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开关电源中如何进行电磁兼容性设计

2020-07-31 21:12:06 字号:
正确了解和把握的电磁干扰源及其产生机理和干扰传播途径,对于采取何种抗干扰措施以使设备满足电磁兼容要求非常重要。由于干扰源有电源内部产生的干扰源和外部的干扰源,而且可以说干扰源无法消除,受扰设备也总是存在,因此可以说电磁兼容问题总是存在。

下面以隔离式变换器为例,讨论开关电源的电磁兼容性设计:

1. DC/DC变换器输入滤波的设计
如图所示,FV1为瞬态电压抑制,RV1为,都具有很强的瞬变浪涌的吸收能力,能很好的保护后级元件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z1为直流E,必须良好接地,接地线要短,最好直接安装在金属外壳上,还要保证其输入、输出线之间的屏蔽隔离,才能有效的切断传导干扰沿输入线的传播和辐射干扰沿空间的传播。L1、C1组成低通滤波电路,当L1值较大时,还需增加如图所示的V1和R1元件,形成续流回路吸收L1断开时释放的电场能,否则L1产生的电压尖峰就会形成电磁干扰,电感L1所使用的最好为闭合磁芯,带气隙的开环磁芯的漏磁场会形成电磁干扰,C1的容量较大为好,这样可以减小输入线上的纹波电压,从而减小输入导线周围形成的电磁场。

DC/DC变换器输入滤波电路

2.高频逆变电路的电磁兼容设计
如图所示,C2、C3、V2、V3组成的半桥逆变电路,V2、V3为、等开关元件,在V2、V3开通和关断时,由于开关时间很快以及引线电感、漏感的存在,回路会产生较高的di/dt、dv/dt突变,从而形成电磁干扰,为此在变压器原边两端增加R4、C4构成的吸收回路,或在V2、V3两端分别并联C5、C6,并缩短引线,减小ab、cd、gh、ef的引线电感。在设计中,C4、C5、C6一般采用低感,电容器容量的大小取决于引线电感量、回路中电流值以及允许的过冲电压值的大小,LI2/2=C△V2/2公式求得C的大小,其中L为回路电感,I为回路电流,△V为过冲电压值。
为减小△V,就必须减小回路引线电感值,为此在设常使用一种叫“多层低感复合母排”的装置,由我所申请专利的该种母排装置能将回路电感降低到足够小,达10nH级,从而达到减小高频逆变回路电磁干扰的目的。

开关管电流、电压波形比较图
从电磁兼容性设计角度考虑,应尽量降低开关管V2、V3的开关频率,从而降低di/dt、dv/dt值。另外使用ZCS或ZVS软开关变换技术能有效降低高频逆变回路的电磁干扰。在大电流或高电压下的快速开关动作是产生电磁噪声的根本,因此尽可能选用产生电磁噪声小的电路拓扑,如在同等条件下双管正激拓扑比单管正激拓扑产生电磁噪声要小,全桥电路比半桥电路产生电磁噪声要小。
如图所示增加吸收电路后开关管上的电流、电压波形与没有吸收回路时的波形比较。

半桥逆变电路

3.的电磁兼容设计
在高频变压器T1的设计时,尽量选用电磁屏蔽性较好的磁芯材料。
如图所示,C7、C8为匝间电路,C11为绕组间耦合电容,在变压器绕制时,尽量减小分布电容C11,以减小变压器原边的高频干扰耦合到次边绕组。
另外为进一步减小电磁干扰,可在原、次边绕组间增加一个屏蔽层,屏蔽层良好接地,这样变压器原、次边绕组对屏蔽层间就形成耦合电容C9、C10,高频干扰电流就通过C9、C10流到大地。
由于变压器是一个发热元件,较差的散热条件必然导致变压器温度升高,从而形成热辐射,热辐射是以电磁波形式对外传播,因此变压器必须有很好的散热条件。
通常将高频变压器封装在一个铝壳盒内,铝盒还可安装在铝散热器上,并灌注电子硅胶,这样变压器即可形成较好的电磁屏蔽,还可保证有较好的散热效果,减小电磁辐射。

高频变压器的电磁兼容设计

5. 输出整流电路电磁兼容设计
如图所示为输出半波整流电路,V6为整流二极管,V7为续流二极管,由于V6、V7工作于高频开关状态,因此输出整流电路的电磁干扰源主要是V6和V7,R5、C12和R6、C13分别连接成V6、V7的吸收电路,用于吸收其开关动作时产生的电压尖峰,并以热的形式在R5、R6上消耗。
减少整流二极管的数量就可减小电磁干扰的能量,因此同等条件下,采用半波整流电路比采用全波整流和全桥整流产生的电磁干扰要小。
为减小二极管的电磁干扰,必须选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小、反向恢复时间短的二极管器件。从理论上讲,肖特基势垒二极管(SBD)是多数载流子导流,不存在少子的与复合效应,因而也就不会有反向电压尖峰干扰,但实际上对于较高反向工作电压的肖特基二极管,随着电子势垒厚度的增加,反向恢复电流会增大,也会产生电磁噪声。因此在输出电压较低的情况下选用肖特基二极管作直流二极管产生的电磁干扰会比选用其它二极管器件要小。

输出整流电路电磁兼容设计

6. 输出直流滤波电路的电磁兼容设计
输出直流滤波电路主要用于切断电磁传导干扰沿导线向输出负载端传播,减小电磁干扰在导线周围的电磁辐射。
如图所示,L2、C17、C18组成的LC滤波电路,能减小输出电流、电压纹波的大小,从而减小通过辐射传播的电磁干扰,滤波电容C17、C18尽量采用多个电容并联,减小等效串联,从而减小纹波电压,输出电感L2值尽量大,减小输出纹波电流的大小,另外电感L2最好使用不开气隙的闭环磁芯,最好不是饱和电感。在设计时,我们要记住,导线上有电流、电压的变化,在导线周围就有变化的电磁场,电磁场就会沿空间传播形成电磁辐射。
C19用于滤除导线上的共模干扰,尽量选用低感电容,且接线要短,C20、C21、C22、C23用于滤除输出线上的差模干扰,宜选用低感的三端电容,且接地线要短,接地可靠。
Z3为直流EMI滤波器,根据情况使用或不使用,是采用单级还是多级滤波器,但要求Z3直接安装在金属机箱上,最好滤波器输入、输出线能屏蔽隔离。

输出整流电路电磁兼容设计

7. 、等其它开关器件电磁兼容设计
继电器、接触器、风机等在掉电后,其线圈将产生较大的电压尖峰,从而产生电磁干扰,为此在直流线圈两端反并联一个二极管或RC吸收电路,在交流线圈两端并联一个压敏电阻用于吸收线圈掉电后产生的电压尖峰。同时要注意如果接触器线圈电源与辅助电源的输入电源为同一个电源,之间最好通过一个EMI滤波器。继电器触头动作时也将产生电磁干扰,因此要在触头两端增加RC吸收回路。

8. 开关电源箱体结构的电磁兼容设计
材料选择:没有“磁绝缘”材料,电磁屏蔽是利用“磁”的原理,来切断电磁干扰在设备内部与外界空气中的传播路径。在进行开关电源的箱体结构设计时,要充分考虑对电磁干扰的屏蔽效能,对于屏蔽材料的选择原则是,当干扰电磁场的频率较高时,选用高电导率的金属材料,屏蔽效果较好;当干扰电磁波的频率较低时,要采用高导磁率的金属材料,屏蔽效果较好;在某些场合下,如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时,往往采用高电导率和高导磁率的金属材料组成多层屏蔽体。

孔洞、缝隙、搭接处理方法:
采用电磁屏蔽方法无需重新设计电路,便可达到很好的电磁兼容效果。理想的电磁屏蔽体是一个无缝隙、无孔洞、无透入的导电连续体,低的金属密封体,但是一个完全密封的屏蔽体是没有实用价值的,因为在开关电源设备中,有输入、输出线、散热通风孔等孔洞,以及箱体结构部件之间的搭接缝隙,如果不采取措施将会产生电磁泄漏,使箱体的屏蔽效能降低、甚至完全丧失。因此在开关电源箱体设计时,金属板之间的搭接最好采用,无法焊接时要使用电磁密封垫或其它的屏蔽材料,箱体上的开孔要小于要屏蔽的电磁波的波长的1/2,否则屏蔽效果将大大降低;对于通风孔,在屏蔽要求不高时可以使用穿孔金属板或金属化丝网,在要求既要屏蔽效能高,又要通风效果好时选用截至波导管等方法,提高屏蔽体的屏蔽效能。如果箱体的屏蔽效能仍无法满足要求时,可以在箱体上喷涂屏蔽漆。除了对开关电源整个箱体的屏蔽之外,还可以对电源设备内部的元件、部件等干扰源或敏感设备进行局部屏蔽。
在进行箱体结构设计时,针对设备上所有会受到静电放电试验的部分,设计出一条低阻抗的电流泄放路径,箱体必须有可靠的接地措施,并且要保证接地线的载流能力,同时将敏感电路或元件远离这些泄放回路,或对其采用电场屏蔽措施。对于结构件的,一般主要银、锌、镍、铬、锡,这需要从导、电化学反应、成本及电磁兼容性等多方面考虑后做出选择。

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