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直流电源的EMI电路设计思路

EMI电路又叫EMI滤波电路,由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路,其作用是允许设备正常工作时的频率信号进入设备,而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。


引言

由于直流电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源有显著减少,而且对整机多项指标有良好影响,因此得到了广泛的应用。近年来许多领域,如邮电通信、军用设备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源,取得了显著效益。

现在开关直流电源一般都采用了脉冲宽度调制(PWM)技术,其特点是:频率高、效益高、功率密度高、可靠性高。然而,由于开关电源工作在通断状态,会有很多快速瞬变过程,它本身就是一种EMI源,它产生的EMI信号有很宽的频率范围,又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备,则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂。以下便从开关直流电源的工作原理出发,探讨其传导干扰抑制的EMI滤波器的设计以及辐射发射的抑制。本文主要参考的实例是微机的开关电源,其输出功率较小,对于大电流大功率的通讯设备电源,本文也有一定的参考价值,但具体实施时一定要考虑到通讯设备电源大电流大功率的特点,在元件的选择上要注意其额定电流及高频特性。

直流电源产生EMI信号的特点

数字设备中的逻辑关系是用脉冲信号来表示。 为便于分析,把这种脉冲信号适当简化,可以图1所 示的等腰梯形脉冲串表示。根据傅里叶级数展开的方法, 可以下式计算出脉冲串信号所有各谐波的电平:

直流电源产生EMI信号的特点

直流电源产生EMI信号的特点

直流电源具有各式各样的电路形式,但它们的核心部分都是一个高电压、大电流的受控脉冲信号源,这一点是共同的,为便于分析,也可把该脉冲信号源的波形简化为图1中的等腰梯形脉冲串,并用上式来算出它的各次谐波电平。假定某PWM开关电源脉冲信号的主要参数为:V0=500V,T=2×10-5S,Tw=10-5S,Tr =0。4×10-6S,则其谐波电平如下图:

直流电源的谐波电平

从EMI的观点来分析,图2中开关电源内脉冲信号产生的谐波电平,对于其它电子设备来说即是EMI信号。在对开关电源较小EMC试验时,这些谐波电平都会从电源线的传导干扰(频率范围为0.15MHz-30MHz)和电场辐射干扰(频率范围为30MHz-1000MHz)等测量项目反映出来。

在图2中基波电平为168dBuV左右,甚至到500MHz都有30dBuV左右。要把开关电源的EMI电平都控制在EMC标准规定的限值内是有一定难度的。

直流电源EMI滤波器的电路设计

直流电源的谐波电平在低频段(频率范围为0.15MHz-30MHz)表现在电源线上时,称之为传导干扰。要抑制这些传导干扰是比较容易的,只要使用适当的EMI滤波电路,就能将其在电源线上的EMI信号电平控制在有关EMC标准规定的限值内。


要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减性能,EMI滤波器端接的阻抗应使滤波器在严重失配的状态下工作,失配越厉害,实现的衰减越理想,得到的插入损耗特性就越好。也就是说,如果噪音源内阻是低阻抗的,则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗(如电感量很大的串联电感);如果噪音源内阻是高阻抗的,则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗(如容量很大的并联电容)。这个原则也是设计抑制直流电源EMI滤波器必须遵循的。

几乎所有设备的传导干扰都包含共模噪音和差模噪音,开关电源也不例外。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的;而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的,其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常,线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡,两种分量在传输中会互相转变,情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路,如图3所示:

典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路

设计时首先必须考虑共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率要明显低于开关电源的工作频率,一般要低于10KHz,即

典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路计算

在实际使用中,由于设备所产生的杂讯中共模和差模的成分不一样,所采用的滤波电路也有变化,可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果,安装滤波电路时一定要保证接地良好,并且输入端和输出端要良好隔离,否则起不到滤波的效果。

直流电源所产生的杂讯以共模干扰为主,在设计滤波电路时可尝试去掉差模电感,再增加一级共模滤波电感,还有一个原则是不要过于追求滤波效果而造成成本过高,只要达到EMC标准的限值要求并有一定的余量(一般可控制在6dB左右)即可。在某厂家的开关电源中,我采用了以下滤波电路:

开关电源滤波电路图

使用此滤波器后,此开关电源的传导干扰下降了近30dB,比CISOR 22标准的限值低了近6dB以上。

辐射发射的抑制措施

直流电源是一个很强的低频干扰源,其干扰来自于电源中开关晶体管的逆变翻转和输出整流二极管由于反向特性造成的严重换向干扰,以及它们的高次谐波分量。其很强的干扰信号通过空间辐射和电源线的传导发射干扰邻近的敏感设备。除了功率开关管和高频整流二极管外,产生辐射干扰的主要器件还有脉冲变压器及滤波电感等。

功率开关管波形的快速上升和下降虽然给开关电源带来了更高的效益,但是也带来了更强的高频辐射。要降低其辐射干扰,建议开关波形用电流缓冲电路或电压缓冲电路来整形(如采用RC低通滤波器来延长上升时间),或者在开关管的集电极上串联电感值为20uH~80uH的电感。电感在功率开关管导通时能避免集电极电流突然增大,同时也可以减少整流回路中冲击电流的影响。

功率开关管的集电极是一个强干扰源,开关管的散热片应接到开关管的发射极上,以确保集电极与散热片之间由于分布电容而产生的电流流回主电路中。为减少散热片和机壳的分布电容,散热片应尽量远离机壳。如有条件的话,可采用有屏蔽措施的开关管散热片。

整流二极管建议采用复合电荷少且反向恢复时间小的管子,如肖特基管,最好是选用反向恢复呈软特性的管子。另外在肖特基管两端套磁珠和并联RC吸收网络均可减少干扰,电阻、电容的取值可为几欧姆和数千皮法,电容引线尽可能短,以减少引线电感分量。实际使用中一般采用具有软恢复特性的整流二极管,并在二极管两端并接小电容来消除电路的寄生振荡。

采用多个整流二极管并联来分担负载电流,以降低短路尖峰电流的影响。因为负载电流越大,续流结束时流经整流二极管的电流也越大,二极管反向恢复的时间也越长,则尖峰电流的影响也越大。

在高频脉冲变压器初、次级加一屏蔽层并接地以抑制干扰的电场耦合。将高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件加上屏蔽罩,以将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内。开关电源必须屏蔽,采用模块式全密封结构,建议用1mm以上厚度的镀锌钢板,屏蔽层必须良好接地。

根据以上设计的思路,针对某厂家的PC用开关电源辐射发射过高(超过限值20dB左右),而采用了一些在实验室容易实现的措施:

●在所有的整流二极管两端并471电容;

●开关管Q1之G极并50pF到负极,与原有的39Ω电阻形成一RC低通滤波器;

●在各输出滤波电容(电解电容)上并一104电容;

●在整流二极管管脚上套一小磁珠; ·改善屏蔽体的接地。


应用领域


可广泛用于电子测量仪器,计算机机房设备,开关电源,测控系统等领域。


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