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电子电气设备的“心脏”,全面剖析通信开关电源EMC

如今,手机、电话、电脑等通信工具已深入人们的生活,而通信电源在通信设备中具有不可比拟的重要地位。通信设备的不断更新,使得对于通信开关电源的要求也越来越高。通信开关电源具有体积小、重量轻、效率高、可靠性高等优点,广泛应用于光数据传输、程控交换、无线基站、有线电视系统及IP网络中,是电子电气设备正常运作的“心脏”。

一.国内外电磁兼容性标准

电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。国内外已有大量的电磁兼容性标准,为系统内的设备相互达到电磁兼容性制订了约束条件。其中CISPR16、CISPR22及CISPR24构成了信息技术设备包通信开关电源设备的电磁兼容性测试内容及测试方法要求,是目前通信开关电源电磁兼容性设计的最基本要求。

二.通信开关电源的干扰

通信开关电源要稳定工作就要有很强的抗电磁干扰能力,对于电场,磁场及电磁波等要有足够的抗干扰能力,保证自身能够正常工作以及通信设备供电的稳定且不间断,同时也要不受通信系统本身因通信时电磁波带来的干扰。一般来讲,开关电源受到的干扰源有电压电流快速变化造成的干扰,传导干扰和辐射干扰。开关电源的干扰来源有:开关电源的大功率开关管工作在高压大电流的切换状态,由导通切换为关断状态时形成浪涌电压,或由关断切换为导通状态时形成的浪涌电流,它们的高次谐波成分会通过空间向外发射或通过电源线的传导构成干扰源。由关断切换为导通状态时,开关变压器副方的整流二极管受反方向恢复特性的限制,产生尖峰状的反向电流,它与二极管结电容以及引线电感等形成阻尼正弦振荡,也含有大量的谐波成分,构成干扰。通信开关电源电磁干扰特点:1.整流或续流二极管及主功率变压器在高压、大电流及高频开关的方式下工作,其电流电压快速变化会造成干扰,从而造成开关电源内部工作的不稳定,使电源的性能降低。2.收发天线的极化,方向特性EMC辐射。通信开关电源受到:9 kHz~30 MHz的射频磁场干扰;30~1 000 MHz的射频电场干扰。3.部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙,向周围空间辐射,与通过电源线、直流输出线产生的辐射电磁场,一起通过空间传播的方式,对其他高频设备及对电磁场比较敏感的设备造成干扰,引起其他设备工作异常。因此,对通信开关电源,要限制由负载线、电源线产生的传导干扰圾空间传播时产生的辐射电磁场干扰量,使它们能与处于同一环境中的其他电信设备均能够正常工作,互不产生干扰。

三.开关电源的电磁兼容性问题分析

通信开关电源因工作在高电压大电流的开关工作状态下,其引起电磁兼容性问题的原因是相当复杂的。有通信系统的高频信号对开关电源的电磁干扰;同 时,开关电源由于本身的电路设计,PCB布线,元器件的性能等也会对通信,或其他电子、电气设备产生干扰。其中,按耦合通路来分,可分为传导干扰和辐射干 扰两种;按照干扰信号对于电路作用的形态不同,可将电源系统内的干扰分为共模干扰和差模干扰两种。通常,线路电源线上的任何传导干扰信号,都可表示成共模 和差模干扰两种方式。在开关电源中,主功率开关管在高电压、大电流或以高频开关方式工作下,开关电压及开关电流的波形在阻性负载时近似为方波,波信号含有丰富的高次 谐波,该高次谐波的频谱可达方波频率的1 000次以上。由于电压差可以产生电场、电流的流动可以产生磁场,以及丰富的谐波电压电流的高频部分在设备内部产生电磁场,从而造成设备内部工作的不稳 定,使设备的性能降低。同时,由于电源变压器的漏电感及分布电容,以及主功率开关器件的工作状态并不是理想的,在高频开或关时,常产生高频高压的尖峰谐波 振荡,该谐波振荡产生的高次谐波,通过开关管与散热器问的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。通信开关电源采用了有源功率因数校正,虽然控制复杂,但效果与负载无关,提高了功率因数,使性能更佳。同时,开关电源采用软开关技术来降低电路 开关功耗,减少噪声,提高电路的效率及可靠性。但是,软开关无损吸收电路多利用L,C进行能量转移,利用二极管的单向导电性能实现能量的单向转换,因而, 该谐振电路中的二极管成为电磁干扰的一大干扰源。通信开关电源中,一般利用储能电感及电容器组成L,C滤波电路,实现对差模及共模干扰信号的滤波,以及交流方波信号转换为平滑的直流信号。由于 电感线圈的分布电容,导致了电感线圈的自谐振频率降低,从而使大量的高频干扰信号穿过电感线圈,沿交流电源线或直流输出线向外传播。滤波电容器,随着干扰 信号频率的上升,由于引线电感的作用,导致电容量及滤波效果不断下降,直至达到谐振频率以上时,完全失去电容器的作用而变为感性。不正确地使用滤波电容及 引线过长,也是产生电磁干扰的一个原因。

四.电磁兼容性解决方法

1.解决开关电源内部的电磁兼容性减小通信开关电源本身设计时的内部干扰:抑制高频开关变压器的噪声,吸收缓冲,降低漏感;在电路设计时PCB的合理布线,尽量不走环线;干扰比 较重的放在一起,低频,低压干扰小的远离;尽可能减小回路包容的面积;正负导线尽可能接近;增强输入/输出滤波电路的设计,改善APFC电路的性能,消除 或者减小二极管的电流快速变化。其中常用的电路是零电压开关ZVS、零电流开关ZCS和准谐振ZVS/ZCS电路。该技术极大地降低了开关器件所产生的电 磁干扰。利用组合软开关技术结合的无损耗吸收技术与谐振式零电压技术、零电流技术的优点,解决在电路中因并联或串联谐振网络,产生的谐振损耗。对功率开关 管波形整形;模拟与数字,高压与低压等的隔离。2.消除电磁干扰,提高开关电源的工作性能消除通信开关电源的传导干扰和辐射干扰传导干扰主要是由于信号经电网传播,会对其他电子设备产生严重干扰,往往引起更严重的问题。常用的抑制方 法有:缓冲器法,减少耦合路径法,减少寄生元件法等。而传导干扰的极限值,可参考国标中的电磁兼容规范GB9254-1988, (386833.9-87,GB6833.4-1987,GB6833-1987。在辐射研究中天线是电磁辐射源,在开关电源电路中,主电路中的元器件、连线等都可认为是天线,同时手机电话等的MCU与LCD的数据线、地址线 工作频率高,也是产生辐射干扰的主要干扰源。可以通过增加提高抗干扰能力的器件提高易受外界干扰的小信号电路的抗干扰能力;并综合考虑各种接地措施,提高 整体的电磁兼容性。开关电源在输入电路中容易受到共模/差模干扰,此时,可以利用EMI滤波电路抑制此干扰。EMI滤波电路如图1(a)所示。其中,L1,L2为 共模抑制电感,与C1~C7组成线路低通滤波器:C1,C4,C5用于抑制差模噪声,这里选用0.33μF的聚丙烯薄膜电容器;C2,C3和C6,C7用 于抑制共模噪声,因为它们安装在机壳和端子间,会有漏电电流流向机壳,为防止触电,这里选用漏电流小,不易击穿和损坏的云母电容器,容量为3.300 pF和0.1μF;C1~C7耐压值均选为交流250 V。开关电源对内、外的干扰及抗干扰中,共模信号与开关器件的工作方式、散热器的安装及整机PCB板与机壳的连接有相当复杂的关系,共模信号在一定 的条件下又可转变成差模信号。其中解决共模干扰除了上述一般的EMI滤波电路,还可按如下电路图的思想在电路上改进,使开关电源能够在电路上改进从而提高 性能。图1(b)为共模/差模干扰滤波器典型电路,图1(c)为在图1(b)基础上变异的共模/差模干扰滤波电路。3.隔离电源与其他设备间的相互干扰,增强通信开关电源的抗干扰能力。在通信端口及控制端口的小信号电路中,选用具有抗静电干扰的器件。而单位脉冲干扰的频谱最宽,容易以共模的方式传入控制电路内,可采用吸收式滤波器消除,减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波来提高系统的抗扰性能。隔离,屏蔽其他干扰信号的干扰,以及自身对于其他设备的干扰。切断干扰信号的传播途径:电磁屏蔽,用金属外壳加强屏蔽效果,并进行良好的接地处理(注意大地与系统地不可接在一起),各控制单元间的大面积接地用接地板屏蔽,同时也可以改善开关电源内部工作的稳定性。

EMI滤波电路

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