开关电源的电磁干扰及其滤波措施.doc

开关电源的电磁干扰及其滤波措施1引言开关电源与线性稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点，广泛用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰(EMI)。EMI信号既占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，对通信设备和电子仪器造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。随着电子产品的电磁兼容性(EMC)日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合有关EMC标准或规范，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。2开关电源产生EMI的原理开关电源产生EMI的因素较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要因素。它们所以产生于电源装置的内部，是由于开关电源中的二级管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流，通过高频变压器、储能电感线圈和导线以及系统结构、元件布局等而造成的。基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。这是因为正弦波通过整流器后不再是单一频率的电流，而是变成单向脉动电源，此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。实验结果表明，较高的谐波(特别是高次谐波)会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰，使接收机等产生噪声。变压器型功率转换电路是实现变压、变频以及完成输出电压调整的部件，是开关稳压电源的核心，主要由开关管和高频变压器组成。它产生的尖峰电压是一种有较大辐度的窄脉冲，其频带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是：(1) 开关功率晶体管感性负载是高频变压器或储能电感。在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的电流，它在开关管过激励较大时，将造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，轻者造成干扰，重者有可能击穿开关管。(2) 由高频变压器产生的干扰。当原来饱和的开关管关断时， 变压器的漏感所产生的反电势eL=Ldi/dt会使开关管的集-射极之间出现电压上冲。这是因为开关管从Ton转换到Toff时，由于变压器的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在漏感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，与集电极的电流变化率(di/dt)成正比，与漏感量成正比。这种电源电压中断会产生与变压器初级接通时一样的磁化冲击电流瞬变，它是一种传导性电磁干扰，既影响变压器的初级，还会使干扰传导返回配电系统，造成电网谐波电磁干扰，影响其它用电设备的安全和经济运行。(3) 由输出整流二级管产生的干扰。在输出整流二级管截止时，有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管称为硬恢复特性二级管，这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下，将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。对上述开关电源产生的EMI所采取的抑制措施，主要有正确选择半导体元器体、变压器铁芯材料和在开关电源的电路中采取屏蔽、接地、滤波等几种方法。本文仅介绍滤波措施。3抑制开关电源EMI的滤波措施滤波技术是抑制干扰的一种有效措施，尤其是在对付开关电源EMI信号的传导干扰和某些辐射干扰方面，具有明显的效果。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模干扰信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地(机壳)之间传输，属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小，共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下。 除抑制干扰源以外，最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装EMI滤波器。开关电源的工作频率约为10100 kHz。EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10 kHz算起。对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选择相应的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就不难满足符合EMC标准的滤波效果。3.1EMI滤波器的结构及工作原理图1为开关电源EMI滤波器的基本网络结构。图 1开关电源EMI滤波器网络结构该滤波器是由集中参数元件构成的无源低通网络，其中L1和L2是绕在同一磁环上的2只独立线圈，称为共模电感线圈或共模线圈LCM，L3、L4是独立的差模抑制电感。如果把该滤波器一端接入干扰源，负载端接被干扰设备，那么L1和CY，L2和CY就分别构成L-E和N-E两对独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源线上存在的共模EMI信号，使之受到衰减，被控制到很低的电平上。共模滤波网络结构等效电路如图2所示，它由LCM和CY组成。图中右边是开关电源的共模噪声等效电路，并联电容CP包括开关管集电极和地之间的分布电容，高频变压器和次级间的分布电容； RP是电流源的并联电阻。开关电源共模噪声等效电路的源内阻ZSMPS是高阻抗容性的。图 2共模滤波网络结构图1中，L1，L2两个线圈所绕匝数相同、绕向相反，使滤波器接入电路后，两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消，不会使磁环达到磁饱和状态，从而使用两只线圈的电感值保持不变。但是，由于种种原因，如磁环的材料不可能做到绝对均匀，两个线圈的绕制也不可能完全对称等，使得L1和L2的电感量是不相等的，于是，(L1L2)形成差模电感LDM，它和L3与L4形成的独立差模抑制电感与Cx电容器又组成L-N独立端口间的一只低通滤波器，用来抑制电源线上存在的差模EMI信号。 差模干扰信号等效电路如图3所示。它由高阻抗干扰等效电路和低阻抗干扰等效电路两部分组成。图中，开关S表示桥式整流二极管导通与否，因此高低两个等效电路是不能同时存在的；RS是分布电组，LS是分布电感，数值都很小。为与共模情况区别，RP和CP用RP和CP表示。图 3开关电源EMI差模信号等效电路差模EMI信号滤波网络结构等效电路如图4所示。LDM是差模电感，包含共模线圈形成的差模电感和独立的差模抑制电感；CLL是滤波网络选用的并联电容。图4(b)与图4(a)相比，增加了一个CLL2，其数值的选择使滤波网络与负载构成失配状态。图 4差模滤波网络结构由于图1电路是无源网络，它具有互易性。当它安装在系统中后，既能有效地抑制电子设备外部的EMI信号传入设备，又能大大衰减设备本身工作时产生的EMI信号传向电网，起到同时衰减两组共模EMI信号和一组差模EMI信号的作用。3.2EMI滤波器选用与安装开关电源EMI滤波器中的4只电容器用了2种不同的下标“X”和“Y”，不仅说明了它们在滤波网络中的作用，还表明了它们在滤波网络中的安全等级。无论是选用还是设计EMI滤波器，都要认真地考虑CX和CY的安全等级。在实际应用中，CX电容接在单相电源线的L和N之间，它上面除加有电源额定电压外，还会迭加L和N之间存在的EMI信号峰值电压，因此要根据EMI滤波器的应用场合和可能存在的EMI信号峰值，正确选用适合安全等级的CX电容器。CY电容器是接在电源供电线L、N与金属外壳(E)之间，对于220 V，50 Hz电源，它除符合250 V峰值电压的耐压要求外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面具有足够的安全余量，以避免可能出现的击穿短路现象。EMI滤波器是具有互易性的，即把负载接在电源端还是负载端均可。在实际应用中，为达到有效抑制EMI信号的目的，必须根据滤波器两端将要连接的EMI信号源阻抗和负载阻抗来选择该滤波器的网络结构和参数。当EMI滤波器两端阻抗都处于失配状态时，图5中ZSZin、ZLZout时，EMI信号会在其输入和输出端产生反射，增加对EMI信号的衰减。其信号的衰减A与反射的关系为：A=10 lg(12)图 5滤波器工作原理电磁兼容设计的目的是在网络结构符合最大失配的原则下，尽可能合理选择元器件参数，使EMI信号衰减最大。在使用开关电源滤波器时，要注意滤波器在额定电流下的电源频率。在安装滤波器时，要特别注意滤波器的输入导线与输出导线的间隔距离，不能把它们捆在一起走线，否则EMI信号很容易从输入线上耦合到输出线上，会大大降低滤波器的抑制效果。引言 功率开关器件的高额开关动作是导致开关电源产生电磁干扰(EMI)的主要原因。开关频率的提高一方面减小了电源的体积和重量，另一方面也导致了更为严重的EMI问题。如何减小产品的EMI，使其顺利通过FCC或IEC1000等EMC标准论证测试，已成为目前急须解决的问题。图11 EMI分析 具体电路如图1所示。 输入为交流220V，经功率二极管整流桥变为直流作为反激变换器的输入，输出为三组直流：5V，15V，12V，另外有一辅助电源5V，用来给光耦PC817供电。控制电路用反馈控制，选用TOPSwicth系列的TOP223Y芯片。 开关电源工作时，其内部的电压和电流波形都是在非常短的时间内上升和下降的，因此，开关电源本身是一个噪声发生源。开关电源的干扰按噪声源种类分为尖峰干扰和谐波干扰两种。使电源产生的干扰不至于对电子系统和电网造成危害的根本办法是削弱噪声发生源，或者切断电源噪声和电子系统、电网之间的耦合途径。 本电路中，交流输入电压Ui经功率二极管整流桥变为正弦脉动电压，经电容C12平滑后变为直流，但电容电流的波形不是正弦波而是脉冲波。如图2所示。 由图2中电流波形可知，电流中含有高次谐波。大量电流谐波分量流入电网，造成对电网的谐波污染。另外，由于电流是脉冲波，使电源输入功率因数降低。 2.1 高次谐波的抑制 在电路中采用共模扼流圈L11来抑制高次谐波。 对开关电源二根进线而言，存在共模干扰和差模干扰，如图3（a）及图3（b）所示。 在差模干扰信号作用下，干扰源产生的电流i，在磁芯中产生方向相反的磁通，磁芯中等于没有磁通，线圈电感几乎为零。因此不能抑制差模干扰信号。 在共模干扰信号作用下，两线圈产生的磁通方向相同，有相互加强的作用，每一线圈电感值为单独存在时的两倍。因此，这种接法的电磁线圈对共模干扰有很强的抑制作用。 电路中在电网与整流桥之间插入一共模扼流圈，该扼流圈对电网频率的差模网侧电流呈现极低的阻抗，因而对电网的压降极低；而对电源产生的高频共模噪声，等效阻抗较高，因而可以得到希望的插入损耗。 2.2 扼流圈L11与C11组成低通滤波器 扼流圈L11的等效电感为L，以电源端作为输入，电网方向作为输出，则电路图如图4所示。 其传递函数幅值为 如图5所示。由此可见，以上LC网络组成的低通滤波器，可滤除0=1/LC11以上的高次谐波。 2.3 共模和差模滤波器方案 本电路主要的EMI问题是电源噪声传入电网，将原来的共模扼流圈L11与电容C11及C12组成的滤波电路变为如图6所示电路。L1，L2，C1可除去差模干扰，L3，C2，C3可除去共模干扰。L1，L2为不易磁饱和的材料；C1可选陶瓷电容；L3为共模扼流圈；选定C=C2=C3及截止频率fo，则可根据L3=1/(2fo)2C计算L3；选定C1及截止频率fo，可根据L1=L2=1/2(2fo)2C1计算L1及L2。 2.4 缓冲电路由于开关的快速通断，开关电流、电压波形为脉冲形式，产生噪声污染，增大了电源输出纹波，影响了电源的性能。 在电路中，输入为交流220V，经整流后电容上的电压约为交流有效值的1.21.4倍，即最大时为Ucm=2201.4=308V。另外，变压器副边折合到原边的电压Up=Un88/9，Un取副边第一绕组的电压，一般为9V左右，使稳压输出为5V。则Up=88V。因此，开关关断时所要承受的总电压Ut=UcmUp=30888=396V。可见有必要对开关进行过压保护。电路选用的TOPSwitch开关芯片，其内部有过压保护和缓冲电路。为保险起见，还增加了外部的缓冲电路，由R和C组成未加入缓冲电路和加入缓冲电路之后开关管电压ut和管电流ic及关断功耗pt的波形如图7(a)及图7（b）所示。加RC缓冲电路后，开关电压上升速率变慢，噪声减弱，抑制了EMI，并且开关功耗变小，使管子不致因过流过热而损坏。缓冲电路中的R在开关开通，电容C放电时起限流作用，避免对开关管的冲击。 对于开关开通时的电流冲击，由于有变压器原边线圈Np的限流，在电路中没加限流电感。 2.5 光电隔离 Flyback电路中使用PC817光耦对主电路和控制电路进行隔离。电源电路中，开关的控制非常重要，精度、稳定性要求高，且控制电路对噪声敏感，一旦有噪声，控制电路中的控制信号就会紊乱，严重影响电源的工作和性能。因此，用PC817将电源中的两部分进行隔离，这样便防止了噪声通过传导的途径传入到控制电路中。 3 结语 通过EMI分析及采用相应的抑制方法，设计的开关电源具有抗电磁干扰性强，电源稳定性高的特点。在缝纫机伺服控制系统中，满足了对三菱模块（IPM）的驱动控制，使电机运行安全可靠、稳定。电子设备的PCB板电路中会大量使用感性元件和EMI滤波器元件。这些元件包括片式电感和片式磁珠，以下就这两种器件的特点进行描述并分析他们的普通应用场合以及特殊应用场合。 表面贴装元件的好处在于小的封装尺寸和能够满足实际空间的要求。除了阻抗值，载流能力以及其他类似物理特性不同外，通孔接插件和表面贴装器件的其他性能特点基本相同。 片式电感 在需要使用片式电感的场合，要求电感实现以下两个基本功能：电路谐振和扼流电抗。谐振电路包括谐振发生电路，振荡电路，时钟电路，脉冲电路，波形发生电路等等。谐振电路还包括高Q带通滤波器电路。 要使电路产生谐振，必须有电容和电感同时存在于电路中。在电感的两端存在寄生电容，这是由于器件两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质而产生的。在谐振电路中，电感必须具有高Q，窄的电感偏差，稳定的温度系数，才能达到谐振电路窄带，低的频率温度漂移的要求。 高Q电路具有尖锐的谐振峰值。窄的电感偏置保证谐振频率偏差尽量小。稳定的温度系数保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。 标准的径向引出电感和轴向引出电感以及片式电感的差异仅仅在于封装不一样。电感结构包括介质材料（通常为氧化铝陶瓷材料）上绕制线圈，或者空心线圈以及铁磁性材料上绕制线圈。 在功率应用场合，作为扼流圈使用时，电感的主要参数是直流电阻（DCR）,额定电流，和低Q值。当作为滤波器使用时，希望宽带宽特性，因此，并不需要电感的高Q特性。低的DCR可以保证最小的电压降，DCR定义为元件在没有交流信号下的直流电阻。 片式磁珠 片式磁珠的功能主要是消除存在于传输线结构（PCB电路）中的RF噪声,RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信号,而射频RF能量却是无用的电磁干扰沿着线路传输和辐射（EMI）。要消除这些不需要的信号能量，使用片式磁珠扮演高频电阻的角色（衰减器），该器件允许直流信号通过，而滤除交流信号。通常高频信号为30MHz以上，然而，低频信号也会受到片式磁珠的影响。片式磁珠由软磁铁氧体材料组成，构成高体积电阻率的独石结构。涡流损耗同铁氧体材料的电阻率成反比。涡流损耗随信号频率的平方成正比。 使用片式磁珠的好处： 小型化和轻量化 在射频噪声频率范围内具有高阻抗，消除传输线中的电磁干扰。 闭合磁路结构，更好地消除信号的串绕。 极好的磁屏蔽结构。 降低直流电阻，以免对有用信号产生过大的衰减。 显著的高频特性和阻抗特性（更好的消除RF能量）。 在高频放大电路中消除寄生振荡。 有效的工作在几个MHz到几百MHz的频率范围内。 要正确的选择磁珠，必须注意以下几点： 不需要的信号的频率范围为多少。 噪声源是谁。 需要多大的噪声衰减。 环境条件是什么（温度，直流电压，结构强度）。 电路和负载阻抗是多少。 是否有空间在PCB板上放置磁珠。 前三条通过观察厂家提供的阻抗频率曲线就可以判断。在阻抗曲线中三条曲线都非常重要，即电阻，感抗和总阻抗。总阻抗通过ZR22fL()2+:=fL来描述。典型的阻抗曲线如下图所示：通过这一曲线，选择在希望衰减噪声的频率范围内具有最大阻抗而在低频和直流下信号衰减尽量小的磁珠型号。 片式磁珠在过大的直流电压下，阻抗特性会受到影响，另外，如果工作温升过高，或者外部磁场过大，磁珠的阻抗都会受到不利的影响。 使用片式磁珠和片式电感的原因： 是使用片式磁珠还是片式电感主要还在于应用。在谐振电路中需要使用片式电感。而需要消除不需要的EMI噪声时，使用片式磁珠是最佳的选择。 片式磁珠和片式电感的应用场合： 片式电感： 射频（RF）和无线通讯，信息技术设备，雷达检波器，汽车电子，蜂窝电话，寻呼机，音频设备，PDAs（个人数字助理），无线遥控系统以及低压供电模块等。 片式磁珠： 时钟发生电路，模拟电路和数字电路之间的滤波，I/O输入/输出内部连接器（比如串口，并口，键盘，鼠标，长途电信，本地局域网），射频（RF）电路和易受干扰的逻辑设备之间，供电电路中滤除高频传导干扰，计算机，打印机，录像机（VCRS）,电视系统和手提电话中的EMI噪声抑止。