開關(guān)電源電磁騷擾的抑制

0 前言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備或系統(tǒng)之中。開關(guān)電源性能的好壞，直接影響設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，開關(guān)電路在高頻下的通、斷過程產(chǎn)生大幅度的電壓跳變，即產(chǎn)生的dv/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富，是開關(guān)電源電磁騷擾的主要因素。抑制開關(guān)電路的電磁騷擾已成為提高開關(guān)電源性能的主要途經(jīng)。

1 開關(guān)電路電磁騷擾（EMD）的產(chǎn)生及傳播途徑

開關(guān)電源主要由一次整流電路、開關(guān)電路、二次整流電路、反饋觸發(fā)控制電路組成。開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由功率開關(guān)管S和高頻變壓器(L₁及L₂)組成，如圖1所示。

圖1 典型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)原理及共模、差模干擾的傳播路徑

1.1 開關(guān)電路產(chǎn)生電磁騷擾的原因

功率開關(guān)管S的負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈L₁，是感性負(fù)載。在S導(dǎo)通瞬間，L₁產(chǎn)生很大的涌流，并在其兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在S斷開瞬間，由于L₁的漏磁通，致使一部分能量沒有從L₁傳輸?shù)蕉尉€圈L₂，儲(chǔ)藏在漏感中的這部分能量將和漏極電路中的電容、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，這種電壓會(huì)產(chǎn)生與L₁接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個(gè)噪聲會(huì)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)管及該電路中其它元器件。

L₁，S和濾波電容C₁構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。如果電容C₁濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會(huì)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。

1.2 電磁騷擾的傳播途經(jīng)

開關(guān)電源中的電磁騷擾對(duì)外表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾可分為共模（Common Mode——CM）干擾和差模（Differential Mode——DM）干擾。由于開關(guān)電路寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)器件的高頻開通與關(guān)斷，使得開關(guān)電源在其輸入端（即交流電網(wǎng)側(cè)）產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾[2]。

共模干擾的特點(diǎn)是干擾的大小和方向一致，存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線對(duì)大地間。共模干擾也稱為縱模干擾、不對(duì)稱干擾或接地干擾。是載流體與大地之間的干擾。

開關(guān)電路在高頻情況下，由于dv/dt很高，激發(fā)變壓器線圈間、以及開關(guān)管與散熱片間的寄生電容，從而產(chǎn)生了共模干擾。如圖1中的虛線所示，共模干擾電流從具有高dv/dt的開關(guān)管S出發(fā)經(jīng)過分布電容C_i流經(jīng)接地散熱片和地線，再由高頻LISN網(wǎng)絡(luò)（由兩個(gè)50Ω電阻等效）流回輸入線路。

差模干擾的特點(diǎn)是大小相等，方向相反，存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。是施加于載流體之間的干擾。

開關(guān)電路中的電流在高頻情況下作開關(guān)變化，從而在輸入、輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的di/dt，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應(yīng)了干擾電壓。這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生差模干擾，如圖1中的實(shí)線所示。故選用高質(zhì)量的濾波電容（等效電感或阻抗很低）可以降低差模干擾。

共模干擾說明干擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的，而差模干擾則說明干擾源于同一條電源電路的。通常這兩種干擾是同時(shí)存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會(huì)相互轉(zhuǎn)化，情況十分復(fù)雜。

2 開關(guān)電路電磁騷擾的抑制

2.1 選擇合適的開關(guān)電源電路拓?fù)浼肮ぷ黝l率

開關(guān)電源的工作頻率與其產(chǎn)生的騷擾強(qiáng)度密切相關(guān)。低的開關(guān)電源工作頻率不但可以減少騷擾的高頻分量，其傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾的傳播效率也會(huì)大大降低。

2.2 選擇合適的電路元器件

在開關(guān)電路中，開關(guān)管是核心，不同品牌的開關(guān)管輻射騷擾相差可達(dá)15～20dB。開關(guān)電路中另一關(guān)鍵部件是脈沖變壓器，脈沖變壓器對(duì)電磁兼容的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一個(gè)是初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的分布電容C_d，一個(gè)是脈沖變壓器的漏磁。通過在初級(jí)線圈與次級(jí)線圈間加靜電屏蔽層并引出接地，該接地線盡量靠近開關(guān)管的發(fā)射極接直流輸入的0V地(熱地)，這樣可以大大減小分布電容C_d，從而減少了初、次級(jí)的電場(chǎng)的耦合騷擾。為了減小脈沖變壓器的漏磁，可以選擇封閉磁芯(如環(huán)形)，封閉磁芯比開口磁芯的漏磁小。還可以通過在脈沖變壓器外包高磁導(dǎo)率的屏蔽材料抑制滑磁。從而減小了通過漏磁輻射的騷擾。

2.3 增加無源緩沖電路

緩沖電路不僅可以抑制開通時(shí)的di/dt、限制關(guān)斷時(shí)的dv/dt，還具有電路簡(jiǎn)單、成本較低的特點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用[3]。

在開關(guān)電路的S兩端并聯(lián)RC〔如圖2(a)所示〕或DRC〔如圖2(b)所示〕吸收電路，可吸收S接通和斷開瞬間產(chǎn)生的較高的浪涌尖峰電壓，降低開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾。

（a） RC緩沖電路 （b） DRC緩沖電路

圖2 緩沖電路