開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于開關(guān)電源固有的特點(diǎn),自身產(chǎn)生的各種噪聲卻形成一個(gè)很強(qiáng)的電磁干擾源。所產(chǎn)生的干擾隨著輸出功率的增大而明顯地增強(qiáng),使整個(gè)電網(wǎng)的諧波污染狀況愈加嚴(yán)重。對(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅,因此解決開關(guān)電源的電磁干擾是減小電網(wǎng)污染的必要手段,本文對(duì)一臺(tái)15kW開關(guān)電源的EMC測(cè)試,分析其測(cè)試結(jié)果,并介紹如何合理地正確選擇EMI濾波器,以達(dá)到理想的抑制效果。
1 開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理
圖1為所測(cè)的15kW開關(guān)電源的傳導(dǎo)騷擾值,由圖中可以看出在0、15~15MHz大范圍超差。這是因?yàn)殚_關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾噪聲所為。開關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾噪聲分為差模噪聲和共模噪聲。
圖1未加任何抑制措施所測(cè)得的傳導(dǎo)騷擾
1.1共模噪聲
共模噪聲是由共模電流,IcM所產(chǎn)生,其特征是以相同幅度、相同相位往返于任一電源線(L、N)與地線之間的噪聲電流所產(chǎn)生。圖2為典型的開關(guān)電源共模噪聲發(fā)射路徑的電原理圖。
圖2 共模噪聲電原理圖
由于開關(guān)電源的頻率較高,在開關(guān)變壓器原、副邊及開關(guān)管外殼及其散熱器(如接地)之間存在分布電容。當(dāng)開關(guān)管由導(dǎo)通切換到關(guān)斷狀態(tài)時(shí),開關(guān)變壓器分布電容(漏感等)存儲(chǔ)的能量會(huì)與開關(guān)管集電極與地之問的分布電容進(jìn)行能量交換,產(chǎn)生衰減振蕩,導(dǎo)致開關(guān)管集電極與發(fā)射極之間的電壓迅速上升。這個(gè)按開關(guān)頻率工作的脈沖束電流經(jīng)集電極與地之問的分布電容返回任一電源線,而產(chǎn)牛共模噪聲。
1.2差模噪聲
差模噪聲是由差模電流IDM昕產(chǎn)生,其特征是往返于相線和零線之間且相位相反的噪聲電流所產(chǎn)生。
1.2.1差模輸入傳導(dǎo)噪聲
圖3為典型的開關(guān)電源差模輸入傳導(dǎo)噪聲的電原理圖。
其一是當(dāng)開關(guān)電源的開關(guān)管由關(guān)斷切換到導(dǎo)通時(shí),回路電容C 通過開關(guān)管放電形成浪涌電流,它在回路阻抗上產(chǎn)生的電壓就是差模噪聲。
圖3差模輸入傳導(dǎo)噪聲電原理圖
其二是工頻差模脈動(dòng)噪聲,它是由整流濾波電容c 在整流電壓上升與下降期問的充放電過程中而產(chǎn)生的脈動(dòng)電流與放電電流,也含有大量諧波成分構(gòu)成差模噪聲。
以上兩種差模噪聲都返回到輸入端的交流電網(wǎng),所以稱為輸入傳導(dǎo)噪聲,它不僅污染電網(wǎng),還給其它接人電網(wǎng)的電子、電氣設(shè)備造成危害,還直接導(dǎo)致輸入功率因數(shù)的下降。
1.2.2 差模輸出傳導(dǎo)噪聲
第三種差模噪聲是輸出傳導(dǎo)噪聲,它是整流輸出部分二極管由正偏轉(zhuǎn)為反偏時(shí),反向電流與二極管結(jié)電容、分布電感產(chǎn)生尖峰電壓而造成的差模噪聲,圖4為典型的半波整流濾波電路:
圖4 差模輸出傳導(dǎo)噪聲電原理圖
2 EMI濾波器的正確選擇
EMI濾波器是以工頻為導(dǎo)通對(duì)象的反射式低通濾波器,插入損耗和阻抗特性是重要技術(shù)指標(biāo)。EMI濾波器在正常工作時(shí)處于失配狀態(tài),因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中,它無(wú)法實(shí)現(xiàn)匹配。如濾波器輸入端阻抗 (電網(wǎng)阻抗)是隨著用電量的大小而改變的。濾波器輸出端的阻抗 。(電源阻抗)是隨著負(fù)載的大小而改變的。要想獲得最佳的EMI抑制效果,必須根據(jù)濾波器的兩端所要連接的源端阻抗特性和負(fù)載阻抗特性來(lái)選擇EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù),即遵循輸入、輸出端阻抗失配原則。一般選用方法是:
(1)低的源阻抗和低的負(fù)載阻抗:選?。═)n 濾波器結(jié)構(gòu);(2)高的源阻抗和高的負(fù)載阻抗:選?。?pi; )n“濾波器結(jié)構(gòu);(3)低的源阻抗和高的負(fù)載阻抗:選?。↙C)n“濾波器結(jié)構(gòu);(4)高的源阻抗和低的負(fù)載阻抗:選?。–L) 濾波器結(jié)構(gòu)。
若不能滿足阻抗失配的原則,就會(huì)影響濾波器的插損性能,嚴(yán)重時(shí)甚至引起諧振,在某些頻點(diǎn)處出現(xiàn)干擾放大現(xiàn)象,所以,阻抗失配連接原則是應(yīng)用EMI濾波器必須遵循的原則。
針對(duì)圖l所測(cè)得的傳導(dǎo)騷擾值,可以看出在0.15~15MHz范圍內(nèi)嚴(yán)重超差,最大值超過限值近40dB,而且尖峰較為密集。說明電源所產(chǎn)生的浪涌電壓和浪涌電流較大,即電源的du/dt、di/dt很大,也就是產(chǎn)生的_F擾能量很大。開關(guān)電源共模噪聲等效電路呈高阻抗容性,而差模等效電路高、低阻抗同時(shí)存在。針對(duì)這種情況,EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)選為二級(jí)共模電感和一個(gè)單獨(dú)的差模電感型式,這樣既可以濾除共模噪聲,又可以濾除差模噪聲。插入損耗為40dB,所測(cè)得的傳導(dǎo)騷擾值如圖5所示。
圖5加EMI濾波器后所測(cè)的傳導(dǎo)騷擾
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