高頻開關(guān)電源設(shè)計中的電磁兼容性問題研究

3.2 輻射EMI的抑制措施

要降低輻射干擾，可應(yīng)用電壓緩沖電路，如在開關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路，或電流緩沖電路，如在開關(guān)管的集電極上串聯(lián)20～80μH的電感。

功率開關(guān)管的集電極是一個強騷擾源，開關(guān)管的散熱片應(yīng)接到集電極上，以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產(chǎn)生的電流流入主電路中。為減少散熱片和機殼之間的分布電容，散熱片應(yīng)盡量遠離機殼，如有條件的話，可采用有屏蔽措施的散熱片。整流二極管應(yīng)采用恢復電荷小，且反向恢復時間短的，如肖特基管，最好是選用反向恢復呈軟特性的。另外，在肖特基管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾Ω和數(shù)千pF，電容引線應(yīng)盡可能短，以減少引線電感。

負載電流越大，二極管反向恢復的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。采用多個二極管并聯(lián)來分擔，可以降低短路尖峰電流的影響。

開關(guān)電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結(jié)構(gòu)，一般用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板，屏蔽層必須良好接地。在高頻脈沖變壓器初、次級之間加一屏蔽層并接地，可以抑制干擾的電場耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩，可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內(nèi)。

例如,對輻射干擾超過標準限值20dB的某開關(guān)電源，采用了如下一些在實驗室容易實現(xiàn)的措施進行了改進：

1）在所有整流二極管兩端并聯(lián)470pF電容；

2）在開關(guān)管G極的輸入端并聯(lián)50pF電容，與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器；

3）在各輸出濾波電容(電解電容)上并聯(lián)0.01μF電容；

4）在整流二極管管腳上套一小磁珠；

5）改善屏蔽體的接地。

經(jīng)過上述改進后，該電源就可以通過輻射干擾測試的限值要求。

3.3 傳導騷擾的解決方法

開關(guān)電源的傳導騷擾通過輸入電源線向外傳播，既有差模騷擾、又有共模騷擾。傳導騷擾的測試頻率范圍為0.15～30MHz，限值要求如表1所列。

表1 傳導騷擾限值表

在0.15～1MHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾主要以共模的形式存在，在1～10MHz的頻率范圍內(nèi)，騷擾的形式是差模和共模共存，在10MHz以上，騷擾的形式主要以共膜為主。差模騷擾的產(chǎn)生主要是由于開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，當開關(guān)管開通時，流過電源線的電流線性上升，開關(guān)管關(guān)斷時電流突變?yōu)榱?，因此，流過電源線的電流為高頻的三角脈動電流，含有豐富的高頻諧波分量，隨著頻率的升高，該諧波分量的幅度越來越小，因此差模騷擾隨頻率的升高而降低，輸出回路的濾波電路如圖8所示，電容C5與電感L3組成低通濾波器，差模傳導騷擾主要存在低頻率段。

圖8 輸出回路的濾波電路

產(chǎn)生共模騷擾的主要原因是電源與大地（保護地）之間存在分布電容，電路中方波電壓的高頻諧波分量通過分布電容傳入大地，與電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)生共模騷擾。如圖8所示，L、N為電源輸入，C1、C2、C3、C4、C5、L1、L2組成輸入EMI濾波器，DB1為整流橋，VT2為開關(guān)管，開關(guān)管安裝在散熱器上時，開關(guān)管的D極與散熱器相連，與散熱器之間形成一個耦合電容，如圖8中的C7所示，VT2工作在開關(guān)狀態(tài)，其D極的電壓為高頻方波，方波的頻率為開關(guān)管的開關(guān)頻率，方波中的各次諧波就會通過耦合電容、L、N電源線構(gòu)成回路，產(chǎn)生共模騷擾。電源與大地的分布電容比較分散，難以估算，但從圖8來看，VT2的D極與散熱器之間耦合電容的作用最大，從DB1到電感L3之間的電壓為100Hz，而從L3到VD1和VT2的D極之間的連線的電壓均為方波電壓，含有大量的高次諧波。其次L3的影響也比較大，但L3與機殼的距離比較遠，分布電容比開關(guān)管和散熱器之間的耦合電容小得多，因此，我們主要考慮開關(guān)管與散熱器之間的耦合電容。

3.4 接地技術(shù)的應(yīng)用

“接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號接地和設(shè)備接大地，兩者概念不同，目的也不同。“地”的經(jīng)典定義是“作為電路或系統(tǒng)基準的等電位點或平面”。

3.4.1 設(shè)備的信號接地

設(shè)備的信號接地，可能是以設(shè)備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點，它為設(shè)備中的所有信號提供了一個公共參考電位。在這里介紹浮地和混合接地，另外，還有單點接地和多點接地。

1）浮地采用浮地的目的是將電路或設(shè)備與公共接地系統(tǒng)，或可能引起環(huán)流的公共導線隔離開來。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實現(xiàn)電路或設(shè)備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大優(yōu)點是抗干擾性能好。浮地的缺點是由于不與公共地相連，容易在兩者間造成靜電積累，當電荷積累到一定程度后，可能引起劇烈的靜電放電，而成為破環(huán)性很強的騷擾源。一個折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個阻值很大的泄放電阻，用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗，太低的阻抗會影響設(shè)備泄漏電流的合格性。

2）混合接地混合接地使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時呈現(xiàn)不同的特性，這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對低頻和直流有較高的阻抗，因此能夠避免兩模塊之間的地環(huán)路形成。當將直流地和射頻地分開時，將每個子系統(tǒng)的直流地通過10～100nF的電容器接到射頻地上，這兩種地應(yīng)在一點有低阻抗連接起來，連接點應(yīng)選在最高翻轉(zhuǎn)速度di/dt信號存在的點。

3.4.2 設(shè)備接大地

在工程實踐中，除認真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號接地外，通常還將設(shè)備的信號地，機殼與大地連在一起，以大地作為設(shè)備的接地參考點。設(shè)備接大地的目的是：

1）保證設(shè)備操作人員人身的安全；

2）泄放機箱上所積累的電荷，避免電荷積累使機箱電位升高，造成電路工作的不穩(wěn)定；

3）避免設(shè)備在外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對大地的電位發(fā)生變化，造成設(shè)備工作的不穩(wěn)定。

由此可見，設(shè)備接大地除了是對人員安全、設(shè)備安全的考慮外，也是抑制騷擾發(fā)生的重要手段。