高频开关电源中的电磁干扰_EMI_问题及电磁兼容_EMC_刘佐成

高频开关电源中的电磁干扰(EMI )问题及电磁兼容(EMC )

刘佐成

(哈尔滨师范大学阿城学院　黑龙江阿城　150301)

摘　要:伴随着电子技术的发展,高频开关电源已进入各种电子、电器设备领域。现在的高频开关电源控制已向“高、精、尖”方向发展,这些器件体积小、精度高,但电源内部的电磁干扰、辐射比原来更强了,为了使高频开关电源在预期的电磁环境下能正常工作、无性能降低及故障,并对电磁环境中的任何事物不构成电磁干扰,必需对其进行电磁兼容。重点论述高频开关电源中电磁干扰的途径及兼容措施。

关键词:高频开关电源;电磁干扰;电磁兼容;电子技术

中图分类号:T N972 文献标识码:B 文章编号:1004-373X (2007)10-166-02

EMI Problem and EMC in Power Supply of High Frequency Switch

L IU Zuocheng

(Acheng Colleg e ,H arbin No rm al Unive rsity ,Acheng ,150301,China )

Abstract :With the develo pment of electro nic techno lo gy ,the powe r supply of hig h frequency sw itch has been put in v ari -o us a reas o f electro nic and electrical a ppara tus.Recently ,the contro l of pow er supply o f high frequency switch has been devel -o ped tow ards the "high refined and cuspida te "directio n.A lthough the par ts o f appara tus hav e small vo lume and refined preci -sio n ,the Electr o M agnetic I nte rference (EM I )and radiatio n are much stronge r than befo re.So in o rder to make it wo rk no rmal -ly in pro spectiv e electro circumstance ,w itho ut efficiency reduce and malfunctio n ,and witho ut electromag netic interfere to any -thing in elect ro circumstance ,w e have to make an Electr o M agnetic Co mpa tibility (EM C )fo r the powe r supply of high frequen -cy switch.T his ar ticle mainly discusses so me approaches and compatible measure s of electro magnetic interfere in po wer supply of hig h f requency sw itch.

Keywords :hig h f requency pow er supply ;electro magnetic interference ;elec tromag ne tic compatibility ;elec tronic technology

收稿日期:2006-11-16

1　高频开关电源的电磁干扰

高频开关电源中的电磁干扰可分两部分,来自电源外部的电磁干扰和电源内部产生的电磁干扰。

1.1　来自电源外部的电磁干扰

1.1.1　电网中的电磁干扰

电网中连接着各种各样的电子、电气设备,他们之间存在着复杂的电磁转换过程,尤其是非线性负载,如变频驱动、晶闸管整流直流驱动设备、计算机、不间断电源(UPS )、节能荧光灯等电器设备的增加,造成电压波动、浪涌冲击、谐波等电磁干扰。这种电磁干扰可分为差模干扰和共模干扰两种。差模干扰是火线与零线间流动的电流噪声,共模干扰是火线或零线与地线间流动的电流噪声。1.1.2　电磁脉冲(EM P )干扰

这里所说的电磁脉冲主要是指由雷电感应而产生的电磁脉冲。雷电放电时周围空间辐射出强电磁场,他可以在金属导体上感应出很强的感应电压,如果施加到开关电源设备上,将导致设备性能降低或产生严重故障。1.1.3　静电放电(ESD )干扰

当静电向开关电源中的器件放电时,会使M OS 器件

击穿;双极型晶体管局部升温而损坏元件;数字电路产生

错误动作甚至损坏。

1.2　高频开关电源内部的电磁干扰

高频开关电源内部的电磁干扰主要来自于整流器、逆向变换器、变压器等器件。

1.2.1　整流器产生的电磁干扰

高频开关电源中的一次整流器是非线性器件,其形成的电流是严重失真的正弦半波,其中含有丰富的高次谐波。他们可以形成谐波、电场、磁场、浪涌等传导、辐射一系列连续、脉动或瞬变的电磁干扰。1.2.2　逆变换器产生的电磁干扰

伴随高频开关电源开关频率的提高,受电路中分布电感,分布电容或二极管中存储电荷的影响产生了象浪涌、噪声等电磁干扰,同时为有效利用这种高频现象,1M Hz 以上的高频开关电源,一般采用软开关技术,即谐振式开关,但其内部的谐波也增强了,电磁干扰也相对增强了。1.2.3　变压器产生的电磁干扰

普通的变压器由铁氧体磁芯及铜线圈构成,漏感大,热噪声大,产生一定量的电磁干扰。2　高频开关电源的电磁兼容措施

针对高频开关电源中存在上述产生电磁干扰的原因,

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微电子技术刘佐成:高频开关电源中的电磁干扰(EM I )问题及电磁兼容(EM C )

在高频开关电源的设计上可以采取以下几方面的电磁兼容措施。

2.1　高频开关电源的电磁脉冲抑制

由于浪涌主要来自雷电,因此电磁脉冲的抑制主要是采用相应的措施在极短的时间内将设备上感应到的大量脉冲能量泄放到安全地线上,进而保护整个设备。一般使

用并联压敏电阻、稳压二极管、气体放电管等3种方法来进行抑制,如果设备要求较低,可以采用其中一种方式,如果要求较高,就需要将三者综合在一起使用,才能达到满意的效果。

2.2　变压器产生的电磁干扰的抑制

对于变压器产生的电磁干扰,可以采用平面变压器来

减少普通变压器产生的电磁干扰。平面变压器采用小尺寸的E 型、RM 型或环型铁氧体磁芯,这些磁芯由高频功率铁氧体材料制成,在高频下有较低的磁芯损耗;绕组采用多层印刷电路板迭绕而成,绕组或铜片迭在平面的高频铁芯上构成变压器的磁回路。这种平面变压器直流铜阻低,漏感和分布电容低,可以满足谐振电路的要求,并且磁芯具有良好的磁屏蔽,可以抑制射频干扰。

2.3　正确选择和使用电磁干扰滤波器

滤波器能有效地抑制电网中的电磁干扰进入设备,还可以抑制设备内的电磁干扰进入电网。由于这种电磁干扰分为差模干扰和共模干扰,因此滤波器也分为差模滤波

器和共模滤波器,如图1中的电路所示

。

图1　高频开关电源滤波器原理图

L 1,L 2可在10～600μH 间选取,C 1可在0.47～1μF 间选取,L 3,L 4可在10～40mH 间选取,C 2,C 3可在1～5μF 间选取由于既要防止外界干扰进入高频开关电源,又要防止内部电磁干扰进入电网,所以应在高频开关电源的入口和出口处加接抗干扰滤波器。

2.4　采用谐振开关方式

采用ZVS 型、ZCS 型或混合使用两种开关,可以有效减少分布电感、分布电容产生的寄生振荡,还可以降低开

关损耗。

2.5　选择良好的元件

(1)开关电子器件的选择

高频开关电源的开关电子元件应以选用M OSFET 、IGBT 、快速二极管为主。一般应采用IGBT /M OSF ET 并

联技术来减少损耗,提高效率。M OSFET 是电压驱动电子器件,导通和关断时,上升和下降速度快,开关损耗小,极适合在开关频率高的情况下使用,但高电压大电流情况下,导通损耗大。IGBT 是一种功率场效应晶体管和晶体管的复合器件,采用电压驱动,开关速度快,通态损耗小,关断时间长,损耗大。如果将两者并联,可发挥各自的优点,弥补缺点,使之既具有IGBT 通态损耗小的特点,又具有M OSFET 开关损耗小的特点。

(2)扼流圈与电容的选择

在抗干扰滤波器中可选用正态扼流圈、共态扼流圈和三端子电容等一些EM I 滤波专用器件。

正态扼流圈使用损耗较大的SN 线圈制成的,他是用为抑制晶闸管噪声而研制的硅钢片压制而成的。SB 线圈的铁损小,自谐振时Q 值高,使用他可以抑制10～150kHz 的电磁干扰。共态扼流圈是在磁芯上绕有与电源线根数相同匝数的线圈,往复的负载电流在磁芯内部产生的磁场互相抵消,他的主要用途是抑制导线与地线间的电磁干扰。三端子电容是在高电位端设有输入和输出两根线,高电位端无剩余电感。作为旁路电容,他能抑制掉300M H z 的电磁干扰。

2.6　设计合理的PCB 板

无论高频开关电源电路设计多么合理,只要PCB 板设计不合理,就有可能造成过多的电磁干扰,因此应合理

设计PCB 板。在设计时应主要考虑以下几点:

合理布置电源开关交流回路、输出整流交流回路、输入信号电流回路、输出负载电流回路四个回路;合理选择印刷线的长度和宽度,减少频率响应;正确选择接地点,避免自激;尽量加粗接地线,注意布线方向,少拐弯。

2.7　合理屏蔽

为防止高频开关电源干扰其他设备或被干扰,同时防止静电放电,可以适当采取屏蔽措施。

3　综　述

以上是高频开关电源中的电磁干扰及其兼容方法。从根本意义上讲,电磁干扰的兼容不外乎滤波、屏蔽和接地3种措施。只要针对设备产生电磁干扰的原因,合理选择滤波、屏蔽和接地措施,就可以将电磁干扰抑制或减弱。

参　考　文　献

[1]刘贤兴.新型智能开关电源技术[M ].北京:机械工业出版

社,2003.

[2]刘胜利.现代高频形状电源实用技术[M ].北京:电子工业

出版社,2001.

[3]五家庆.智能型高频开关电源系统的原理使用与维护[M ].

北京:人民邮电出版社,2000.

作者简介　刘佐成　男,1970年出生,黑龙江齐齐哈尔人,讲师。

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《现代电子技术》2007年第10期总第249期

集成电路