小功率反激電源傳導與輻射抑制
開(kāi)關(guān)電源的出現給電力電子行業(yè)帶來(lái)的全新的變革,促進(jìn)了產(chǎn)品的小型化,集成化,能源利用高效化,不過(guò)也帶來(lái)了相對于傳統電源致命的弱勢—電磁干擾。小功率反激電源作為市場(chǎng)上最為成熟的電源之一,在電力電子行業(yè)占據相當大的比重。目前介紹開(kāi)關(guān)電源電磁兼容的文章很多,不過(guò)考慮到市場(chǎng)化,小功率反激電源只用一級EMI濾波,無(wú)散熱片,還有很重要的一點(diǎn),要考慮可生產(chǎn)性。這與單純的電磁兼容研究有很大區別,本文將從工程和生產(chǎn)的角度出發(fā)來(lái)闡述小功率反激電源EMI抑制方法。
1 主要測試標準
目前世界各個(gè)國家和組織都對電子產(chǎn)品的EMI限值做出相應的規定,比較典型的標準有:美國聯(lián)邦通信委員會(huì )的FCC第15部分;國際電工技術(shù)委員會(huì )中TC77的IEC61000部分;國際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì )CISPR的CISPR22(信息技術(shù)設備);歐盟的EN55022(信息技術(shù)設備);中國的 GB9254-1998(信息技術(shù)設備)是從CISPR的CISPR22轉換而來(lái)的。標準中對A類(lèi)設備和B類(lèi)設備分別作了相應的要求,如下表 [1]:
表1 A類(lèi)傳導限值。
表2 B類(lèi)傳導限值。
注:A類(lèi)設備:用于貿易,工業(yè),商業(yè)環(huán)境的設備;B類(lèi)設備:用于居住環(huán)境的設備。
2 抑制措施
電磁干擾(Electro Magnetic Interference),有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過(guò)導電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的信號耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。差模干擾和共模干擾是主要的傳導干擾形態(tài),而功率變換器的傳導干擾以共模干擾為主。差模噪聲主要由大的di/dt與雜散電容引起;共模噪聲則主要由較高的dv/dt與雜散電感相互作用而產(chǎn)生的高頻振蕩引起。
形成電磁干擾的條件有三:A:向外發(fā)送電磁干擾的源—噪聲源 B:傳遞電磁干擾的途徑—噪聲耦合和輻射 C:承受電磁干擾(對噪聲敏感)的客體—受擾設備
2.1 EMI濾波器的選擇選用
圖1是開(kāi)關(guān)電源常用的一級EMI 濾波器的電路。圖中的L1為共模扼流圈,Cx、CY1、CY2為安規電容,對于小型開(kāi)關(guān)電源來(lái)講,由于體積的限制,很多時(shí)候會(huì )將CY1、CY2會(huì )省略掉的,甚至連L1也會(huì )省去。圖中 共模扼流圈L1的兩個(gè)線(xiàn)圈匝數相等,方向相同,這兩個(gè)電感對于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是方向相反、互相抵消的,因而不起作用;而對于共模干擾信號,兩線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通方向相同,有相互加強的作用,每一線(xiàn)圈電感值為單獨存在時(shí)的兩倍,從而得到一個(gè)高阻抗,起到良好的抑制作用。共模電感兩邊感量不相等形成的差模電感L2一起與Cx電容組成一個(gè)低通濾波器,用來(lái)抑制電源線(xiàn)上存在的差模干擾信號。CY1與CY2的存在是給共模噪聲提供旁路,同時(shí)與共模電感一起,組成LC低通濾波器。共模噪聲的衰減在低頻時(shí)主要由電感起作用,而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及CY2起作用。同時(shí),在安裝與布線(xiàn)時(shí)應當注意:濾波器應盡量靠近設備入口處安裝, 并且濾波器的輸入和輸出線(xiàn)必須分開(kāi),防止輸入端與輸出端線(xiàn)路相互耦合,降低濾波特性。濾波器中電容器導線(xiàn)應盡量短,以防止感抗與容抗在某頻率上形成諧振。
圖1 一級EMI 濾波器電路。
濾波器的抑制作用是用插入損耗來(lái)度量的。插入損耗A用分貝(dB)表示,分貝值愈大, 說(shuō)明抑制噪聲干擾的能力愈強,如式(1)所示:
工程設計時(shí)通過(guò)測量計算出需要設定的插入損耗值,得出轉折頻率點(diǎn),然后根據轉折頻率設計電感電容參數,如式(2):
不過(guò)注意,不是所有的濾波器都能使電磁干擾減小,有的還會(huì )更嚴重。因為濾波器會(huì )產(chǎn)生諧振,從而產(chǎn)生插入增益。插入增益不僅不會(huì )使干擾減小,而且還使干擾增強。這通常發(fā)生在濾波器的源阻抗和負載阻抗相差很大時(shí),插入增益的頻率在濾波器的截止頻率附近。解決插入增益的方法:一個(gè)是將諧振頻率移動(dòng)到?jīng)]有干擾的頻率上,另一個(gè)使增加濾波器的電阻性損耗(降低Q值)。比如在差模電感上并聯(lián)電阻,或在差模電容上串聯(lián)電阻。
2.2 輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò )設計的優(yōu)化
輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò )主要實(shí)現兩個(gè)功能,第一是能量存儲與轉換,第二是減小高頻諧波與共模干擾。 實(shí)際電路等效為電容、等效電感、等效電阻的串聯(lián)。在高頻情況下,大電容的等效寄生參數起主要作用,無(wú)法給高頻傳導噪聲提供有效衰減。這時(shí)候可以選擇 型濾波,將一個(gè)大電容和一個(gè)小電容并聯(lián)起來(lái)使用,大電容抑制低頻干擾、小電容抑制高頻干擾。不過(guò),將大容量電容和小容量電容并聯(lián)起來(lái)的方法,會(huì )在某個(gè)頻率上出現旁路效果很差的現象。這是因為在大電容的諧振頻率和小電容的諧振頻率之間,大電容呈現電感特性(阻抗隨頻率升高增加),小電容呈現電容特性,實(shí)際是一個(gè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò ),這個(gè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò )在會(huì )在某個(gè)頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振,導致其阻抗最大,這時(shí)電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò )實(shí)際已經(jīng)失去旁路作用。如果剛好在這個(gè)頻率上有較強的干擾,就會(huì )出現干擾問(wèn)題。
2.3 緩沖電路的應用
開(kāi)關(guān)電源的干擾按噪聲源種類(lèi)分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。輸入電流中的高次諧波在電路中采用共模扼流圈來(lái)抑制,而對于尖峰干擾,除了在源頭上減小漏感,選擇快恢復二極管來(lái)減小尖峰外,最常見(jiàn)的就是開(kāi)關(guān)管加RCD箝位電路與輸出二極管加RC吸收電路。RCD箝位電路用于抑止由于變壓器初級漏感在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的電壓尖峰。RC吸收電路用于抑制二極管關(guān)斷時(shí)變壓器次級漏感與二極管反向恢復引起的電壓尖峰。不過(guò)這些緩沖電路是通過(guò)消耗功率來(lái)達到抑制目的,因此需要根據實(shí)際需求選擇使用。
2.4盡量縮小高頻環(huán)路面積
一般小功率反激電源有四部分需要注意環(huán)路面積:
A:初級開(kāi)關(guān)環(huán)路(MOS管,變壓器,輸入電容)
B:次級開(kāi)關(guān)環(huán)路(變壓器,輸出二極管,輸出電容)
C:RCD環(huán)路(R,C,D,MOS管,變壓器)
D:輔助電源環(huán)路(變壓器,二極管,電容)
因為差模電流流過(guò)導線(xiàn)環(huán)路時(shí),將引起差模輻射如式(3)表示[2]:
同時(shí),由于接地電路中存在電壓降,某些部位具有高電位的共模電壓,當外接電纜與這些部位連接時(shí),就會(huì )在共模電壓激勵下產(chǎn)生共模電流,從而產(chǎn)生共模輻射干擾如式(4)表示[2]:
所以,在高頻環(huán)路上,在滿(mǎn)足可靠性的情況下,高頻電流回路越小越好,以減小引起差模輻射的環(huán)路面積。并且環(huán)路的導線(xiàn)應當盡量地短,以減小引起共模輻射的環(huán)路導線(xiàn)長(cháng)度。
2.5優(yōu)化地線(xiàn)設計
由于地線(xiàn)存在阻抗,地線(xiàn)電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí),就會(huì )在地線(xiàn)上產(chǎn)生電壓。細而長(cháng)的導線(xiàn)呈現高電感,如式(5)[2],其阻抗隨頻率的增加而增加:
在設計小功率電源電路時(shí),往往運用單點(diǎn)接地與浮地,將地線(xiàn)作為所有電路的公共地線(xiàn),因此地線(xiàn)上的電流成份很多,電壓也很雜亂,這時(shí)候就需要注意相對減小高頻回路地線(xiàn)的長(cháng)度,以減小共模噪聲。
2.6屏蔽的應用
在小功率反激電源中,變壓器是一個(gè)很大的噪聲源。它作為噪聲產(chǎn)生源[3]:
A:功率變壓器原次邊存在的漏感,漏電感將產(chǎn)生電磁輻射干擾。
B:功率變壓器線(xiàn)圈繞組流過(guò)高頻脈沖電流,在周?chē)纬筛哳l電磁場(chǎng),產(chǎn)生輻射干擾。
C:變壓器漏感的存在使得在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)瞬間,形成電壓尖峰,產(chǎn)生電磁干擾。
作為傳播途徑:隔離變壓器初次級之間存在寄生電容,高頻干擾信號通過(guò)寄生電容耦合到次邊。 對于變壓器的漏感,可以通過(guò)三明治繞法等改變工藝結構改善,也可以
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