基于開關電源的EMC設計

開關電源因體積小、功率因數(shù)較大等優(yōu)點，在通信、控制、計算機等領域應用廣泛。但由于會產(chǎn)生電磁干擾，其進一步的應用受到一定程度上的限制。本文將分析開關電源電磁干擾的各種產(chǎn)生機理，并在其基礎之上，提出開關電源的電磁兼容設計方法。
　　開關電源的電磁干擾分析

　　開關電源的結構如圖1所示。首先將工頻交流整流為直流，再逆變?yōu)楦哳l，最后再經(jīng)整流濾波電路輸出，得到穩(wěn)定的直流電壓。電路設計及布局不合理、機械振動、接地不良等都會形成內(nèi)部電磁干擾。同時，變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰，也是潛在的強干擾源。

　　
圖1 AC/DC開關電源基本框圖

　　1 內(nèi)部干擾源

　　● 開關電路

　　開關電路主要由開關管和高頻變壓器組成。開關管及其散熱片與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容，它產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。開關管負載為高頻變壓器初級線圈，是感性負載。當原來導通的開關管關斷時，高頻變壓器的漏感產(chǎn)生了反電勢E＝-Ldi/dt，其值與集電極的電流變化率成正比，與漏感成正比，迭加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，從而形成傳導干擾。

　　● 整流電路的整流二極管

　　輸出整流二極管截止時有一個反向電流，其恢復到零點的時間與結電容等因素有關。它會在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下產(chǎn)生很大的電流變化di/dt，產(chǎn)生較強的高頻干擾，頻率可達幾十兆赫茲。

　　● 雜散參數(shù)

　　由于工作在較高頻率，開關電源中的低頻元器件特性會發(fā)生變化，由此產(chǎn)生噪聲。在高頻時，雜散參數(shù)對耦合通道的特性影響很大，而分布電容成為電磁干擾的通道。

　　2 外部干擾源

　　外部干擾源可以分為電源干擾和雷電干擾，而電源干擾以“共模”和“差模”方式存在。同時，由于交流電網(wǎng)直接連到整流橋和濾波電路上，在半個周期內(nèi)，只有輸入電壓的峰值時間才有輸入電流，導致電源的輸入功率因數(shù)很低（大約為0.6）。而且，該電流含有大量電流諧波分量，會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波“污染”。

　　開關電源的EMC設計

　　產(chǎn)生電磁干擾有3個必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感設備，EMC設計的目的就是破壞這3個條件中的一個。針對于此，主要采取的方法有：電路措施、EMI濾波、屏蔽、印制電路板抗干擾設計等。

　　1 降低開關損耗和開關噪聲的軟開關技術

　　軟開關是在硬開關基礎上發(fā)展起來的一種基于諧振技術或利用控制技術實現(xiàn)的在零電壓/電流狀態(tài)下的先進開關技術。

　　軟開關的實現(xiàn)方法是：在原電路中增加小電感、電容等諧振元件，在開關過程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。圖2給出了一種使用軟開關技術的基本開關單元。

　　
圖2 降壓斬波器中的基本開關單元

　　2 減小干擾源干擾能量的緩沖電路

　　在開關控制電源的輸入部分加入緩沖電路（見圖3），其由線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡組成，用于消除電力線干擾、電快速瞬變、電涌、電壓高低變化和電力線諧波等潛在的干擾。緩沖電路器件參數(shù)為D1為MUR460，R1=500Ω，C=6nF，L=36mH，R=150Ω。

　　
圖3 緩沖電路