【開關電源電磁干擾抑制技術】

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開關電源電磁干擾抑制技術

    開關電源的EMI抑制技術除屏蔽、接地等常用方法外，一些新技術，如:EMI濾波器技術、共模干擾有源抑制技術、軟開關技術、功率管優(yōu)化驅動技術、擴頻調制技術等均有研究和發(fā)展。
1.濾波技術
    在設計和選用濾波器時應注意頻率特性、耐壓性能、額定電流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。濾波器的安裝正確與否對其插入損耗特性影響很大，只有安裝位置恰當，安裝方法正確，才能對干擾起到預期的濾波作用。在安裝濾波器時，應考慮安裝位置，輸入輸出側的配線須屏蔽隔離以及高頻接地和搭接方法。
1.1 無源濾波器技術抑制傳導干擾
開關電源產生的EMI以傳導干擾為主，抑制傳導EMI有效的方法是無源濾波技術，即EMI濾波技術。EMI電源濾波器允許直流或工頻信號通過，對頻率較高的其他信號有較大的衰減作用。對于電源輸入末端加EMI濾波器，若濾波器的性能不良、濾波頻段選擇不當、電路布線不合理、分布參數產生影響等均可導致傳導干擾電壓過大，可通過選擇品質優(yōu)良濾波器、陷波器以及精心布線來抑制電源輸入端的干擾電壓。對于開關電源輸出電壓端，通常也加濾波器和鐵氧體磁環(huán)來抑制輸出電壓端的射頻干擾。無源濾波器是由電感、電容、電阻元件組成的無源網絡，以抑制并衰減干擾信號沿線路的傳播。對于開關電源來說，電源線是電磁干擾傳入、傳出設備的主要途徑。為防止這兩種情況的發(fā)生，須在設備的電源接口安裝無源濾波器。它只允許電源頻率通過，而對高于電源頻率的電磁干擾將進行很大的衰減。無源濾波器的直接作用是解決傳導發(fā)射。但由于電源線上的傳導發(fā)射會導致導線的輻射發(fā)射，因此無源濾波器對減小設備的輻射發(fā)射也十分重要。
   在普通的濾波器中，往往僅安裝一個共模扼流圈，利用其漏電感產生適量的差模電感，起到對差模電流的抑制作用。有時，設計者可人為地增加共模扼流圈的漏電感，提高差模電感量。共模扼流圈的電感量范圍為一到數十mH，具體取決于要濾除的干擾頻率(頻率越低，需要的電感量越大)。
1.2 有源濾波技術抑制共模干擾
    共模干擾的有源濾波技術是一種從噪聲源采取措施抑制共模干擾的方法。其基本思路是設法從主回路中取出一個與EMI信號大小相等、相位相反的補償信號，去平衡原來的EMI信號，以達到降低EMI水平的目的。它是利用晶體管的電流放大作用，通過把發(fā)射極的電流折合到基極，在基極回路來濾波。R1，c2組成的濾波器使基極紋波很小，這樣射極紋波也很小。由于C2的容量小于C3，減少了電容的體積。這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。
2.屏蔽技術
    屏蔽是抑制開關電源輻射騷擾的有效辦法。屏蔽一般分為兩種：一種是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響；另一種是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、磁場以及交變電磁場的影響。采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。例如，功率開關管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣，這就使器件與底板和散熱器之間產生了分布電容，開關電源的底板是交流電源的地線，因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產生共模干擾，解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，割斷了射頻干擾向輸入電網傳播的途徑。為了抑制開關電源產生的輻射，電磁干擾對其他電子設備的影響，可按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng)的機殼和地連接為一體，就能對電磁場進行有效的屏蔽。
3.軟開關技術
    近年來，軟開關技術引起興趣，先后提出了諧振變換器、準諧振變換器、零開關PWM變換器、零轉換PWM變換器等多種軟開關技術。零開關PWM變換器利用諧振實現換相，換相完畢后，仍采用PWM工作方式，從而，既能克服硬開關PWM在開關過程中的缺陷，又能保留硬開關PWM變換器的低穩(wěn)態(tài)損耗和低穩(wěn)態(tài)應力的優(yōu)點。通常認為，軟開關技術的應用有助于電磁干擾水平的降低，但軟開關技術中通常需要增加輔助開關電路，這些高 di/dt 和 du/dt 的支路對電網入線側的近場干擾勢必增加電路的EMI。因此，目前不能認定采用軟開關技術就一定可以改善開關電源的EMI電平，須做進一步的研究。
4.擴頻調制技術
    對于一個周期信號尤其是方波來說，其能量主要分布在基頻信號和諧波分量中，諧波能量隨頻率的增加呈級數降低。由于n次諧波的帶寬是基頻帶寬的n倍，通過擴頻技術將諧波能量分布在一個更寬的頻率范圍上。由于基頻和各次諧波能量減少，其發(fā)射強度也應該相應降低。要在開關電源中采用擴頻時鐘信號，需要對該電源開關脈沖控制電路輸出的脈沖信號進行調制，形成擴頻時鐘。與傳統(tǒng)的方法相比，采用擴頻技術優(yōu)化開關電源EMI既高效又可靠，無需增加體積龐大的濾波器件和繁瑣的屏蔽處理，也不會對電源的效率帶來任何負面影響。
5.PCB設計技術
    印制電路板(PCB)抗干擾技術主要包括PCB布局、布線和接地，其目的是減少PCB的電磁輻射和PCB上電路間的串擾。減少輻射干擾的關鍵是減少通路面積，即開關電源的元器件在布局上要緊密排列印制電路板布線間的電磁耦合通過電場和磁場，布線時，應注意對電場與磁場耦合的抑制，盡量增大線間距離，降低敏感線路的輸入阻抗，減小干擾源和敏感電路的環(huán)路面積，采用靜電屏蔽等。
6.接地技術
    接地是指在系統(tǒng)的某個選定點與某個接地面之間建立導電的通路設計。良好的接地不僅可以保障人身和設備的安全，還可以很好地抑制電磁干擾。接地和屏蔽正確結合起來可以解決大部分的EMI問題。例如，靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾；電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地，但不接地的屏蔽導體時常增強靜電耦合而產生所謂“負靜電屏蔽”效應，所以仍以接地為好，這樣使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連，可為信號回路提供穩(wěn)定的參考電位。因此，系統(tǒng)中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后，最終都與大地相連。

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