0 引 言
目前,在計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備、通信、自動(dòng)控制、家用電器等領(lǐng)域中大量使用高頻開關(guān)電源,但高頻開關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾(Electro Magnet-ic InteRFerence,EMI)。
由于高頻開關(guān)電源的一次整流橋是非線性器件,其形成的電流是嚴(yán)重失真的正弦半波,含有豐富的高次諧波,形成了一系列連續(xù)、脈動(dòng)和瞬變干擾。因此,在高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中必須考慮電磁兼容性(Electro Magnet-ic Compatbility,EMC)的設(shè)計(jì)。
電網(wǎng)完全在自然環(huán)境中,連接著各種電子電氣設(shè)備,有著復(fù)雜的電磁轉(zhuǎn)換過程,可能會(huì)引起一些問題:外來噪聲使高頻開關(guān)電源設(shè)備的控制電路出現(xiàn)誤動(dòng)作;通信設(shè)備由于高頻開關(guān)電源設(shè)備的噪聲而出現(xiàn)誤動(dòng)作;高頻開關(guān)電源設(shè)備對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生噪聲污染;高頻開關(guān)電源設(shè)備向空間散發(fā)噪聲。
根據(jù)上述情況,針對(duì)高頻開關(guān)電源存在的缺點(diǎn),在此對(duì)其電路及印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)進(jìn)行了電磁兼容性的設(shè)計(jì)研究。
1 高頻開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)
1.1 高頻開關(guān)電源主電路組成
高頻開關(guān)電源主電路組成框圖如圖1所示,它由輸入濾波電路、高頻逆變電路、輸出整流電路及輸出直流濾波電路等組成。
1.2 輸入濾波電路的EMC設(shè)計(jì)
輸入濾波電路的EMC設(shè)計(jì)如圖2所示。
VD2為瞬態(tài)電壓抑制二極管,Rv1為壓敏電阻,它們都具有很強(qiáng)的瞬變浪涌吸收能力,能很好地保護(hù)后級(jí)元?dú)饧螂娐访庠饫擞侩妷旱钠茐?。Z1為直流抗電磁干擾濾波器,必須良好接地,且接地線要短。L1和C1組成低通濾波電路,當(dāng)L1的電感量較大時(shí),必須增加VD1和R1形成續(xù)流回路,以吸收L1斷開時(shí)釋放時(shí)的電場能量,否則,L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會(huì)形成EMI。L1的磁芯使用閉合磁芯,可以避免開環(huán)磁芯的漏磁場形成EMI。C1采用大容量的電容,可以減少輸入線上的紋波電壓,減弱在輸入導(dǎo)線周圍形成的電磁場。
1.3 高頻逆變電路的EMC設(shè)計(jì)
高頻逆變電路的EMC設(shè)計(jì)如圖3所示。
C2,C3,VT2,VT3組成半橋逆變電路,VT2,VT3為IGBT或MOSFET等開關(guān)管。R4和C4構(gòu)成EMI吸收回路,或在VT2,VT3兩端并聯(lián)C5,C6,由于VT2,VT3開通和關(guān)斷時(shí),開關(guān)時(shí)間很短以及引線電感、變壓器漏感的存在,回路會(huì)產(chǎn)生較高的di/dt,du/dt,從而形成EMI。C4,C5,C6采用低感電容,其容量的大小由公式LI2/2=C△U2/2求得C的值(L為回路電感,I為回路電流,△U為過沖電壓值)。
1.4 輸出整流電路的EMC設(shè)計(jì)
輸出整流電路的EMC設(shè)計(jì)如圖4所示。
VD6為整流二極管,VD7為續(xù)流二極管。由于VD6,VD7工作于高頻開關(guān)狀態(tài),是產(chǎn)生EMI的主要源頭。把R5,C12和R6,C13分別連接成VD6,VD7的吸收回路,用于吸收其開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。
減少整流二極管的數(shù)量可減少EMI的能量,因此,在同等條件下采用半波整流比全波整流和全橋整流產(chǎn)生的EMI要小。為減少二極管的EMI,選用具有軟恢復(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小的且時(shí)間短的二極管。
1.5 輸出直流濾波電路的EMC設(shè)計(jì)
直流EMI濾波器雙端口網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示,其混合參數(shù)方程為:
式中:g11為輸入導(dǎo)納;g22為輸出阻抗;g12為反向電流增益;g21為正向電壓增益。
由式(1)可以等效出如圖6所示的原理圖。
直流EMI濾波器的設(shè)計(jì)必須滿足以下的要求:
(1)要保證濾波器在濾波的同時(shí)不影響電源的帶負(fù)載能力;
(2)對(duì)于輸入的直流分量,要求濾波器盡量不造成衰減;
(3)對(duì)于諧波分量,濾波器要有良好的濾波效果。
結(jié)合混合參數(shù)方程及等效原理圖,根據(jù)第一條要求,應(yīng)使濾波器的輸入導(dǎo)納和輸出阻抗盡可能小,即g11=g22=0。根據(jù)第二條要求,在低頻時(shí)反向電流增益g12和正向電壓增益g21的設(shè)計(jì)值要盡量為1,而輸入導(dǎo)納和輸出阻抗盡可能小,即g12=g21=1,g11=g22=0。根據(jù)第三條要求,在高頻時(shí),g11,g12,g21,g22都要盡可能的小。根據(jù)以上的條件,輸出直流濾波電路的EMC設(shè)計(jì)電路如圖7所示,L2,C17,C18組成LC濾波電路,減少輸出電壓、電流紋波的大小,從而減小通過輻射傳播的EMI。濾波電容C17,C18應(yīng)盡量采用多個(gè)電容并聯(lián),以減小等效串聯(lián)電阻,從而減小紋波電壓。輸出電感L2應(yīng)盡量大,以減小輸出紋波電流。
C19用于濾除導(dǎo)線上的共模干擾,選用低感電容,接線要短。C20,C21,C22,C23用于濾除輸出線上的差模干擾,選用低感的三端電容。Z2為直流濾波器,濾波器的輸入、輸出線要屏蔽隔離。
1.6 開關(guān)電源印制電路板的EMC設(shè)計(jì)
印制電路板是高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)的最后一個(gè)環(huán)節(jié),如果印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng),由于PCB上既有小信號(hào)控制線,又有高壓母線,還有高頻功率開關(guān)和磁性元件,將直接影響到電路中各元件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性,造成電源工作不穩(wěn)定。單根導(dǎo)線的特性阻抗由直流電阻R和自感L組成,其計(jì)算公式如下兩式所示。
式中:l為導(dǎo)線的長度;b為導(dǎo)線的寬度。
顯然,印制線越短,直流電阻R就越小,同時(shí)增大印制線的寬度和厚度也可降低直流電阻R。從式(3)可知,印制線長度l越短,自感L就越小,而且增加印制線的寬度b也可降低自感L。多根印制線的特性阻抗除由直流電阻R和自感L組成外,還有互感M的影響,由互感M計(jì)算公式(4)可知,除受印制板的長度和寬度影響外,印制線的距離也起著重要作用。
M=2l[ln 2l/(b+s)-1] (4)
式中:s為兩線之間的距離。增大兩線之間的距離可減小互感。
由以上分析可知,在設(shè)計(jì)PCB時(shí),應(yīng)盡量降低電源線和地線的阻抗,因?yàn)殡娫淳€、地線和其他印制線都有電感,當(dāng)電源電流變化較大時(shí),將會(huì)產(chǎn)生較大的壓降,而地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素,所以應(yīng)盡量縮短地線,盡量加粗電源線和地線線條。#p#分頁標(biāo)題#e#
2 結(jié) 語
電磁兼容是一個(gè)十分復(fù)雜的問題,在設(shè)計(jì)高頻開關(guān)電源時(shí),應(yīng)對(duì)電源可能的電磁環(huán)境進(jìn)行充分估計(jì),盡可能全面地考慮高頻開關(guān)電源與外界環(huán)境的耦合途徑,利用各種抑制干擾技術(shù)來消除干擾耦合,增強(qiáng)高頻開關(guān)電源的抗干擾能力。主要的措施包括合適的接地,良好的搭接,合理的布線及屏蔽、濾波、限幅等。只有在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮EMC的設(shè)計(jì),才能使高頻開關(guān)電源的電磁干擾降到最低點(diǎn)。
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