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1 引言 通信開(kāi)關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調制(PWM)技術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高，另外還有體積小、重量輕、具有遠程監控等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應用于程控交換、光數據傳輸、無(wú)線(xiàn)基站、有線(xiàn)電視系統及IP網(wǎng)絡(luò )中，是信息技術(shù)設備正常工作的核心動(dòng)力。然而，由于其開(kāi)關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過(guò)程本身就是電磁干擾(EMD)源，他產(chǎn)生的電磁干擾EMI信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導和輻射會(huì )污染電磁環(huán)境，對通信設備和電子產(chǎn)品造成干擾。同時(shí)，通信開(kāi)關(guān)電源要有很強的抗電磁干擾的能力，特別是對雷擊、浪涌、電網(wǎng)電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁波、靜電放電、脈沖串、電壓跌落、射頻電磁場(chǎng)傳導抗擾性、輻射抗擾性、傳導發(fā)射、輻射發(fā)射等項目需要滿(mǎn)足有關(guān)EMC標準的規定。 2 開(kāi)關(guān)電源引起電磁兼容性的原因 通信開(kāi)關(guān)電源因工作在高電壓大電流的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下，其引起電磁兼容性問(wèn)題的原因是相當復雜的。按耦合通路來(lái)分，可分為傳導干擾和輻射干擾兩種；按照干擾信號對于電路作用的形態(tài)不同，可將電源系統內的干擾分為共模干擾和差模干擾兩種。通常，線(xiàn)路電源線(xiàn)上的任何傳導干擾信號，都可表示成共模和差模干擾兩種方式。 在開(kāi)關(guān)電源中，主功率開(kāi)關(guān)管在高電壓、大電流或以高頻開(kāi)關(guān)方式工作下，開(kāi)關(guān)電壓及開(kāi)關(guān)電流的波形在阻性負載時(shí)近似為方波，其中含有豐富的高次諧波分量。由于電壓差可以產(chǎn)生電場(chǎng)、電流的流動(dòng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，以及豐富的諧波電壓電流的高頻部分在設備內部產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而造成設備內部工作的不穩定，使設備的性能降低。同時(shí)，由于電源變壓器的漏電感及分布電容，以及主功率開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)非理想，在高頻開(kāi)或關(guān)時(shí)，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過(guò)開(kāi)關(guān)管與散熱器問(wèn)的分布電容傳人內部電路或通過(guò)散熱器及變壓器向空間輻射。 如圖1所示，電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲對開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生干擾，開(kāi)關(guān)電源在受到電磁干擾的同時(shí)也對電網(wǎng)其他設備以及負載產(chǎn)生電磁干擾，例如返回噪聲、輸出噪聲和輻射干擾等。進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源EMI／EMC設計時(shí)，一方面要防止開(kāi)關(guān)電源對電網(wǎng)和附近的電子設備產(chǎn)生干擾；另一方面要加強開(kāi)關(guān)電源本身對電磁干擾環(huán)境的適應能力。下面用等效電路分別介紹共模和差模干擾產(chǎn)生的原因及路徑。 如圖2所示，當開(kāi)關(guān)管轉為“關(guān)”時(shí)，集電極與發(fā)射極間的電壓快速上升達500 V，他產(chǎn)生的電流經(jīng)集電極與地之間的分布電容返回整流橋，這個(gè)按開(kāi)關(guān)頻率工作的脈沖串電流是共模噪聲。這個(gè)電壓會(huì )引起共模電流Icm2向CP2充電和共模電流Icm1向CP1充電，其中CP1為變壓器初、次級之間的分布電容，CP2為開(kāi)關(guān)電源與散熱器之間的分布電容(即開(kāi)關(guān)管集電極與地之間的分布電容)。則線(xiàn)路中共模電流總大小為Icm1+Icm2。如圖3所示，當開(kāi)關(guān)管轉為“開(kāi)”時(shí)，儲能電容Cs的能量由AC電網(wǎng)和整流橋提供，他被開(kāi)關(guān)管變換器的快速開(kāi)關(guān)頻率所變換，并通過(guò)變壓器形成脈沖電流IL，他具有非常豐富的開(kāi)關(guān)頻率諧波。儲能電容不是一個(gè)純電容，他有串聯(lián)電阻和電感。當整流橋處開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”時(shí)，在A(yíng)C電網(wǎng)端，IL會(huì )產(chǎn)生一個(gè)由電容的L，R，C所呈現的阻抗電壓，這就是開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生差模發(fā)射源的原理。差模電流Idm和信號電流IL沿著(zhù)導線(xiàn)、變壓器初級、開(kāi)關(guān)管組成的回路流通。 3 開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設計 電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)是指在有限的空間、時(shí)間和頻譜范圍內，各種電氣設備共存而不引起性能的下降。形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備，因而，抑制電磁干擾也應該從這3個(gè)方面著(zhù)手。首先應該抑制干擾源，直接消除干擾原因；其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設備的抗擾能力，降低其對噪聲的敏感度。目前抑制開(kāi)關(guān)電源EMI的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道，常用的方法是屏蔽和濾波，他們的確是行之有效的辦法。 3.1 無(wú)源補償濾波技術(shù) 濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。在電源輸入端接上濾波器，即可以抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。開(kāi)關(guān)電源的工作頻率一般在10～130 kHz，對開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號，只要選擇相應的去耦電路或網(wǎng)絡(luò )結構較為簡(jiǎn)單的EMI濾波器，就能達到理想的濾波效果。干擾抑制電路如圖4所示，CX1和CX2叫做差模電容，L1叫做共模電感，CY1和CY2叫做共模電容。電阻R用于消除可能在濾波器中出現的靜電積累。IEC-380安全技術(shù)條件標準的8.8部分指出，若CX>0.1 μF則R=t／2.2C(t=1 s，C=2CX μF)。由這些集中參數元件構成無(wú)源低通網(wǎng)絡(luò )，抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的向電網(wǎng)反饋的傳導干擾，同時(shí)抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對開(kāi)關(guān)電源本身的侵害，為了使通過(guò)濾波電容C流入地的漏電流維持在安全范圍內，CX=0.1～0.2 μF ，CY的值一般適合取在0.1～0.33μF之間，不宜過(guò)大，相應的扼流線(xiàn)圈L應選大些，一般適合取在0.5μH～8 mH之間，這樣既符合安全要求，又能抑制電磁干擾。 共模電感L1是在同一個(gè)磁環(huán)上由繞向相反、匝數相同的兩個(gè)繞組構成。使濾波器接入電路后，兩只線(xiàn)圈內電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內相互抵消，不會(huì )使磁環(huán)達到磁飽和狀態(tài)，從而使兩只線(xiàn)圈的電感值保持不變。通常使用環(huán)形磁芯，漏磁小，效率高。但是繞線(xiàn)困難，如磁環(huán)的材料不可能做到絕對均勻，兩個(gè)線(xiàn)圈的繞制也不可能完全對稱(chēng)等，使得兩個(gè)繞組的電感量是不相等的，于是，形成差模電感。所以，一般電路中不必再設置獨立的差模電感了。共模電感的差值電感與電容CX1及CX2構成了一個(gè)Ⅱ型濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。除了共模電感以外，圖4中的電容CY1及CY2也是用來(lái)濾除共模干擾的。共模濾波的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及CY2起作用。電容CY的選擇要根據實(shí)際情況來(lái)定，由于電容CY接于電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間，承受的電壓比較高，所以，需要有高耐壓、低漏電流特性。 使用LC濾波電路，可根據公式計算電路的諧振頻率，調整電感、電容，使諧振頻率與干擾頻率相近或接近干擾頻率的中心頻率。對頻率很高的電磁干擾，可以使用三端電容或穿心電容進(jìn)行濾波。 3.2 屏蔽技術(shù) 屏蔽是抑制開(kāi)關(guān)電源輻射干擾的有效方法。一般分為兩類(lèi)：一類(lèi)是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響；另一類(lèi)是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場(chǎng)，交變磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響�？梢杂脤щ娦阅芰己玫牟牧蠈﹄妶�(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用磁導率高的材料對磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。實(shí)際應用中，主要是應用于隔離變壓器。變壓器繞組間的交叉耦合電容為共模噪聲流過(guò)整個(gè)系統提供了通路。這一交叉耦合電容可以在變壓器結構中采用法拉第屏蔽(Faraday shield)來(lái)減小。法拉第屏蔽簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用銅箔或鋁箔包繞在原方和副方繞組之間形成一個(gè)靜電屏蔽層隔離區并接地，以減小交叉耦合電容。 圖5為變壓器原邊繞組和副邊繞組。其中N1A，N1B是原邊繞組，分兩次繞；N2A，N2B是副邊繞組；N3，N4分別是輔助繞組；SCREEN為銅箔屏蔽。安規上一般要求散熱器接地，那么開(kāi)關(guān)管漏極與散熱器之間的寄生電容就為共模噪聲提供了通路，可以在漏極和散熱器之間加一銅箔或鋁箔并接地以減小此寄生電容。采用磁屏蔽效果比較好的鐵氧體磁芯如PQ型或者P型來(lái)制作變壓器可以很大程度上減小變壓器漏磁從而減小原副方繞組漏感，有效抑制了EMI的傳播。 4 結 語(yǔ) 隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源不斷向高頻化發(fā)展，其抗干擾問(wèn)題顯得越發(fā)重要。在開(kāi)發(fā)和設計開(kāi)關(guān)電源中，如何有效抑制開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾，同時(shí)提高開(kāi)關(guān)電源本身對電磁干擾的抗干擾能力是一個(gè)重要課題。幾種抗干擾措施既相互獨立又相互聯(lián)系，必須同時(shí)采用多種措施才能達到良好的抗干擾效果。 |
