通信開關(guān)電源的EMI-EMC設(shè)計(jì)

1、-作者xxxx-日期xxxx通信開關(guān)電源的EMI-EMC設(shè)計(jì)【精品文檔】通信開關(guān)電源的EMI-EMC設(shè)計(jì)通信開關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高，另外還有體積小、重量輕、具有遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于程控交換、光數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線基站、有線電視系統(tǒng)及IP網(wǎng)絡(luò)中，是信息技術(shù)設(shè)備正常工作的核心動(dòng)力。然而，由于其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過(guò)程本身就是電磁干擾(EMD)源，他產(chǎn)生的電磁干擾EMI信號(hào)有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。同時(shí)，通信開關(guān)電源要有很強(qiáng)的抗電磁干擾的

2、能力，特別是對(duì)雷擊、浪涌、電網(wǎng)電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁波、靜電放電、脈沖串、電壓跌落、射頻電磁場(chǎng)傳導(dǎo)抗擾性、輻射抗擾性、傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射等項(xiàng)目需要滿足有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。開關(guān)電源引起電磁兼容性的原因通信開關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開關(guān)工作狀態(tài)下，其引起電磁兼容性問(wèn)題的原因是相當(dāng)復(fù)雜的。按耦合通路來(lái)分，可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種；按照干擾信號(hào)對(duì)于電路作用的形態(tài)不同，可將電源系統(tǒng)內(nèi)的干擾分為共模干擾和差模干擾兩種。通常，線路電源線上的任何傳導(dǎo)干擾信號(hào)，都可表示成共模和差模干擾兩種方式。在開關(guān)電源中，主功率開關(guān)管在高電壓、大電流或以高頻開關(guān)方式工作下，開關(guān)電壓及開關(guān)電流的波形在阻性負(fù)載時(shí)近似為

3、方波，其中含有豐富的高次諧波分量。由于電壓差可以產(chǎn)生電場(chǎng)、電流的流動(dòng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，以及豐富的諧波電壓電流的高頻部分在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而造成設(shè)備內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使設(shè)備的性能降低。同時(shí)，由于電源變壓器的漏電感及分布電容，以及主功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)非理想，在高頻開或關(guān)時(shí)，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過(guò)開關(guān)管與散熱器問(wèn)的分布電容傳人內(nèi)部電路或通過(guò)散熱器及變壓器向空間輻射。如圖1所示，電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生干擾，開關(guān)電源在受到電磁干擾的同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)其他設(shè)備以及負(fù)載產(chǎn)生電磁干擾，例如返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾等。進(jìn)行開關(guān)電源EMIEMC設(shè)計(jì)時(shí)，

4、一方面要防止開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)和附近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾；另一方面要加強(qiáng)開關(guān)電源本身對(duì)電磁干擾環(huán)境的適應(yīng)能力。下面用等效電路分別介紹共模和差模干擾產(chǎn)生的原因及路徑。如圖2所示，當(dāng)開關(guān)管轉(zhuǎn)為“關(guān)”時(shí)，集電極與發(fā)射極間的電壓快速上升達(dá)500V，他產(chǎn)生的電流經(jīng)集電極與地之間的分布電容返回整流橋，這個(gè)按開關(guān)頻率工作的脈沖串電流是共模噪聲。這個(gè)電壓會(huì)引起共模電流Icm2向CP2充電和共模電流Icm1向CP1充電，其中CP1為變壓器初、次級(jí)之間的分布電容，CP2為開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容(即開關(guān)管集電極與地之間的分布電容)。則線路中共模電流總大小為Icm1+Icm2。如圖3所示，當(dāng)開關(guān)管轉(zhuǎn)為“開”時(shí)，儲(chǔ)能

5、電容Cs的能量由AC電網(wǎng)和整流橋提供，他被開關(guān)管變換器的快速開關(guān)頻率所變換，并通過(guò)變壓器形成脈沖電流IL，他具有非常豐富的開關(guān)頻率諧波。儲(chǔ)能電容不是一個(gè)純電容，他有串聯(lián)電阻和電感。當(dāng)整流橋處開關(guān)管“開”時(shí)，在AC電網(wǎng)端，IL會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由電容的 L，R，C所呈現(xiàn)的阻抗電壓，這就是開關(guān)電源產(chǎn)生差模發(fā)射源的原理。差模電流Idm和信號(hào)電流IL沿著導(dǎo)線、變壓器初級(jí)、開關(guān)管組成的回路流通。 開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁兼容性(ElectromagneticCompatibility，EMC)是指在有限的空間、時(shí)間和頻譜范圍內(nèi)，各種電氣設(shè)備共存而不引起性能的下降。形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播

6、途徑和受擾設(shè)備，因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這3個(gè)方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因；其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，降低其對(duì)噪聲的敏感度。目前抑制開關(guān)電源EMI的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道，常用的方法是屏蔽和濾波，他們的確是行之有效的辦法。無(wú)源補(bǔ)償濾波技術(shù)濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法。在電源輸入端接上濾波器，即可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。開關(guān)電源的工作頻率一般在10130kHz，對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號(hào)，只要選擇相應(yīng)的

7、去耦電路或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的EMI濾波器，就能達(dá)到理想的濾波效果。干擾抑制電路如圖4所示，CX1和CX2叫做差模電容，L1叫做共模電感，CY1和CY2叫做共模電容。電阻R用于消除可能在濾波器中出現(xiàn)的靜電積累。IEC-380安全技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)的8.8部分指出，若CX>0.1F則R=t2.2C(t=1s，C=2CXF)。由這些集中參數(shù)元件構(gòu)成無(wú)源低通網(wǎng)絡(luò)，抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的向電網(wǎng)反饋的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)開關(guān)電源本身的侵害，為了使通過(guò)濾波電容C流入地的漏電流維持在安全范圍內(nèi)，CX=0.10.2F，CY的值一般適合取在0.10.33F之間，不宜過(guò)大，相應(yīng)的扼流線圈L應(yīng)選大些，一般適

8、合取在0.5H8mH之間，這樣既符合安全要求，又能抑制電磁干擾。共模電感L1是在同一個(gè)磁環(huán)上由繞向相反、匝數(shù)相同的兩個(gè)繞組構(gòu)成。使濾波器接入電路后，兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，不會(huì)使磁環(huán)達(dá)到磁飽和狀態(tài)，從而使兩只線圈的電感值保持不變。通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高。但是繞線困難，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對(duì)均勻，兩個(gè)線圈的繞制也不可能完全對(duì)稱等，使得兩個(gè)繞組的電感量是不相等的，于是，形成差模電感。所以，一般電路中不必再設(shè)置獨(dú)立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2 構(gòu)成了一個(gè)型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。除了共模電感以外，圖4中的電容CY1及CY2也是

9、用來(lái)濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及CY2起作用。電容CY的選擇要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定，由于電容CY接于電源線和地線之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。使用LC濾波電路，可根據(jù)公式計(jì)算電路的諧振頻率，調(diào)整電感、電容，使諧振頻率與干擾頻率相近或接近干擾頻率的中心頻率。對(duì)頻率很高的電磁干擾，可以使用三端電容或穿心電容進(jìn)行濾波。屏蔽技術(shù)屏蔽是抑制開關(guān)電源輻射干擾的有效方法。一般分為兩類：一類是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響；另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場(chǎng)，交變磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響。可以用導(dǎo)電性能良好的

10、材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。實(shí)際應(yīng)用中，主要是應(yīng)用于隔離變壓器。變壓器繞組間的交叉耦合電容為共模噪聲流過(guò)整個(gè)系統(tǒng)提供了通路。這一交叉耦合電容可以在變壓器結(jié)構(gòu)中采用法拉第屏蔽(Faradayshield)來(lái)減小。法拉第屏蔽簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用銅箔或鋁箔包繞在原方和副方繞組之間形成一個(gè)靜電屏蔽層隔離區(qū)并接地，以減小交叉耦合電容。圖5為變壓器原邊繞組和副邊繞組。其中N1A，N1B是原邊繞組，分兩次繞；N2A，N2B是副邊繞組；N3，N4分別是輔助繞組；SCREEN為銅箔屏蔽。安規(guī)上一般要求散熱器接地，那么開關(guān)管漏極與散熱器之間的寄生電容就為共模噪聲提供了通路，可以在漏極和散熱器之間加一銅箔或鋁箔并接地以減小此寄生電容。采用磁屏蔽效果比較好的鐵氧體磁芯如PQ型或者P型來(lái)制作變壓器可以很大程度上減小變