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直流电源的抗干扰设计

 

电力电子技术的迅猛发展一方面带动了电源技术的发展,另一方面也给电源产品提出了越来越高的要求。开关电源具有线性电源无可比拟的优点:体积小、重量轻、效率高等。但是,功率密度的增大和频率的提高所产生的电磁干扰对电源本身及周围电子设备的正常工作都造成威胁。开关变换器本身具有一定的开关噪声,从而会从电源的输入端产生差模与共模干扰信号。电磁干扰的产生是由开关电源本身的特点所决定的,是难以避免的,关键是如何采取有效的措施来减小其干扰程度。

电磁兼容(EMC)是指在有限的空间、时间和频率范围内各种电器设备共存而不引起性能下降。它包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感(EMS)两方面的内容。EMI是指电器产品向外发出干扰,EMS是指电器产品抵抗电磁干扰的能力。一台具备良好电磁兼容性能的设备应既不受周围电磁噪声的影响,也不对周围环境造成电磁干扰。

电源的EMC设计应考虑以下几个方面:

1)滤波器

2)高频变压器

3)软开关技术 4)共模干扰的有源抑制

5)印制线路板布线的EMC设计

3EMC的设计措施

滤波器

滤波是一种抑制传导干扰的方法。例如在电源输入端接上滤波器,可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害,也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元,在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。它不仅可抑制传输线上的传导干扰,同时对传输线上的辐射发射也具有显著的抑制效果。在滤波电路中,选用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环,能够改善电路的滤波特性。适当的设计或选择合适的滤波器,并正确地安装滤波器是抗干扰技术的重要组成部分,具体措施如下: 1)在交流电输入端加装电源滤波器,其电路如图1所示。图中Ld、Cd用于抑制差模噪声,一般取Ld为100~700μH,Cd取1~10μF。Lc、Cc用于抑制共模噪声,可根据实际情况加以调整。

所有电源滤波器都必须接地(厂家特别说明允许不接地的除外),因为滤波器的共模旁路电容必须在接地时才起作用。一般的接地方法是除了将滤波器与金属外壳相接之外,还要用较粗的导线将滤波器外壳。

与设备的接地点相连。接地阻抗越低滤波效果越好。

滤波器尽量安装在靠近电源入口处。滤波器的输入及输出端要尽量远离,避免干扰信号从输入端直接耦合到输出端。

2)在电源输出端加输出滤波器。加装高频电容,加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量,可以抑制差模噪声。如果把多个电容并联,则效果会更好。3.2高频变压器

在高频变压器的原边、副边、开关管的C、E极间以及在输出整流二极管上加装RC吸收网络。

软开关技术

软开关技术的应用有助于电磁干扰的降低,这是因为功率IGBT在零电压情况下导通和零电流情况下关断,且快速恢复二极管也是软关断,可以减小功率电路中功率器件的di/dt和dv/dt,从而可以减小EMI电平。通过实验证明软开关技术只在抑制纹波的高次谐波上有一定效果。

共模干扰的有源抑制技术

共模干扰有源抑制技术是一种从噪声源采取措施来抑制共模干扰的方法。这种方法的思路是设法从主电路中取出一个与导致EMI的主要开关电压波形完全反相的补偿EMI噪声电压,并用它去平衡原开关电压的影响。

印制线路板

实践证明,印制板的元器件布置和布线设计对开关电源EMC性能有极大的影响,在高频开关电源中,由于印制板上既有电平为±5V、±15V的小信号控制线,又有高压电源母线,同时还有一些高频功率开关、磁性元件,如何在印制板有限的空间内合理地安排元器件位置,将直接影响到电路中各元器件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性。

导线阻抗的影响

通过分析印制导线的特性阻抗,来选取印制导线的放置方式、长度、宽度以及布局方式。

单根导线的特性阻抗由直流电阻R和自感L组成

Z=R+jωL(1)L=2lln(2)

式中:l——导线长度;

b——导线宽度。

显然,印制线l越短,直流电阻R就越小;同时增加印制线的宽度和厚度也可降低直流电阻R。

从式(2)可看出,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。而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,而互感M除受印制线的长度和宽度影响外,印制线之间距也起着重要的作用。M=2l(3)

式中:s——两线之间的距离,增大两线的间距可减少互感。

针对以上现象,在设计印制电路板时,应尽量降低电源线和地线的阻抗,因为电源线、地线和其它印制线都有电感,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,也可尽量加粗电源线和地线线条。

在双面印制板设计中,除尽可能地加粗电源线和地线线条之外,还应在地线和电源线之间安装高频特性好的去耦电容。另外,切忌两条印制信号线平行走线。如果平行走线无法避免,可通过以下方法来补救:1)在两条信号线之间加一条地线,以起屏蔽作用;

2)尽量拉开两条平行信号线之间的距离,以降低两线之间电磁场的影响;

3)使两条平行的信号线流过的电流方向相反。(目的在于减小感应磁通)

元器件的布局

在设计印制电路板时,通常干扰源和受扰体由于受到工作条件的限制而难以避免。这时,应尽量将相互关联的元器件摆放在一起以避免因器件离的太远而造成印制线过长所带来的干扰;再者将输入信号和输出信号尽量放置在引线端口附近,以避免因耦合路径而产生的干扰。

结构上的措施

屏蔽是解决电磁兼容问题的重要且有效的手段

电磁兼容

之一。目的是切断电磁波的传播途径。大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决,用电磁屏蔽的方法解决电磁干扰问题不会影响电路的正常工作。

对于开关电源来说,主要是做好机壳屏蔽,高频变压器屏蔽,开关管和整流二极管的屏蔽。

结语

通过采取以上措施,可大大减小电源的纹波,我们设计的加固机电源纹波+噪声由原来的150~200mV减小到现在的15~30mV。使开关电源的适用范围更加广泛。

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