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电磁兼容EMC是英文electromagneticcompatibility的缩写。它包括两层含义,一是设备在工作中产生的电磁辐射必须限制在一定水平内,二是设备本身要有一定的抗干扰能力,它必须具备三个要素:干扰源、耦合通道、敏感体。给电子线路供电的开关电源对于干扰的抑制对保证电子系统的正常稳定运行具有重要意义。本文通过分析开关电源中的干扰源和耦合通道,提出了抑制干扰的有效措施。并提出了开关电源变压器的设计和制作方法。

2、开关电源中的干扰源和耦合通道

开关电源首先将工频交流电整流为直流电,然后经过开关管的控制变为高频,最后经过整流滤波电路输出,得到稳定的直流电压,因此,自身含有大量的谐波干扰。同时,由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰,都会产生不同程度的电磁干扰。开关电源中的干扰主要集中在电压、电流变化大(即dv/dt或di/dt很大)的元器件上,人人射,尤其是开关管、输出二极管和高频变压器等。同时,杂散电容会将电网的噪声传导到电子系统的电源而对电子线路的工作产生干扰。

这里我们来分析一下几种干扰产生的原因及其耦合的路径。

2.1输出整流滤波电路产生的滤波干扰开关电源输出端普遍采用桥式整流,电容滤波电路。由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用,使得输出电流成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流,如图1所示。这种畸变的输入电流,它除了基波外,还含有丰富的高次谐波分量。

2.2开关电路产生的干扰

如图2a所示开关电路的核心也是主要的干扰源之一,它主要由开关管和高频变压器组成。开关管产生的dv/dt具有较大的脉冲,频带较宽且谐波丰富。这种脉冲干扰产生的主要原因是:

(1)在开关管导通瞬间,变压器初级线圈产生很大的涌流,并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压;在开关断开瞬间,由于初级线圈的漏磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,储藏在漏感中的这部分能量将和开关管本身的极间电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在开关管的关断电压上,形成关尖峰电压。这个噪音声会传导到输入输出端,形成传导干扰。(2)输出二极管在正向导通时,PN接内的电荷被积累,二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。由于二次整流回路中V在开关转换时频率很高,即由导通转变为截止的时间很短,在短时间内要让存储电荷消失就产生反向电流的浪涌。由于直流输出中的分布电容、分布电感的存在,使因浪涌引起的干扰成为高频衰减减振荡。

(3)高频变压器初级线圈,开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能产生较大的空间辐射,形成辐射干扰。

如图2b所示,I1是变压器初级线圈电流,I2是二次线圈电流,VDS是开关管漏源极间电压,VD是二次侧输出二极管上两端电压。开关管关独断时产生频率为f1的干扰,而输出二极管反向电流引起频率为f2的干扰。

2.3干扰的耦合通道

由于变压器的初次级线圈间存在杂散电容,开关电路产生的共模干扰通过变压器在原副边相互传播。相比较而言,差模干扰路径比较简单也易于处理。本文主要介绍共模干扰的产生和抑制。

3、抑制干扰的措施

下面就几种干扰讲我们制作开关电源时的抑制方法。

3.1电源输入EMI滤波器在电源进线端通常采用如图3所示电路。该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。图中各元件的作用:

(1)L,C1,C2用于滤除共模干扰信号。

L是共模电感,通常电感量为2MH-33mH左右。

C1,C2为旁路电容,又称Y电容。电容量要求2200pF左右。电容量过大会影响设备的绝缘性能。(2)C3,C4用于滤除差模干扰信号。

C3,C4为电源跨接电容,又称X电容。常用陶瓷电容或聚酯薄膜电容。电容量取0.22μF-0.47μF。3.2开关管和输出二极管的缓冲电路

由于开关管和输出二极管的高速开关引起的干扰,可以通过增加缓冲电路来减少。如图4所示:(1)图4中C1,R1,D1组成snubber电路,吸收残存在变压器漏感中的能量,能够减少开关关断时的浪涌电压。

(2)图4中C2,R2,D2组成开关管缓冲电路,减少开关管的dv/dt,即减少由此产生的干扰。(3)图4中C3,R3组成输出二极管的缓冲电路,减少di/dt,另外输出二极管应采用肖特基或者超快速恢复二极管。

3.3高频变压器的设计和制作

变压器是开关电源的最关键器件之一。变压器不仅要设计合理,在制作上也很有讲究。一个好的变压器既要满足带负荷能力,还要能起到较少和抑制干扰的作用。首先应根据输出负载的大小选择变压器的类型和磁芯的型号。

确定变压器的线径及线数。依据bobbin的槽宽并以电流密度6A/mm2为参考,综合考虑电流的趋肤效应,决定变压器的线径及线数。

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