高频开关电源的EMC设计.docx

高频开关电源的EMC设计liufb导语：阐述高频开关电源主电路的组成，针对高频开关电源的工作特点，从开关电源中的各组成局部出发，讨论开关电源电路、印制电路板的EMC设计及屏蔽等电磁干扰抑制的方法摘要：阐述主电路的组成，针对高频开关电源的工作特点，从开关电源中的各组成局部出发，讨论开关电源电路、印制电路板的EMC设计及屏蔽等电磁干扰抑制的方法。通过这些方法的施行，确保高频开关电源知足电磁兼容标准的要求。关键词：电磁兼容；电磁干扰；抑制措施；高频开关电源；印制电路板目前，在计算机及外围设备、通讯、自动控制、家用电器等领域中大量使用高频开关电源，但高频开关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰ElectroMagneticInterference,EMI。由于高频开关电源的一次整流桥是非线性器件，其形成的电流是严重失真的正弦半波，含有丰富的高次谐波，形成了一系列连续、动脉和瞬变干扰。因此，在高频开关电源设计中必须考虑电磁兼容性ElctroMagneticCompatibility,EMC的设计。电网完全在自然环境中，连接着各种电子电气设备，有着复杂的电磁转换经过，可能会引起一些问题：外来噪声使高频开关电源设备的控制电路出现误动作；通讯设备由于高频开关电源设备的噪声而出现误动作；高频开关电源设备对电网产生噪声污染；高频开关电源设备向空间散发噪声。根据上述情况，针对高频开关电源存在的缺点，在此对其电路及印制电路板PrintedCircuitBoard，PCB进展了电磁兼容性的设计研究。1高频开关电源的EMC设计1.1高频开关电源主电路组成高频开关电源主电路组成框图如图1所示，它由输入滤波电路、输出整流电路及输出直流滤波电路等组成。1.2输入滤波电路的EMC设计输入滤波电路的EMC设计如图2所示。VDsub2/sub为瞬态电压抑制二极管，RsubV1/sub为压敏电阻，它们都具有很强的瞬变浪涌吸收才能，能很好地保护后级元气件或者电路免遭浪涌电压的破坏。Zsub1/sub为直流抗电磁干扰滤波器，必须良好接地，且接地线要短。Lsub1/sub和Csub1/sub，组成低通滤波电路，当Lsub1/sub的电感量较大时，必须增加VDsub1/sub和Rsub1/sub形成续流回路，以吸收Lsub1/sub断开时释放时的电场能量，否那么，产生的电压尖峰就会形成EMI。Lsub1/sub的磁芯使用闭合磁芯，可以防止开环磁芯的漏磁场形成EMI。Csub1/sub采用大容量的电容，可以减少输入线上的纹波电压，减弱在输人导线四周形成的电磁场。1.3高频逆变电路的EMC设计高频逆变电路的EMC设计如图3所示。Csub2/sub，Csub3/sub,VTsub2/sub,VTsub3/sub组成半桥逆变电路，VTsub2/sub，VTsub3/sub为IGBT或者MOSFET等开关管。Rsub4/sub和Csub4/sub构成EMI吸收回路，在VTsub2/sub，VTsub3/sub两端并联Csub5/sub，Csub6/sub，由于VTsub2/sub，VTsub3/sub开通和关断时，开关时间很短以及引线电感、变压器漏感的存在，回路会产生较高的di/dt,du/dt,进而形成EMI。Csub4/sub，Csub5/sub，Csub6/sub采用低感电容，其容量的大小由公式LIsup2/sup/2=CUsup2/sup/2求得C的值L为回路电感，I为回路电流，U为过冲电压值。1.4输出整流电路的EMC设计输出整流电路的EMC设计如图4所示。VDsub6/sub为整流二极管，VDsub7/sub为续流二极管。由于VDsub6/sub,VDsub7/sub工作于高频开关状态，是产生EMI的主要源头。把Rsub5/sub，Csub12/sub和Rsub6/sub,Csub13/sub分别连接成VDsub6/sub，VDsub7/sub的吸收回路，用于吸收其开关时产生的电压尖峰。减少整流二极管的数目可减少EMI的能量，因此，在同等条件下采用半波整流比全波整流和全桥整流产生的EMI要小。为减少二极管的EMI，选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小的且时间短的二极管。1.5输出直流滤波电路的EMC设计直流EMI滤波器双端口网络模型如图5所示，其混合参数方程为：式中：gsub11/sub为输入导纳；gsub22/sub为输出阻抗；gsub12/sub为反向电流增益；gsub21/sub为正向电压增益。由式1可以等效出如图6所示的原理图。直流EMI滤波器的设计必须知足以下的要求：1要保证滤波器在滤波的同时不影响电源的带负载才能；2对于输入的直流分量，要求尽量不造成衰减；3对于谐波分量，滤波器要有良好的滤波效果。结合混合参数方程及等效原理图，根据第一条要求，应使滤波器的输入导纳和输出阻抗尽可能小，即gsub11/sub=gsub22/sub0。根据第二条要求，在低频时反向电流增益gsub12/sub和正向增益gsub21/sub的设计值要尽量为1，而输入导纳和输出阻抗尽可能小，即gsub12/subgsub21/sub1，gsub11/sub=gsub22/sub=0。根据第三条要求，在高频时，gsub11/sub，gsub12/sub，gsub21/sub，gsub22/sub都要尽可能的小。根据以上的条件，输出直流滤波电路的EMC设计电路如图7所示，Lsub2/sub,Csub17/sub,Csub18/sub组成LC滤波电路，减少输出电压、电流纹波的大小，进而减小通过辐射传播的EMI。滤波电容Csub17/sub，Csub18/sub应尽量采用多个电容并联，以减小等效串联电阻，进而减小纹波电压。输出电感Lsub2/sub应尽量大，以减小输出纹波电流。Csub19/sub用于滤除导线上的共模干扰，选用低感电容，接线要短。Csub20/sub，Csub21/sub，Csub22/sub，Csub23/sub用于滤除输出线上的差模干扰，选用低感的三端电容。Zsub2/sub为直流滤波器，滤波器的输入、输出线要屏蔽隔离。1.6开关电源印制电路板的EMC设计印制电路板是高频开关电源设计的最后一个环节，假如印制电路板设计不当，由于PCB上既有小信号控制线，又有高压母线，还有高频功率开关和磁性元件，将直接影响到电路中各元件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性，造成电源工作不稳定。单根导线的特性阻抗由直流电阻R和自感L组成，其计算公式如下两式所示。Z=R+jwL2L=2lIn2l/b+1/23式中：l为导线的长度；b为导线的宽度。显然，印制线越短，直流电阻R就越小，同时增大印制线的宽度和厚度也可降低直流电阻R。从式3可知，印制线长度l越短，自感L就越小，而且增加印制线的宽度b也可降低自感L。多根印制线的特性阻抗除由直流电阻R和自感L组成外，还有互感M的影响，由互感M计算公式4可知，除受印制板的长度和宽度影响外，印制线的间隔也起着重要作用。M=2lIn2l/b+s-14式中：s为两线之间的间隔。增大两线之间的间隔可减小互感。由以上分析可知，在设计PCB时，应尽量降低电源线和地线的阻抗，由于电源线、地线和其他印制线都有电感，当电源电流变化较大时，将会产生较大的压降，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以应尽量缩短地线，尽量加粗电源线和地线线条。是一个特别复杂的问题，在设计高频开关电源时，应对电源可能的电磁环境进展充分估计，可能全面地考虑高频开关电源与外界环境的耦合途径，利用各种抑制干扰技术来消除干扰耦合，增强高频开关电源的抗干扰才能。主要的措施包括适宜的接地，良好的搭接，公道的布线及屏蔽、滤波、限幅等。只有在设计时充分考虑EMC的设计，才能使高频开关电源的电磁干扰降到最低点。参考文献：1曲学基，曲敬铠，于明扬电力电子滤波技术及应用M.北京：电子工业出版社，20202周志敏，周纪海，纪爱华开关电源实用电路M北京：中国电力出版社，20063周志敏，周纪海，纪爱华当代开关电源控制电路设计与应用M北京：人民邮电出版社，20054刘成功当代高频开关电源实用技术M北京：电子工业出版社，20015曲学基，曲敬铠，于明扬电力电子整流技术及应用M北京：电子工业出版社，2007详情请点击：0