開關電源的電磁兼容操控戰(zhàn)略與操控技能計劃有許多
電磁兼容是指電子設備或體系在其電磁環(huán)境能正常作業(yè)，且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁打擾的才干。它包括電磁攪擾和電磁靈敏兩方面的內容。EMI是指電器產(chǎn)品向外宣布攪擾。EMS是指電器產(chǎn)品反抗電磁攪擾的才干。一臺具備杰出電磁兼容性的設備應既不受周圍電磁噪聲的影響，也不對周圍環(huán)境造成電磁攪擾。電磁攪擾的三個要素是攪擾源、耦合通道和靈敏體。按捺開關電源發(fā)生的攪擾對確保電子體系的正常穩(wěn)定運轉具有十分重要的含義，電磁攪擾的按捺技能首要包括削弱攪擾的能量，阻隔和削弱噪聲耦合途徑及進步設備對電磁打擾的反抗才干等。本文剖析了開關電源電磁攪擾發(fā)生原因，介紹了開關電源電磁攪擾按捺技能及規(guī)劃辦法。
1.開關電源電磁攪擾的發(fā)生
開關電源一般是將工頻溝通電整流為直流電，然后經(jīng)過開關管的操控使其變?yōu)楦哳l，再經(jīng)過整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓。工頻整流濾波運用大容量電容充、放電，開關管高頻通斷，輸出整流二極管的反向恢復等作業(yè)過程中發(fā)生了極高的di/dt和du/dt，構成了強烈的浪涌電流和尖峰電壓，它是開關電源電磁攪擾發(fā)生的最基本原因。別的，開關管的驅動波形，MOSFET漏源波形等都是挨近矩形波形狀的周期波。因此，其頻率是MHz級別的，這些高頻信號對開關電源的基本信號，特別是操控電路的信號造成攪擾。
1.1輸入整流電路的諧波攪擾
開關電源輸入端一般選用橋式整流、電容濾波電路。整流橋只要在脈動電壓超過輸入濾波電容上的電壓時才干導通，電流才從市電電源輸入，并對濾波電容充電。一旦濾波電容上的電壓高于市電電源的瞬時電壓，整流管便截止。所以，輸入電路的電流是脈沖性質的，而且有著豐厚的高效諧波電流。這是由于整流電路的非線性特性，整流橋溝通側的電流嚴重失真。
而直流側的諧波次數(shù)是n倍。所以，整流電路直流側高頻諧波電流不僅使電路發(fā)生功率，添加電路的無功功率，而且高頻諧波會沿著傳輸線路發(fā)生傳導攪擾和輻射攪擾。
1.2開關電路發(fā)生的攪擾
開關電路在開關電源中起著要害的效果，一起也是首要的攪擾源之一。開關管負載為高頻變壓器初級線圈，是感性負載。其在導通瞬間，初級線圈發(fā)生很大的涌流，并在初級線圈的兩頭呈現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;在斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉�圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻構成帶有尖峰的衰減震動，疊加在關斷電壓上，構成關斷電壓尖峰。假如尖峰有足夠高的起伏，那么很有或許把開關管擊穿。
1.3高頻變壓器發(fā)生的共模傳導打擾
高頻變壓器是開關電源中實現(xiàn)能量儲存、阻隔、輸出、電壓改換的重要部件，它的漏感和散布電容對電路的電磁兼容功用發(fā)生較大的影響。由于初級線圈有漏磁通，致使一部分能量沒有傳輸?shù)酱渭壘�圈，而是經(jīng)過集電極電路中的電容、電阻構成帶有尖峰的衰減振動，疊加在關斷電壓上，構成關斷電壓尖峰，發(fā)生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個噪聲會傳導到輸入、輸出端，構成傳導打擾，重者有或許擊穿開關管。別的，高頻變壓器初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環(huán)路或許會發(fā)生較大的空間輻射，構成輻射打擾。
在開關電源的調頻變壓器初次級之間存在著散布電容。用一個設備電容（設備對地的散布電容）來與整個開關電源等效，就構成了攪擾通道。共模攪擾經(jīng)過變壓器的耦合電容，經(jīng)過設備電容再回來大地，就得到一個由變壓器耦合電容與設備電容構成的分壓器。脈沖變壓器初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環(huán)路或許會發(fā)生較大的空間輻射，構成輻射打擾。
1.4散布及寄生參數(shù)引起的開關電源噪聲
開關電源的散布參數(shù)是大都攪擾的內涵因素，開關電源和散熱器之間的散布電容、變壓器初次級之間的散布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。共模攪擾便是經(jīng)過變壓器初、次級之間的散布電容以及開關電源與散熱器之間的散布電容傳輸?shù)�。其中變壓器繞組的散布電容與高頻變壓器繞組結構、制造工藝有關。開關電源與散熱器之間的散布電容與開關管的結構以及開關管的安裝方式有關。選用帶有屏蔽的絕緣襯墊能夠減小開關管與散熱器之間的散布電容。
在高頻作業(yè)下的元件都有高頻寄生特性，對其作業(yè)狀態(tài)發(fā)生影響。高頻作業(yè)時導線變成了發(fā)射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路，當頻率過高時各元件的頻率特性發(fā)生了相當大的改變。為了確保開關電源在高頻作業(yè)時的穩(wěn)定性，規(guī)劃開關電源時要充分考慮元件在高頻作業(yè)時的特性，選擇運用高頻特性比較好的元件。別的，在高頻時，導線寄生電感的感抗顯著添加，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線，也就成為了開關電源中的輻射攪擾源。
2.按捺電磁攪擾的辦法
開關電源存在著共模攪擾和差模攪擾兩種電磁攪擾形式。依據(jù)前面剖析的電磁攪擾源，結合它們的耦合途徑，能夠從EMI濾波器、吸收電路、接地和屏蔽等幾個方面來按捺攪擾，把電磁攪擾衰減到允許限度之內。
2.1溝通輸入EMI濾波器
濾波是一種按捺傳導攪擾的辦法，在電源輸入端接上濾波器能夠按捺來自電網(wǎng)的噪聲對電源自身的損害，也能夠按捺由開關電源發(fā)生并向電網(wǎng)反應的攪擾。電源濾波器作為按捺電源線傳導攪擾的重要單元，在設備或體系的電磁兼容規(guī)劃中具有極其重要的效果。電源進線端一般選用如圖1所示的EMI濾波器電路。該電路能夠有效地按捺溝通電源輸入端的低頻差模打擾和高頻段共模打擾。在電路中，跨接在電源兩頭的差模電容Cx1、Cx2（亦稱X電容）用于濾除差模攪擾信號，一般選用陶瓷電容器或聚脂薄膜電容器，電容值一般取0.1~0.47F。而中心連線接地的共模電容Cy1和Cy2（亦稱Y電容）則用來短路共模噪聲電流，取值范圍一般為C1=C2#2200pF。按捺電感L1、L2一般取100~130H，共模扼流圈L是由兩股等同而且按同方向繞制在一個磁芯上的線圈組成，一般要求其電感量L#15~25mH。當負載電流渡過共模扼流圈時，串聯(lián)在火線上的線圈所發(fā)生的磁力線和串聯(lián)在零線上線圈所發(fā)生的磁力線方向相反，它們在磁芯中彼此抵消。因此，即使在大負載電流的情況下，磁芯也不會飽滿。而關于共模攪擾電流，兩個線圈發(fā)生的磁場是同方向的，會呈現(xiàn)較大電感，然后起到衰減共模攪擾信號的效果。
2.2利用吸收電路
開關電源發(fā)生EMI的首要原因是電壓和電流的急劇改變，因此需求盡或許地下降電路中電壓和電流的改變率（du/dt和di/dt）。采納吸收電路能夠按捺EMI，其基本原理便是在開關關斷時為其供給旁路，吸收積蓄在寄生散布參數(shù)中的能量，然后按捺攪擾的發(fā)生。能夠在開關管兩頭并聯(lián)如圖2（a）所示的RC吸收電路，開關管或二極管在注冊和關斷過程中，管中發(fā)生的反向尖峰電流和尖峰電壓，能夠經(jīng)過緩沖的辦法予以克服。緩沖吸收電路能夠削減尖峰電壓的起伏和削減電壓波形的改變率，這關于半導體器材運用的安全性非常有優(yōu)點。與此一起，緩沖吸收電路還下降了射頻輻射的頻譜成份，有益于下降射頻輻射的能量。箝位電路首要用來避免半導體器材和電容器被擊穿的危險。兼顧箝位電路維護效果和開關電源的功率要求，TVS管的擊穿電壓選擇為初級繞組感應電壓的1.5倍。當TVS上的電壓超過必定起伏時，器材敏捷導通，然后將浪涌能量泄放掉，并將浪涌電壓的幅值限制在必定的起伏。在開關管漏極和輸出二極管的正極引線上可串聯(lián)帶可飽滿磁芯線圈或微晶磁珠，原料一般為鈷，當經(jīng)過正常電流時磁芯飽滿，電感量非常小。一旦電流要反向流過時，它將發(fā)生非常大的反電勢，這樣就能有效地按捺二極管的反向浪涌電流。
2.3屏蔽辦法
按捺輻射噪聲的有效辦法便是屏蔽。能夠用導電功用杰出的材料對電場進行屏蔽，用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。為了避免變壓器的磁場走漏，使變壓器初次級耦合杰出，能夠利用閉合磁環(huán)構成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就顯著比E型的小許多。開關電源的連接線，電源線都應該運用具有屏蔽層的導線，盡量避免外部攪擾耦合到電路中。或者運用磁珠、磁環(huán)等EMC元件，濾除電源及信號線的高頻攪擾�？墒�，要注意信號頻率不能遭到EMC元件的攪擾，也便是信號頻率要在濾波器的通帶之內。整個開關電源的外殼也需求有杰出的屏蔽特性，接縫處要契合EMC規(guī)則的屏蔽要求。經(jīng)過上述辦法確保開關電源既不受外部電磁環(huán)境的攪擾也不會對外部電子設備發(fā)生攪擾。
2.4變壓器的繞制
在規(guī)劃高頻變壓器時有必要把漏感減到最小。由于漏感越大，發(fā)生的尖峰電壓幅值越高，漏極箝位電路的損耗就越大，這必然導致電源功率下降。減小變壓器的漏感一般選用削減原邊繞組的匝數(shù)、增大繞組的寬度、減小各繞組之間的絕緣層等辦法。
變壓器首要的寄生參數(shù)為漏感、繞組間電容、交叉耦合電容。變壓器繞組間的交叉耦合電容為共模噪聲流過整個體系供給了通路。
在變壓器的繞制過程中選用法拉第屏蔽來減小交叉耦合電容。法拉第屏蔽簡略來說便是用銅箔或鋁箔包繞在原邊繞組和副邊繞組之間，構成一個外表屏蔽層阻隔區(qū)，并接地，其華夏邊繞組和副邊繞組交織繞制，以減小交叉耦合電容。在安裝規(guī)程上一般要求散熱器接地，那么開關管漏極與散熱器之間的寄生電容就為共模噪聲供給了通路，能夠在漏極和散熱器之間加一銅箔或鋁箔并接地以減小此寄生電容。
2.5接地技能的使用
開關電源需求注重地線的連接，地線承擔著參閱電平的重任，特別是操控電路的參閱地，如電流檢測電阻的地電平緩無阻隔輸出的分壓電阻的地電平。
（1）設備的信號接地。設備的信號接地，或許是以設備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參閱點，它為設備中的所有信號供給了一個公共參閱電位。如浮地和混合接地，別的還有單點接地和多點接地。
（2）設備接大地。在工程實踐中，除仔細考慮設備內部的信號接地外，一般還將設備的信號地，機殼與大地連在一起，以大地作為設備的接地參閱點。
操控信號的地電平衰減應盡或許的小，因此，選用操控部分一點接地，然后將公共連接點再單點接至功率地。這種接地方式能夠使噪聲源和靈敏電路分離。別的，地線盡量鋪寬，對空白區(qū)域可敷銅填滿，力求下降地電平差錯和EMI。
在設備中盡量選用外表貼裝元器材，使組裝密度更高，體積更小，重量更輕，可靠性更高，高頻特性好，減小電磁和射頻攪擾。
2.6PCB元件布局及走線
PCB中帶狀線、電線、電纜間的串間是印刷電路板線路中存在最難克服的問題之一［7］。開關電源的輻射打擾與電流轉路中的電流大小、通路的環(huán)路面積、以及電流頻率的平方的乘積成正比，因此PCB的布局規(guī)劃將直接關系到整機電磁兼容功用。在規(guī)劃開關電源印制電路板時，有必要從布局及走線的優(yōu)化規(guī)劃著手。
（1）印制板布線地一般要契合以下準則
1、輸入、輸出端用的導線應盡量避免相鄰相等。最好加線間地線，避免發(fā)生反應耦合;
2、印制板導線盡量選用寬線，尤其是電源線和地線;
3、印制導線拐彎處一般采納圓弧形;
4、專用零伏線、電源線的走線寬度（1mm，電源線和地線盡或許接近等。
（2）元器材布局時一般要契合以下準則
1、按照電路的流程組織各個功用電路單元的位置，使布局便于信號流轉，并使信號盡或許保持一致的方向。
2、以每個功用電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器材應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量削減和縮短各元器材之間的引線和連接。
3、在高頻下作業(yè)的電路，要考慮元器材之間的散布參數(shù)。一般電路應盡或許使元器材相等排列。
4、位于電路板邊際的元器材，離電路板邊際的間隔一般不小于2mm。
3.結束語
開關電源體積越來越小，功率密度越來越大，EMI/EMC問題成為了開關電源穩(wěn)定性的一個要害因素，也越來越遭到人們的注重。開關電源的電磁兼容操控戰(zhàn)略與操控技能計劃有許多，如經(jīng)過對攪擾的傳輸通道進行按捺、空間進行分離、時間進行分隔、頻率管理、電氣阻隔等。在開關電源規(guī)劃時只要綜合運用各種電磁攪擾按捺技能才干有效進步開關電源的電磁兼容性，真正滿意各種場合的需求。
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