高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的電磁兼容性問題研究

說明了開關(guān)電源的組成及工作原理；從開關(guān)電源的各組成部分出發(fā),分析了電磁騷擾產(chǎn)生的機(jī)理，提出了應(yīng)采取的相應(yīng)抑制措施；討論了電磁兼容設(shè)計(jì)中需要加以注意的問題。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；電磁干擾；抑制措施；電磁兼容

0 引言

開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電源相比，具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等許多優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備、通信、自動控制、家用電器等領(lǐng)域。但開關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是能產(chǎn)生較強(qiáng)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(jīng)傳導(dǎo)和輻射后會污染電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。如果處理不當(dāng)，開關(guān)電源本身就會變成一個騷擾源。目前，電子產(chǎn)品的電磁兼容性（EMC）日益受到重視，抑制開關(guān)電源的EMI，提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量，使之符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，已成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者越來越關(guān)注的問題。本文就高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的電磁兼容性問題進(jìn)行了探討。

1 開關(guān)電源的組成及工作原理

1.1 組成

開關(guān)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(hù)電路；

3）檢測與顯示電路 除了提供保護(hù)電路所需的各種參數(shù)外，還提供各種顯示數(shù)據(jù)；

4）輔助電源。

圖1 開關(guān)電源的組成框圖

1.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源原理

開關(guān)穩(wěn)壓電源電路如圖2所示。圖2中的開關(guān)K以一定的時間間隔重復(fù)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(fù)載RL，當(dāng)K斷開時，輸入電源Vin便中斷了能量的提供?？梢姡斎腚娫聪蜇?fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量提供，開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關(guān)接通時將一部份能量儲存起來，在開關(guān)斷開時，向負(fù)載釋放。圖2中，由儲能電感L、濾波電容C2和續(xù)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(dǎo)通時間；

T為K工作周期；

D為占空比，D=ton/T。

圖2 開關(guān)穩(wěn)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(fù)載及輸入電源電壓的變化調(diào)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(diào)制（Pulse Width Modulation，縮寫為PWM） 其開關(guān)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(diào)制（Pulse Frequency Modulation，縮寫為PFM） 導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式；

3）混合調(diào)制 導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)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(jié)合。

2 開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理

開關(guān)電源之所以是一個很強(qiáng)的電磁騷擾源，來源于高頻通斷的開關(guān)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(guān)管與整流管

開關(guān)管、整流管高頻通斷時所產(chǎn)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(qiáng)的騷擾源。

2.2 高頻變壓器

開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級線圈，在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級線圈產(chǎn)生很大的涌流，并出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)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?shù)酱渭壘€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(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，產(chǎn)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(dǎo)到輸入、輸出端，形成傳導(dǎo)騷擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。

另外，高頻變壓器初級線圈、開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會產(chǎn)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(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。需要注意的是，二極管整流電路產(chǎn)生的電磁騷擾中，整流二極管反向恢復(fù)電流的|di/dt|遠(yuǎn)比續(xù)流二極管反向恢復(fù)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(fù)電流形成的騷擾強(qiáng)度大，頻帶寬。但是，整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠(yuǎn)小于功率開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓跳變。因此，不計(jì)整流二極管產(chǎn)生的|dv/dt|和|di/dt|的影響，而把整流電路當(dāng)成電磁騷擾耦合通道的一部分來研究也是可以的。