1、開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的電路設計
當開(kāi)關(guān)電源的諧波電平在低頻段(頻率范圍0.15～30MHz)表現在電源線(xiàn)上時(shí),稱(chēng)之為傳導干擾。要抑制傳導干擾相對比較容易,只要使用適當的EMI濾波器,就能將其在電源線(xiàn)上的EMI信號電平抑制在相關(guān)標準規定的限值內。
要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減性能,則濾波器阻抗應與電源阻抗失配,越失配,實(shí)現的衰減越理想,得到的插入損耗特性就越好。也就是說(shuō),如果噪音源內阻是低阻抗的,則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應該是高阻抗(如電感量很大的串聯(lián)電感);如果噪音源內阻是高阻抗的,則EMI濾波器的輸入阻抗應該是低阻抗(如容量很大的并聯(lián)電容)。這個(gè)原則也是設計抑制開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器必須遵循的。
幾乎所有設備的傳導干擾都包含共模噪音和差模噪音,開(kāi)關(guān)電源也不例外。共模干擾是由于載流導體與大地之間的電位差產(chǎn)生的,其特點(diǎn)是兩條線(xiàn)上的雜訊電壓是同電位同向的;而差模干擾則是由于載流導體之間的電位差產(chǎn)生的,其特點(diǎn)是兩條線(xiàn)上的雜訊電壓是同電位反向的。通常,線(xiàn)路上干擾電壓的這兩種分量是同時(shí)存在的。由于線(xiàn)路阻抗的不平衡,兩種分量在傳輸中會(huì )互相轉變,情況十分復雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路,如圖1所示。
圖1 電源濾波器
圖中:
差模抑制電容Cx1、Cx2:0.1～0.47μF;
差模抑制電感L1、L2:100～130μH;
共模抑制電容Cy1、Cy2:<>
共模抑制電感L:15～25mH。
設計時(shí),必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率,一般要低于10kHz,即
在實(shí)際使用中,由于設備所產(chǎn)生的共模和差模的成分不一樣,可適當增加或減少濾波元件。具體電路的調整一般要經(jīng)過(guò)EMI試驗后才能有滿(mǎn)意的結果,安裝濾波電路時(shí)一定要保證接地良好,并且輸入端和輸出端要良好隔離,否則,起不到濾波的效果。
開(kāi)關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾以共模干擾為主,在設計濾波電路時(shí)可嘗試去掉差模電感,再增加一級共模濾波電感。常采用如圖2所示的濾波電路,可使開(kāi)關(guān)電源的傳導干擾下降近30dB,比CISOR22標準的限值低了近6dB以上。
還有一個(gè)設計原則是不要過(guò)于追求濾波效果而造成成本過(guò)高,只要達到EMC標準的限值要求并有一定的余量(一般可控制在6dB左右)即可。
圖2 電源濾波器
2、輻射EMI的抑制措施
如前所述,開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)很強的騷擾源,它來(lái)源于開(kāi)關(guān)器件的高頻通斷和輸出整流二極管反向恢復。很強的電磁騷擾信號通過(guò)空間輻射和電源線(xiàn)的傳導而干擾鄰近的敏感設備。除了功率開(kāi)關(guān)管和高頻整流二極管外,產(chǎn)生輻射干擾的主要元器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。
雖然,功率開(kāi)關(guān)管的快速通斷給開(kāi)關(guān)電源帶來(lái)了更高的效益,但是,也帶來(lái)了更強的高頻輻射。要降低輻射干擾,可應用電壓緩沖電路,如在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路(如圖3所示),或電流緩沖電路,如在開(kāi)關(guān)管的集電極上串聯(lián)20～80μH的電感。電感在功率開(kāi)關(guān)管導通時(shí)能避免集電極電流突然增大,同時(shí)也可以減少整流電路中沖擊電流的影響。
圖3 R-C-D吸收電路
功率開(kāi)關(guān)管的集電極是一個(gè)強干擾源,開(kāi)關(guān)管的散熱片應接到開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極上,以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產(chǎn)生的電流流入主電路中。為減少散熱片和機殼的分布電容,散熱片應盡量遠離機殼,如有條件的話(huà),可采用有屏蔽措施的開(kāi)關(guān)管散熱片。
圖4 RC緩沖電路
整流二極管應采用恢復電荷小,且反向恢復時(shí)間短的,如肖特基管,最好是選用反向恢復呈軟特性的。另外在肖特基管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò )均可減少干擾,電阻、電容的取值可為幾Ω和數千pF,電容引線(xiàn)應盡可能短,以減少引線(xiàn)電感。實(shí)際使用中一般采用具有軟恢復特性的整流二極管,并在二極管兩端并接小電容來(lái)消除電路的寄生振蕩(如圖4所示)。
負載電流越大,續流結束時(shí)流經(jīng)整流二極管的電流也越大,二極管反向恢復的時(shí)間也越長(cháng),則尖峰電流的影響也越大。采用多個(gè)整流二極管并聯(lián)來(lái)分擔負載電流,可以降低短路尖峰電流的影響。
開(kāi)關(guān)電源必須屏蔽,采用模塊式全密封結構,建議用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板,屏蔽層必須良好接地。在高頻脈沖變壓器初、次級之間加一屏蔽層并接地,可以抑制干擾的電場(chǎng)耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩,可以將磁力線(xiàn)限制在磁阻小的屏蔽體內。
根據以上設計思路,對輻射干擾超過(guò)標準限值20dB左右的某開(kāi)關(guān)電源,采用了一些在實(shí)驗室容易實(shí)現的措施,進(jìn)行了如下的改進(jìn):
(1)在所有整流二極管兩端并470pF電容;
(2)在開(kāi)關(guān)管G極的輸入端并50pF電容,與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器;
(3)在各輸出濾波電容(電解電容)上并一0.01μF電容;(4)在整流二極管管腳上套一小磁珠;
(5)改善屏蔽體的接地。
經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后,該電源就可以通過(guò)輻射干擾測試的限值要求。
3、EMI濾波器的發(fā)展趨勢
90年代以來(lái),隨著(zhù)電子設備小型化和表面組裝技術(shù)的發(fā)展,電子元器件向小型化、片式化、復合化、多功能和高性能化發(fā)展,各種表面組裝元件逐漸成為電子元件的主流產(chǎn)品。因此,目前擺在傳統EMI濾波器面前的一個(gè)不可回避的問(wèn)題是如何適應電子設備小型化的發(fā)展需求。目前,國際片式EMI濾波器以信號濾波器為主,可運用于電源的EMI濾波器較少。有效抑制開(kāi)關(guān)電源噪聲的新一代EMI濾波器應該是由有效的共、差模扼流圈和若干電容組成的相關(guān)電路,為了減小體積,這些電感、電容元件應盡可能采用片式元件。以采用片式電容、電感為主的新一代EMI濾波器的出現和發(fā)展將是歷史的必然。與標準模塊電源的發(fā)展歷史一樣,新一代EMI濾波器也應該向標準模式電路的方向發(fā)展。由于目前直流系列片式電容發(fā)展迅速,所以新一代直流系列EMI濾波器的發(fā)展有可能成為現實(shí)。
4、結束語(yǔ)
開(kāi)關(guān)電源技術(shù)是一項綜合性技術(shù),可以利用先進(jìn)的半導體電路設計技術(shù)、磁性材料、電感元件技術(shù)以及開(kāi)關(guān)器件技術(shù)等來(lái)有效地減少和抑制EMI。目前,開(kāi)關(guān)電源已日益廣泛地應用到各種控制設備、通信設備以及家用電器中,其電磁干擾問(wèn)題及與其它電子設備的電磁兼容問(wèn)題已日益成為人們關(guān)注的熱點(diǎn),未來(lái)電磁干擾及其相關(guān)問(wèn)題必將得到更多的研究。
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