《高频开关电源设计中的电磁兼容性问题研究.》.pdf

高频开关电源设计中的电磁兼容性问题研究 摘要：说明了开关电源的组成及工作原理；从开关电源的各组成部分出发,分析了电磁骚扰 产生的机理，提出了应采取的相应抑制措施；讨论了电磁兼容设计中需要加以注意的问题。 关键词：开关电源；电磁干扰；抑制措施；电磁兼容 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 许多优点，己被广泛应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域。但开 关电源的突出缺点是能产生较强的电磁干扰（EMI）。EMI 信号既具有很宽的频率范围，又有 一定的幅度，经传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。如果处理 不当，开关电源本身就会变成一个骚扰源。目前，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EMC 标准，已成为电子产品设计者 越来越关注的问题。本文就高频开关电源设计中的电磁兼容性问题进行了探讨。 1 开关电源的组成及工作原理 1.1 组成 开关电源的组成框图如图1 所示，它由以下几个部分组成： 1）主电路 包括输入滤波器、整流与滤波、逆变、输出整流与滤波； 2）控制与保护电路； 3）检测与显示电路 除了提供保护电路所需的各种参数外，还提供各种显示数据； 4）辅助电源。 1.2 开关稳压电源原理 开关稳压电源电路如图2 所示。图2 中的开关K 以一定的时间间隔重复地接通和断开， 在K 接通时，输入电源Vin 通过K 和滤波电路供电给负载RL，当K 断开时，输入电源Vin 便 中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量 提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关 断开时，向负载释放。图2 中，由储能电感L、滤波电容C2 和续流二极管D 组成的电路，就 具有这种功能。在AB 间的电压平均值VAB 可用式（1）表示。 VAB=Vinton/T=DVin （1） 式中：ton 为K 导通时间； T 为K 工作周期； D 为占空比，D=ton/T。 由式（1）可知，改变D，即可改变VAB。因此，随着负载及输入电源电压的变化调整D 便能使输出电压Vo 维持不变。这种控制方法称为时间比率控制（Time Ratio Control,缩写 为TRC）。按TRC 原理，它有3 种方式： 1）脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，缩写为PWM） 其开关周期恒定，通过改 变脉冲宽度来改变占空比的方式； 2）脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM） 导通脉冲宽度恒定， 通过改变开关工作频率来改变占空比的方式； 3）混合调制 导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上 二种方式的结合。 2 开关电源产生电磁干扰的机理 开关电源之所以是一个很强的电磁骚扰源，来源于高频通断的开关器件和输出整流二极 管，以及脉冲变压器及滤波电感等。 2.1 开关管与整流管 开关管、整流管高频通断时所产生的dv/dt、di/dt 是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且 谐波丰富，是一个很强的骚扰源。 2.2 高频变压器 开关管负载为高频变压器初级线圈，在开关管导通瞬间，初级线圈产生很大的涌流，并 出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没 有传输到次级线圈，而是通过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，产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这个噪 声会传导到输入、输出端，形成传导骚扰，重者有可能击穿开关管。 另外，高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较 大的空间辐射，形成辐射骚扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗 会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。需要注意的是，二极管整流电路 产生的电磁骚扰中，整流二极管反向恢复电流的|di/dt|远比续流二极管反向恢复电流的 |di/dt|大得多。作为电磁骚扰源来研究，整流二极管反向恢复电流形成的骚扰强度大，频带 宽。但是，整流二极管产生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因 此，不计整流二极管产生的|dv/dt|和|di/dt|的影响，而把整流电