開關(guān)電源以其輕、薄、小和高效率等特點廣泛的應(yīng)用于各類電氣設(shè)備上,然而也帶來了噪聲干擾等危害。在開關(guān)電源向更小體積、更高頻率、更大功率密度方向發(fā)展的同時,其dv/dt,di/dt所帶來的EMI噪聲也將會更大。在開關(guān)電源向高功率密度發(fā)展的同時,解決EMI問題的難度也在不斷加大,做好電源內(nèi)部的EMI設(shè)計尤其顯得非常重要。
開關(guān)電源的主要干擾源集中在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器、儲能濾波電感等,其引發(fā)主要有五個典型路徑,如下所示:
1. 高di/dt回路產(chǎn)生差模輻射干擾 。
2. 高dv/dt節(jié)點至地的電容耦合形成共模干擾。
3. 差模電流的傳導(dǎo)耦合干擾。
4. 高頻變壓器及其寄生電容對共模噪聲的耦合干擾 。
5. 整流管反向浪涌電流引起的共模干擾。

1、高di/dt回路產(chǎn)生差模輻射干擾
騷擾的路徑為mos,變壓器原邊繞組到電解的環(huán)形回路。在處理無金屬外殼電源的輻射問題時,此騷擾路徑顯得尤為重要。依據(jù)差模環(huán)天線的預(yù)測公式,在考慮地面反射的情況下;E = 2.6 I A* f *f /D(m V/m),I為騷擾電流,A為環(huán)天線的面積,f為騷擾電流頻率。

由上式可見,減小環(huán)天線輻射的辦法是:降低電路的工作頻率;控制騷擾電流;
減小電路的環(huán)路面積。在實際常用措施中,對開關(guān)管加吸收是較有效的方法,當(dāng)然,能在設(shè)計時盡量減小該路徑下的回路面積才是最可取的。
2、高dv/dt節(jié)點至地的電容耦合形成共模干擾。
高dv/dt節(jié)點至地的電容耦合形成共模干擾是電源最主要的干擾源。該節(jié)點通過寄生電容對地不斷充放電,寄生電容就充當(dāng)了這個共模通路中的驅(qū)動電流源的角色。
開關(guān)管正常工作需要散熱,一般有兩種散熱方式:通過絕緣墊片貼散熱器散熱,或者通過絕緣墊片直接貼保護地散熱。從平時的經(jīng)驗來看,第二種散熱方式的共模噪聲明顯強于第一種,所需的EMI濾波電路的衰減能力也更強。
如果開關(guān)管通過散熱器散熱,可以對散熱器進行接地處理以減小對保護地的共模電流。開關(guān)管通過絕緣墊貼于散熱器上,與散熱器之間形成寄生電容C1。散熱器由于其表面面積大,容易與機殼之間形成寄生電容C2。將散熱器接電路地,如下圖右,為共模電流提供一個回流路徑(橢圓狀回流路徑)分流,流過的回路的共模電流將大大減小。

同理,也可以在電解負(fù)極加上一個Y電容,通過電容的高頻低阻抗的特性,將共模騷擾電流以最短回路引回源端,減輕電源輸入口EMI濾波電路的壓力。
3、差模電流的傳導(dǎo)耦合干擾。
該路徑與1比較類似,只是發(fā)射的方式不同,1是以場的方式輻射,3是通過傳導(dǎo)發(fā)射,影響到電源輸入口。通常是通過EMI濾波電路來解決,當(dāng)然在電解上并聯(lián)一高頻電容,也會將部分騷擾小回路引回源端。
4、高頻變壓器及其寄生電容對共模噪聲的耦合干擾 。
隔離變壓器是電源線抗干擾的一種常用措施,用以解決設(shè)備間的電氣隔離,對于設(shè)備所經(jīng)受的共模干擾也有一定的抑制作用。即便如此,由于繞組與繞組之間的寄生耦合,還是有較強的共模電流從原邊流向副邊。
通過增加原副邊跨接電容的方式,控制共模電流的路徑,減小共模環(huán)路面積(隔離電容提供更小環(huán)路面積的低阻抗通路,將共模電流引回源端),如下圖所示。隔離電容選取時也需要注意安規(guī)耐壓問題。

另外,通過對變壓器的優(yōu)化設(shè)計,會大大減小該路徑上的共模電流,常見的手段有:減小原副邊繞組的寄生電容;注意繞組排布順序,減小高dv/dt接點與其它電路的耦合;條件允許的情況下對原副邊繞組間增加屏蔽層,屏蔽層接原邊地。
通過優(yōu)化繞組排布順序,盡量將高dv/dt和高di/dt節(jié)點遠(yuǎn)離。在左邊的繞組結(jié)構(gòu)圖中,A、B為原邊繞組的兩層,C、D為副邊繞組的兩層,原邊繞組和副邊繞組主要由最靠近的A、D兩層的距離和面積決定。因此如果將A、D連接到變換器中dv/dt小的接點,則由原邊耦合到副邊的共模電流就小一些。

盡管增加變壓器繞組間距離可以減小耦合電容,但由于與減小變壓器漏感存在一定矛盾,因此單獨使用這一方法有時不能達到滿意的效果。長期以來在工頻變壓器中一直應(yīng)用屏蔽繞組來降低噪聲與耦合,在開關(guān)變壓器中這一方法同樣有效。屏蔽層的接地必須接原邊地,以保證從原邊流向副邊的共模電流通過屏蔽層返回源端,如果接副邊地的話,騷擾電流從原邊,經(jīng)過原邊繞組與屏蔽層的分布電容,直接流向副邊繞組,通過副邊與原邊對保護地之間的分布電容,構(gòu)成回路。由于分布電容的不確定性,此共模電流的路徑變得非常復(fù)雜,且回路面積大,使EMI效果變得很差。

5、整流管反向浪涌電流引起的共模干擾。
可以通過增加吸收電路,對整流管的反向尖峰進行抑制;另外,可以采用低反向恢復(fù)電流的碳化硅器件,對于EMI也會有較明顯的改善。
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