状态下,其引起的电磁兼容性问题是相当复杂的。我们从开关电源的组成原理来分析其产生电磁干扰的原由。

开关电源的种类很多,按电路结构可分为串联式和直流变换式两种;按激励方式可分为自激和他激两种;按开关管的组合可分为单管、全桥、半桥、推挽,等等。然而,无论何种类型的开关电源,均是利用半导体器件作为开关,以开和关的时间比例来控制输出电压的高低。由于开关电源的工作频率都在几十至几百kHz,所以线路中的电流和电压变化率都很大,产生了很大的电磁干扰,它们会通过电源线以共模和差模的方式向外传输干扰,同时也会向周围空间辐射干扰。图1是普通开关电源线路图,用于说明电源中电磁干扰的产生与耦合途径。

3.1输入整流回路

在输入整流回路中,整流管VD1~VD4只有在脉动电压超过输入滤波电容C1上的电压的时候才能导通,电流才从市电电源输入,并对C1进行充电。一旦C1上的电压高于市电电源的瞬时电压,整流管截止。所以,输入整流回路的电流是脉冲性质的,有着丰富的高次谐波电流。输入电流与市电电源电压的不同步,还导致了开关电源的功率因数低下。

3 .2开关回路

开关电源在工作时,开关管VT处于高频通断状态,经由高频变压器T的初级线圈、开关管VT和输入滤波电容C1形成了一个高频电流环路。这个环路的存在,就有可能对空间形成电磁辐射。

输入滤波电容C1对电磁干扰的形成也有一定的影响,如果C1的电容量不足够大,则输入滤波效果不好,这时高频电流还会以差模方式传导到交流电源中去。

此外,在开关回路中,开关管驱动的负载是高频变压器的初级线圈,是电感性的,由于高频变压器的结构不是完全理想的,除了初级电感外,还存在一定的漏电感。所以,在开关管关断的瞬间,变压器中存储的能量不能完全地传送到次级,结果在高频变压器的漏电感上感应出一个尖峰高电压,如果尖峰有足够高的幅度,很有可能会造成开关管VT的击穿。

3.3 次级整流回路

开关电源在工作时,次级整流回路的VD5也处于高频通断状态。由高频变压器次级线圈、整流二极管VD5和滤波电容C2构成了高频开关电流环路。由于有这个环路的存在,同样也有可能对空间形成电磁辐射。

次级整流回路中的二极管在正向导通时,PN结被充电;在加反向电压时,积累的电荷将被抛散,并因此产生反向电流,这个过程非常短暂。所以,在有分布电感和分布电容存在的回路里,实际上也形成了一个高频的谐振电路,当二极管截止瞬间的电流变化非常剧热时,在整个次级整流回路中会产生高频衰减振荡。

3.4控制回路

在控制回路中的脉冲控制信号是主要的干扰源,只不过与其它各项干扰源比较起来,控制回路的干扰比较小。

3.5由分布电容引起的干扰

(1)由初级回路开关管外壳与散热器的容性耦合引起的共模传导干扰 在初级回路中,开关管外壳与散热器之间的容性耦合,会在电源输入端产生传导共模干扰。该共模传导的途径形成一个环路。该环路始于高du/dt的散热器和安全接地线,通过交流电源的高频导纳和输入电源线返回。

(2)由高频变压器初次级之间分布电容引起的共模传导干扰

共模干扰是一种相对大地的干扰,所以它不会通过变压器“电生磁和磁生电”的机理来传递,而必须通过变压器绕组间的耦合电容传递。在开关电源的高频变压器初次级之间存在着分布电容是个不争的事实。

3.6 产生干扰的其它原因

开关电源为了提高功率因数,均采用了有源功率因数校正电路。同时,为了提高电路的效率及可靠性,减小功率器件的电应力,大量采用了软开关技术。其中零电压、零电流或零电压零电流开关技术应用最为广泛。该技术极大地降低了开关器件所产生的电磁干扰。但是,软开关无损吸收电路,多利用L、C进行能量转移,利用二极管的单向导电性能实现能量的单向转换。因而,该谐振电路中的二极管成为电磁干扰的一大干扰源。

开关电源中,一般利用储能电感及电容器组成L、C滤波电路,实现对差模及共模干扰信号的滤波,以及交流方波信号转换为平滑的直流信号。由于电感线圈的分布电容,导致电感线圈的自谐振频率降低,从而使大量的高频干扰信号穿过电感线圈,沿交流电源线或直流输出线向外传播。随着干扰信号频率的上升,由于引线电感的作用,导致电容量及滤波效果不断下降,直至达到谐振频率以上时,完全失去电容器的作用而变为感性。不正确地使用滤波电容及引线过长,也是产生电磁干扰的一个原因。

开关电源PCB布线不合理、结构设计不合理、电源线输入滤波不合理、输入输出电源线布线不合理、检测电路的设计不合理,均会导致系统工作的不稳定或降低对静电放电、电快速瞬变脉冲群、雷击、浪涌及传导干扰、辐射干扰及辐射电磁场等的抗扰性能力。

4 电磁兼容性研究及解决方法[3][4]

电磁兼容性的研究。一般运用CISPR16及IEC61000中规定的电磁场检测仪器及各种干扰信号模拟器、附助设备,在标准测试场地或实验室内部,通过详尽的测试分析、结合对电路性能的理解来进行分析研究。

从电磁兼容性的三要素讲,要解决开关电源的电磁兼容性,可从3个方面入手:

(1)减小干扰源产生的干扰信号;

(2)切断干扰信号的传播途径;

(3)增强受干扰体的抗干扰能力。

在解决开关电源内部的电磁兼容性时,可以综合运用上述3个方法,以成本效益比及实施的难易性为前提。

对开关电源产生的对外干扰,如电源线谐波电流、电源线传导干扰、电磁场辐射干扰等,只能用减小干扰源的方法来解决。一方面,可以增强输入输出滤波电路的设计,改善有源功率因数校正(APFC)电路的性能,减少开关管及整流续流二极管的电压电流变化率,采用各种软开关电路拓扑及控制方式等。另一方面,加强机壳的屏蔽效果,改善机壳的缝隙泄漏,并进行良好的接地处理。

对外部的抗干扰能力,如浪涌、雷击,应优化交流输入及直流输出端口的防雷能力。通常,对1.2/50µs开路电压及8/20µs短路电流的组合雷击波形,因能量较小,可采用氧化锌压敏电阻与气体放电管等的组合方法来解决。对于静电放电,通常在通信端口及控制端口的小信号电路中,采用TVS管及相应的接地保护、加大小信号电路与机壳等的电距离,或选用具有抗静电干扰的器件来解决。快速瞬变信号含有很宽的频谱,很容易以共模的方式传入控制电路内,采用防静电相同的方法并减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波(如加共模电容或插入损耗型的铁氧体磁环等)来提高系统的抗扰性能。

减小开关电源的内部干扰,实现其自身的电磁兼容性,提高开关电源的稳定性及可靠性,应从以下几个方面入手:注意数字电路与模拟电路PCB布线的正确区分、数字电路与模拟电路电源的正确去耦;注意数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻干扰、减小地环的影响;布线时注意相邻线间的间距及信号性质,避免产生串扰;减小地线阻抗;减小高压大电流线路特别是变压器原边与开关管、电源滤波电容电路所包围的面积;减小输出整流电路及续流二极管电路与直流滤波电路所包围的面积;减小变压器的漏电感、滤波电感的分布电容;采用谐振频率高的滤波电容器等。

5 结语

如今EMI/EMC问题已成为开关电源稳定工作的一个关键因素,也是开关电源能否更加广泛应用的关键因素。开关电源的 EMI抑制技术在开关电源设计中占有很重要的位置。产生开关电源电磁干扰的因素很多,抑制电磁干扰还有大量的工作。全面抑制开关电源的各种干扰会使开关电源得到更广泛的应用。