工程師不可不知的開關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計（四）

作者：時間：2012-06-19 來源：網(wǎng)絡(luò)

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　　1．2 電磁干擾測試

　　表l所列為測得的7～21次諧波電流的數(shù)值，其中11、15、17次諧波電流都超標(biāo)。

　　輻射騷擾預(yù)測結(jié)果在30～50MHz和100MHz處超出限值，如圖4所示。

　　2 電磁干擾的抑制

　　2．1 諧波電流的抑制

　　采用功率因數(shù)校正可以解決諧波電流超標(biāo)的問題。有源功率因數(shù)校正采用Boost升壓PFC電路，功率因數(shù)提高到O．99以上，使得諧波電流很小，但電路復(fù)雜，成本也不低，而且電路中的開關(guān)管和高壓整流二極管的開關(guān)噪聲將成為新的騷擾源，使整機的EMI達標(biāo)增加了難度。

　　考慮到在交流輸入電壓（AC 220～250V）范圍內(nèi)，滿足電壓調(diào)整率情況下，適當(dāng)減小濾波電容，輸入串聯(lián)電阻可以在一定程度上降低濾波電容充電電流瞬時值的峰值，滿足諧波電流限值，且功率損耗在可以接受的范圍之內(nèi)，整機電源效率下降不多，也不失為較好方法。采用這一方法后實測諧波電流值如表2所列。

　　2.2傳導(dǎo)騷擾的抑制

　　傳導(dǎo)噪聲主要來源半橋中功率開關(guān)管S1及S2以頻率25 kHz交替工作，功率開關(guān)管集電極發(fā)射極電壓Uce和發(fā)射極電流，。波形接近矩形波。傅立葉分析表明，矩形波脈沖具有相當(dāng)寬的頻率帶寬，含有豐富的高次諧波，脈沖波形的頻譜幅度在低頻段較高。另外，功率開關(guān)管在截止期間．高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產(chǎn)生尖峰干擾。

　　輸入濾波器是為變換器的電磁騷擾電平和外界的電磁騷擾源設(shè)計的一種低阻抗通道（即低通濾波器），以抑制或去除電磁騷擾，達到電磁兼容的目的。

　　如圖5所示，輸人濾波器是由電感（LFI、LF2）和CY電容（C4、C5）及Cx電容（C1、C2、C3）組成的低通濾波器電路構(gòu)成。對頻率較高的噪聲信號有較大的衰減。C1、C2、C3是濾除共模干擾的電容，C4、C5是濾除差模干擾的電容，LF1、LF2是共模線圈。

　　圖3中低頻傳導(dǎo)干擾（O.15～lMHz范圍）超標(biāo)，共模噪聲的主要騷擾源是功率開關(guān)管，低頻傳導(dǎo)干擾抑制以增加共模電感的電感量為主，當(dāng)共模電感從原設(shè)計的15mH增加到24mH時，低頻傳導(dǎo)干擾最大處下降30dB，得到了顯著改善。如圖6所示。

　　輸入濾波器對20MHz以下噪聲抑制有明顯的效果。理想輸入濾波器是低通濾波器，但實際上是帶阻濾波器

　　當(dāng)開關(guān)電源頻率增加時，所需的共模電感可大大減小，共模電感體積也減小。但是，開關(guān)電源在20MHz以上頻帶的輻射噪聲份量有所增加，給輻射騷擾的達標(biāo)帶來麻煩。開關(guān)頻率和共模電感的關(guān)系如表3所列。

　　由于共模電感線圈存在寄生電容，高頻噪聲成分經(jīng)過寄生電容向外發(fā)射騷擾，故使用單個大感量共模電感不容易達到好的高頻濾波效果，一般采用兩個共模電感，同樣的電感量抑制高頻噪聲很見效，將有6dB以上的差值。

　　Cx電容器高頻阻抗頻率特性是一個關(guān)系電磁騷擾抑制效果的重要參數(shù)。電容器在高頻使用時等效為r（等效串聯(lián)電阻）+c+L（等效串聯(lián)電感）電路。由于電容器自身的固有電感（即等效串聯(lián)電感）存在，在頻率低的范圍，電容器電抗呈容性，在頻率高的范圍，電容器電抗呈感性，這時抑制騷擾的能力就明顯下降。電容器的固有引線電感越小和騷擾源的高頻內(nèi)阻抗越大，則抑制騷擾的效果越好。

　　首先，從電磁騷擾源產(chǎn)生的機理人手，查找輻射騷擾源的所在，從根本上降低其產(chǎn)生輻射騷擾噪聲的電平。在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流器和平滑電路的干擾可能比較

　　嚴(yán)重+通過減小環(huán)路面積可以抑制di／dt環(huán)路產(chǎn)生的磁場輻射。整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，也是個高頻騷擾源。二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻振蕩，二極管反向恢復(fù)的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。

　　C4及Cs的引線和連接地引線應(yīng)盡量短，以使接地阻抗盡量小，噪聲能經(jīng)過電容旁路到地線，C4及C5取較大電容量濾波效果好，但是，隨著電容量的增加泄漏電流也增加了，而泄漏電流值是電氣安全中的重要指標(biāo)，決不允許超過規(guī)定數(shù)值一一般的漏電流限制是3.5 mA，此桌面式塑殼開關(guān)電源屬手持式設(shè)備，最大漏電流限制為O．75 mA，實測值為O.55mA。

　　電源輸入線纜要短，濾波器盡量靠近輸入端口，避免濾波器輸入輸出發(fā)生耦合，而失去濾波作用。接地盡量簡短可靠，減小高頻阻抗，使干擾有效旁路。經(jīng)過數(shù)次整改后，得到滿意的結(jié)果如圖7所示。

　　2．3輻射騷擾的抑制

　　輻射騷擾足指由任何部件、天線、電纜或連接線輻射的電磁干擾。

　　通常在電路元件布局上，應(yīng)盡量使輸入交流和輸出直流插座（包括引線）分開并遠(yuǎn)離。采用一端輸入另一端輸出是．種合理的布局。但考慮電源內(nèi)部散熱通風(fēng)，該電源采用圖2的散熱結(jié)構(gòu)。不可回避的問題是輸入輸出線纜之間可能發(fā)生空間耦合，當(dāng)有高頻傳導(dǎo)電流通過時就會產(chǎn)生強烈的輻射。

　　首先，從電磁騷擾源產(chǎn)生的機理入手，查找輻射騷擾源的所在，從根本上降低其產(chǎn)生輻射騷擾噪聲的電平。在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流器和平滑電路的干擾可能比較嚴(yán)重，通過減小環(huán)路面積可以抑制di／dt環(huán)路產(chǎn)生的磁場輻射。整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，也是個高頻騷擾源。二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻振蕩，二極管反向恢復(fù)的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。

　　鐵氧體磁環(huán)和磁珠使用方便，價格便宜，抑制電磁干擾效果明顯。鐵氧體電感的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)。電阻值隨著頻率增加而增加，這樣就構(gòu)成了一個低通濾波器。低頻時R很小，L起豐要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；高頻時R增大，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，使高頻干擾大大衰減。不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導(dǎo)率越高，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時，長而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近干擾源的地方。對于輸入、輸出電路，則應(yīng)盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。

　　整流二極管使用肖特基二極管，其陽極套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1．3×3．5），直流輸出線纜用鐵氧體磁環(huán)繞（φ13．5×φ7.5×7）2.5圈且靠近出口處。整改后輻射干擾最大處下降了約lOdB，但40MHz和100 MHz處余量較小，準(zhǔn)峰值測試僅有5dB裕量。考慮到認(rèn)證過程繁瑣，周期長，而且各個認(rèn)證檢測服務(wù)中心之間允許有2～3dB的誤差，產(chǎn)品的預(yù)測應(yīng)在6dB以上的裕量為合適，如圖8所示。

　　鐵氧體磁珠、鐵氧體磁環(huán)的使用對騷擾源噪聲的抑制有了較大改善，如仍還不能滿足要求，只好采用屏蔽措施，在輸入輸出之間用2mm厚的鋁板隔離，以切斷通過空間耦合形成的電磁噪聲傳播途徑。結(jié)果輻射騷擾噪聲裕量達到了12dB以上，抑制噪聲效果相當(dāng)明顯。通過以上措施大3m法電波暗室與IOm法電波暗室測試規(guī)定限值的轉(zhuǎn)換：由于標(biāo)準(zhǔn)GB9254認(rèn)定ITE（信息技術(shù)設(shè)備）在10m測量距離處得到輻射騷擾限值，而較多的EMC檢測服務(wù)中心是在3m電波暗室內(nèi)測試，因為場強大小與距離成反比，所以在3m法中測得的噪聲電平比在10m法時的噪聲電平值要下降10 dB。

　　圖4、圖8、圖9是由3m法電波暗室測得，其輻射騷擾限值為30～230MHz準(zhǔn)峰值限值40dB，230～1000MHz準(zhǔn)峰值限值47dB。圖10是由10m法電波暗室測得，圖9與圖lO比較，輻射噪聲波形相差不多。僅在兒個頻率點的噪聲電平略有增加。