探討高頻開關電源設計中的電磁兼容問題

來源：微波射頻網  作者：佚名2014年09月03日 18:25

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[導讀] 開關電源與線性穩壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩壓范圍寬等許多優點，己被廣泛應用于計算機及其外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域。

關鍵詞：高頻開關電源EMC

　　引言

　　開關電源與線性穩壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩壓范圍寬等許多優點，己被廣泛應用于計算機及其外圍設備、通信、自動控制、家用電器等領域。但開關電源的突出缺點是能產生較強的電磁干擾（EMI）。EMI信號既具有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經傳導和輻射后會污染電磁環境，對通信設備和電子產品造成干擾。如果處理不當，開關電源本身就會變成一個騷擾源。目前，電子產品的電磁兼容性（EMC）日益受到重視，抑制開關電源的EMI，提高電子產品的質量，使之符合EMC標準，已成為電子產品設計者越來越關注的問題。本文就高頻開關電源設計中的電磁兼容性問題進行了探討。

　　1、開關電源的組成及工作原理

　　1.1、組成

　　開關電源的組成框圖如圖1所示，它由以下幾個部分組成：

　　1）主電路包括輸入濾波器、整流與濾波、逆變、輸出整流與濾波；

　　2）控制與保護電路；

　　3）檢測與顯示電路除了提供保護電路所需的各種參數外，還提供各種顯示數據；

　　4）輔助電源。

　　圖1、開關電源的組成框圖

　　1.2、開關穩壓電源原理

　　開關穩壓電源電路如圖2所示。圖2中的開關K以一定的時間間隔重復地接通和斷開，在K接通時，輸入電源Vin通過K和濾波電路供電給負載RL，當K斷開時，輸入電源Vin便中斷了能量的提供。可見，輸入電源向負載提供能量是斷續的，為使負載能得到連續的能量提供，開關穩壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關接通時將一部份能量儲存起來，在開關斷開時，向負載釋放。圖2中，由儲能電感L、濾波電容C2和續流二極管D組成的電路，就具有這種功能。在AB間的電壓平均值VAB可用式（1）表示。

　　VAB=Vinton/T=DVin（1）

　　式中：ton為K導通時間；

　　T為K工作周期；

　　D為占空比，D=ton/T。

　　圖2、開關穩壓電源電路原理圖

　　由式（1）可知，改變D，即可改變VAB。因此，隨著負載及輸入電源電壓的變化調整D便能使輸出電壓Vo維持不變。這種控制方法稱為時間比率控制（Time Ratio Control，縮寫為TRC）。按TRC原理，它有3種方式：

　　1）脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，縮寫為PWM）其開關周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式；

　　2）脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，縮寫為PFM）導通脈沖寬度恒定，通過改變開關工作頻率來改變占空比的方式；

　　3）混合調制導通脈沖寬度和開關工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的結合。

　　2、開關電源產生電磁干擾的機理

　　開關電源之所以是一個很強的電磁騷擾源，來源于高頻通斷的開關器件和輸出整流二極管，以及脈沖變壓器及濾波電感等。

　　2.1、開關管與整流管

　　開關管、整流管高頻通斷時所產生的dv/dt、di/dt是具有較大輻度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富，是一個很強的騷擾源。

　　2.2、高頻變壓器

　　開關管負載為高頻變壓器初級線圈，在開關管導通瞬間，初級線圈產生很大的涌流，并出現較高的浪涌尖峰電壓；在開關管斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有傳輸到次級線圈，而是通過集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個噪聲會傳導到輸入、輸出端，形成傳導騷擾，重者有可能擊穿開關管。

　　另外，高頻變壓器初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導騷擾。需要注意的是，二極管整流電路產生的電磁騷擾中，整流二極管反向恢復電流的|di/dt|遠比續流二極管反向恢復電流的|di /dt|大得多。作為電磁騷擾源來研究，整流二極管反向恢復電流形成的騷擾強度大，頻帶寬。但是，整流二極管產生的電壓跳變遠小于功率開關管導通和關斷時產生的電壓跳變。因此，不計整流二極管產生的|dv/dt|和|di/dt|的影響，而把整流電路當成電磁騷擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。

　　2.3、雜散參數影響耦合通道的特性

　　在傳導騷擾頻段（<30MHz），多數開關電源騷擾的耦合通道是可以用電路網絡來描述的。但是，在開關電源中的任何一個實際元器件，如電阻器、電容器、電感器乃至開關管、二極管都包含有雜散參數，且研究的頻帶愈寬，等值電路的階次愈高，因此，包括各元器件雜散參數和元器件間的耦合在內的開關電源的等效電路將復雜得多。在高頻時，雜散參數對耦合通道的特性影響很大，分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外，在開關管功率較大時，集電極一般都需加上散熱片，散熱片與開關管之間的分布電容在高頻時不能忽略，它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導的共模騷擾。
　

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本文導航

• 第 1 頁：探討高頻開關電源設計中的電磁兼容問題

• 第 2 頁：3、電磁兼容設計

• 第 3 頁：3.4、接地技術的應用

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