通信開關(guān)電源的EMI/EMC設(shè)計(jì)

2017-06-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1引言

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),高頻的快速瞬變過程本身就是電磁干擾(EMD)源,他產(chǎn)生的電磁干擾EMI信號有很寬的頻率范圍,又有一定的幅度,經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會污染電磁環(huán)境,對通信設(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)的抗電磁干擾的能力,特別是對雷擊、浪涌、電網(wǎng)電壓、電場、磁場、電磁波、靜電放電、脈沖串、電壓跌落、射頻電磁場傳導(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。

2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題的原因是相當(dāng)復(fù)雜的。按耦合通路來分,可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種;按照干擾信號對于電路作用的形態(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,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、電流的流動(dòng)可以產(chǎn)生磁場,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,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,通過開關(guān)管與散熱器問的分布電容傳人內(nèi)部電路或通過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EMI/EMC設(shè)計(jì)時(shí),一方面要防止開關(guān)電源對電網(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。

通信開關(guān)電源的EMI/EMC設(shè)計(jì)ansysem分析案例圖片1

圖1 開關(guān)電源噪聲類型圖

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)500 V,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),儲能電容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和信號電流IL沿著導(dǎo)線、變壓器初級、開關(guān)管組成的回路流通。

通信開關(guān)電源的EMI/EMC設(shè)計(jì)ansysem分析案例圖片2

圖2 開關(guān)電源共模干擾等效電路

3開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,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。

通信開關(guān)電源的EMI/EMC設(shè)計(jì)ansysem分析案例圖片3

圖3 開關(guān)電源差模干擾等效電路

3.1 無源補(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,也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。開關(guān)電源的工作頻率一般在10~130 kHz,對開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號,只要選擇相應(yīng)的去耦電路或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡單的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>0.1 μF則R=t/2.2C(t=1 s,C=2CX μF)。由這些集中參數(shù)元件構(gòu)成無源低通網(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)抑制來自電網(wǎng)的噪聲對開關(guān)電源本身的侵害,為了使通過濾波電容C流入地的漏電流維持在安全范圍內(nèi),CX=0.1~0.2 μF ,CY的值一般適合取在0.1~0.33μF之間,不宜過大,相應(yīng)的扼流線圈L應(yīng)選大些,一般適合取在0.5μH~8 mH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均勻,兩個(gè)線圈的繞制也不可能完全對稱等,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)Ⅱ型濾波器。這種濾波器對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也是用來濾除共模干擾的。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。

通信開關(guān)電源的EMI/EMC設(shè)計(jì)ansysem學(xué)習(xí)資料圖片4

圖4 開關(guān)電源EMI濾波器

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。

3.2 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和恒定磁場的影響;另一類是電磁屏蔽,主要用于防止交變電場,交變磁場以及交變電磁場的影響。可以用導(dǎo)電性能良好的材料對電場進(jìn)行屏蔽,用磁導(dǎo)率高的材料對磁場進(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(Faraday shield)來減小。法拉第屏蔽簡單來說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型來制作變壓器可以很大程度上減小變壓器漏磁從而減小原副方繞組漏感,有效抑制了EMI的傳播。

通信開關(guān)電源的EMI/EMC設(shè)計(jì)ansysem學(xué)習(xí)資料圖片5

圖5 變壓器繞組示意圖

4結(jié) 語

隨著開關(guān)電源不斷向高頻化發(fā)展,其抗干擾問題顯得越發(fā)重要。在開發(fā)和設(shè)計(jì)開關(guān)電源中,如何有效抑制開關(guān)電源的電磁干擾,同時(shí)提高開關(guān)電源本身對電磁干擾的抗干擾能力是一個(gè)重要課題。幾種抗干擾措施既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系,必須同時(shí)采用多種措施才能達(dá)到良好的抗干擾效果。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才