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DC/DC電源的電磁兼容設計
發布時間:2014-05-26   點擊次數:18621次

 

隨著電力電子技術的發展,開關電源模塊因其相對體積小、效率高、工作可靠等優點開始取代傳統整流電源而被廣泛應用到社會的各個領域。但由于開關電源工作頻率高,內部產生很快的電流、電壓變化,即dv/dt和di/dt,導致開關電源模塊將產生較強的諧波抗擾度和尖峰抗擾度,并通過傳導、輻射和串擾等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統的正常工作,當然其本身也會受到其它電子設備電磁抗擾度的影響。這就是所討論的電磁兼容性問題,也是關于開關電源電磁兼容的電磁輻射EMD與電磁敏感度EMS設計問題。由于國家開始對部分電子產品強制實行3C認證,因此一個電子設備能否滿足電磁兼容標準,將關系到這一產品能否在市場上銷售,所以進行開關電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。

電磁兼容學是一門綜合性學科,它涉及的理論包括數學、電磁場理論、天線與電波傳播、電路理論、信號分析、通訊理論、材料科學、生物醫學等。

進行開關電源的電磁兼容性設計時,首先進行一個系統設計,明確以下幾點:

1.明確系統要滿足的電磁兼容標準;

2.確定系統內的關鍵電路部分,包括強干擾源電路、高度敏感電路;

3.明確電源設備工作環境中的電磁干擾源及敏感設備;

4.確定對電源設備所要采取的電磁兼容性措施。

一:DC/DC變換器內部噪聲干擾源分析

   1.二極管的反向恢復引起噪聲抗擾度

在開關電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續流二極管等,由于這些二極管都工作在開關狀態,如圖所示,在二極管由阻斷狀態到導通工作過程中,將產生一個很高的電壓尖峰VFP;在二極管由導通狀態到阻斷工作過程中,存在一個反向恢復時間trr,在反向恢復過程中,由于二極管封裝電感及引線電感的存在,將產生一個反向電壓尖峰VRP,由于少子的存儲與復合效應,會產生瞬變的反向恢復電流IRP,這種快速的電流、電壓突變是電磁抗擾度產生的根源。

    2.開關管開關動作時產生電磁抗擾度

 

 

 

 

二極管反向恢復時電流電壓波形   二極管正向導通電流電壓波形

 

在正激式、推挽式、橋式變換器中,流過開關管的電流波形在阻性負載時近似矩形波,含有豐富的高頻成分,這些高頻諧波會產生很強的電磁抗擾度,在反激變換器中,流過開關管的電流波形在阻性負載時近似三角波,高次諧波成分相對較少。開關管在開通時,由于開關時間很短以及逆變回路中引線電感的存在,將產生很大的dV/dt突變和很高的尖峰電壓,在開關管的關斷時,由于關斷時間很短,將產生很大的di/dt突變和很高的電流尖峰,這些電流、電壓突變將產生很強的電磁抗擾度。

3.電感、變壓器等磁性元件引起的電磁抗擾度:在開關電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件,隔離變壓器初次級之間存在寄生電容,高頻抗擾度信號通過寄生電容耦合到次邊;功率變壓器由于繞制工藝等原因,原次邊耦合不理想而存在漏感,漏電感將產生電磁輻射抗擾度,另外功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流,在周圍形成高頻電磁場;電感線圈中流過脈動電流會產生電磁場輻射,而且在負載突切時,會形成電壓尖峰,同時當它工作在飽和狀態時,將會產生電流突變,這些都會引起電磁抗擾度;

4.控制電路中周期性的高頻脈沖信號如振蕩器產生的高頻脈沖信號等將產生高頻高次諧波,對周圍電路產生電磁干擾。

5.此外電路中還會有地環路抗擾度、公共阻抗耦合抗擾度,以及控制電源噪聲抗擾度等。

6.開關電源中的布線設計非常重要,不合理布線將使電磁抗擾度通過線線之間的耦合電容和分布互感串擾或輻射到鄰近導線上,從而影響其它電路的正常工作。

7.熱輻射產生的電磁抗擾度,熱輻射是以電磁波的形式進行熱交換,這種電磁抗擾度影響其它電子元器件或電路的正常穩定工作。

二,外界的電磁抗擾度

對于某一電子設備,外界對其產生影響的電磁抗擾度包括:電網中的諧波抗擾度、雷電、太陽噪聲、靜電放電,以及周圍的高頻發射設備引起的抗擾度。

三,電磁抗擾度的后果

電磁抗擾度將造成傳輸信號畸變,影響設備的正常工作。對于雷電、靜電放電等高能量的電磁抗擾度,嚴重時會損壞設備。而對于某些設備,電磁輻射會引起重要信息的泄漏。

四,開關電源的電磁兼容設計

了解了開關電源內部及外部電磁抗擾度源后,我們還應知道,形成電磁抗擾度機理的三要素是還有傳播途徑和受擾設備。因此開關電源的電磁兼容設計主要從以下三個方面入手:1,減小抗擾度源的電磁干擾能量;2,切斷抗擾度傳播途徑;3,提高受擾設備的抗抗擾度能力。

正確了解和把握開關電源的電磁抗擾度源及其產生機理和抗擾度傳播途徑,對于采取何種抗擾度措施以使設備滿足電磁兼容要求非常重要。由于抗擾度源有開關電源內部產生的抗擾度源和外部的抗擾度源,而且可以說抗擾度源無法消除,受擾設備也總是存在,因此可以說電磁兼容問題總是存在。

下面以隔離式DC/DC變換器為例,討論開關電源的電磁兼容性設計:

1.    DC/DC變換器輸入濾波電路的設計

如圖所示,FV1為瞬態電壓抑制二極管,RV1為壓敏電阻,都具有很強的瞬變浪涌電流的吸收能力,能很好的保護后級元件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器,必須良好接地,接地線要短,最好直接安裝在金屬外殼上,還要保證其輸入、輸出線之間的屏蔽隔離,才能有效的切斷傳導抗擾度沿輸入線的傳播和輻射抗擾度沿空間的傳播。L1、C1組成低通濾波電路,當L1電感值較大時,還需增加如圖所示的V1和R1元件,形成續流回路吸收L1斷開時釋放的電場能,否則L1產生的電壓尖峰就會形成電磁抗擾度,電感L1所使用的磁芯最好為閉合磁芯,帶氣隙的開環磁芯的漏磁場會形成電磁抗擾度,C1的容量較大為好,這樣可以減小輸入線上的紋波電壓,從而減小輸入導線周圍形成的電磁場。

 

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