直流穩(wěn)壓電源的EMI電路怎樣設計？
2017-9-13 11:50:37
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詳細介紹
一、引言
由于直流穩(wěn)壓電源工作在通斷狀態(tài)，會有很多快速瞬變過程，它本身就是一種EMI源，它產生的EMI信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。若把這種直流穩(wěn)壓電源直接用于數(shù)字設備，則設備產生的EMI信號會變得更加強烈和復雜。以下便從直流穩(wěn)壓電源的工作原理出發(fā)，探討其傳導干擾抑制的EMI濾波器的設計以及輻射發(fā)射的抑制。本文主要參考的實例是微機的直流穩(wěn)壓電源，其輸出功率較小，對于大電流大功率的通訊設備直流穩(wěn)壓電源，本文也有一定的參考價值，但具體實施時一定要考慮到通訊設備直流穩(wěn)壓電源大電流大功率的特點，在元件的選擇上要注意其額定電流及高頻特性。
二、直流穩(wěn)壓電源產生EMI信號的特點
數(shù)字設備中的邏輯關系是用脈沖信號來表示。 為便于分析，把這種脈沖信號適當簡化，可以圖1所 示的等腰梯形脈沖串表示。根據(jù)傅里葉級數(shù)展開的方法， 可以下式計算出脈沖串信號所有各諧波的電平：
直流穩(wěn)壓電源具有各式各樣的電路形式，但它們的核心部分都是一個高電壓、大電流的受控脈沖信號源，這一點是共同的，為便于分析，也可把該脈沖信號源的波形簡化為圖1中的等腰梯形脈沖串，并用上式來算出它的各次諧波電平。假定某PWM直流穩(wěn)壓電源脈沖信號的主要參數(shù)為：V0＝500V，T＝2×10－5S，Tw＝10－5S，Tr ＝0.4×10－6S，則其諧波電平如下圖：
從EMI的觀點來分析，圖2中直流穩(wěn)壓電源內脈沖信號產生的諧波電平，對于其它電子設備來說即是EMI信號。在對直流穩(wěn)壓電源較小EMC試驗時，這些諧波電平都會從直流穩(wěn)壓電源線的傳導干擾（頻率范圍為0.15MHz-30MHz）和電場輻射干擾（頻率范圍為30MHz-1000MHz）等測量項目反映出來。
在圖2中基波電平為168dBuV左右，甚至到500MHz都有30dBuV左右。要把直流穩(wěn)壓電源的EMI電平都控制在EMC標準規(guī)定的限值內是有一定難度的。
三. 直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器的電路設計
當直流穩(wěn)壓電源的諧波電平在低頻段（頻率范圍為0.15MHz-30MHz）表現(xiàn)在直流穩(wěn)壓電源線上時，稱之為傳導干擾。要抑制這些傳導干擾是比較容易的，只要使用適當?shù)腅MI濾波電路，就能將其在直流穩(wěn)壓電源線上的EMI信號電平控制在有關EMC標準規(guī)定的限值內。
要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減性能，EMI濾波器端接的阻抗應使濾波器在嚴重失配的狀態(tài)下工作，失配越厲害，實現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說，如果噪音源內阻是低阻抗的，則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應該是高阻抗（如電感量很大的串聯(lián)電感）；如果噪音源內阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應該是低阻抗（如容量很大的并聯(lián)電容）。這個原則也是設計抑制直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器必須遵循的。
幾乎所有設備的傳導干擾都包含共模噪音和差模噪音，直流穩(wěn)壓電源也不例外。共模干擾是由于載流導體與大地之間的電位差產生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導體之間的電位差產生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時存在的。由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會互相轉變，情況十分復雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路，如圖3所示：
設計時首先必須考慮共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率要明顯低于直流穩(wěn)壓電源的工作頻率，一般要低于10KHz，即
在實際使用中，由于設備所產生的雜訊中共模和差模的成分不一樣，所采用的濾波電路也有變化，可適當增加或減少濾波元件。具體電路的調整一般要經過EMI試驗后才能有滿意的結果，安裝濾波電路時一定要保證接地良好，并且輸入端和輸出端要良好隔離，否則起不到濾波的效果。
直流穩(wěn)壓電源所產生的雜訊以共模干擾為主，在設計濾波電路時可嘗試去掉差模電感，再增加一級共模濾波電感，還有一個原則是不要過于追求濾波效果而造成成本過高，只要達到EMC標準的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。
四. 輻射發(fā)射的抑制措施
直流穩(wěn)壓電源是一個很強的低頻干擾源，其干擾來自于直流穩(wěn)壓電源中開關晶體管的逆變翻轉和輸出整流二極管由于反向特性造成的嚴重換向干擾，以及它們的高次諧波分量。其很強的干擾信號通過空間輻射和直流穩(wěn)壓電源線的傳導發(fā)射干擾鄰近的敏感設備。除了功率開關管和高頻整流二極管外，產生輻射干擾的主要器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。
功率開關管波形的快速上升和下降雖然給直流穩(wěn)壓電源帶來了更高的效益，但是也帶來了更強的高頻輻射。要降低其輻射干擾，建議開關波形用電流緩沖電路或電壓緩沖電路來整形（如采用RC低通濾波器來延長上升時間），或者在開關管的集電極上串聯(lián)電感值為20uH~80uH的電感。電感在功率開關管導通時能避免集電極電流突然增大，同時也可以減少整流回路中沖擊電流的影響。
功率開關管的集電極是一個強干擾源，開關管的散熱片應接到開關管的發(fā)射極上，以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產生的電流流回主電路中。為減少散熱片和機殼的分布電容，散熱片應盡量遠離機殼。如有條件的話，可采用有屏蔽措施的開關管散熱片。
整流二極管建議采用復合電荷少且反向恢復時間小的管子，如肖特基管，最好是選用反向恢復呈軟特性的管子。另外在肖特基管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網絡均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾歐姆和數(shù)千皮法，電容引線盡可能短，以減少引線電感分量。實際使用中一般采用具有軟恢復特性的整流二極管，并在二極管兩端并接小電容來消除電路的寄生振蕩。
采用多個整流二極管并聯(lián)來分擔負載電流，以降低短路尖峰電流的影響。因為負載電流越大，續(xù)流結束時流經整流二極管的電流也越大，二極管反向恢復的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。
在高頻脈沖變壓器初、次級加一屏蔽層并接地以抑制干擾的電場耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩，以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內。直流穩(wěn)壓電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結構，建議用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板，屏蔽層必須良好接地。
根據(jù)以上設計的思路，針對某廠家的PC用直流穩(wěn)壓電源輻射發(fā)射過高（超過限值20dB左右），而采用了一些在實驗室容易實現(xiàn)的措施：
●在所有的整流二極管兩端并471電容；
●開關管Q1之G極并50pF到負極，與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器；
●在各輸出濾波電容（電解電容）上并一104電容；
●在整流二極管管腳上套一小磁珠； ·改善屏蔽體的接地。
由于直流穩(wěn)壓電源工作在通斷狀態(tài)，會有很多快速瞬變過程，它本身就是一種EMI源，它產生的EMI信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。若把這種直流穩(wěn)壓電源直接用于數(shù)字設備，則設備產生的EMI信號會變得更加強烈和復雜。以下便從直流穩(wěn)壓電源的工作原理出發(fā)，探討其傳導干擾抑制的EMI濾波器的設計以及輻射發(fā)射的抑制。本文主要參考的實例是微機的直流穩(wěn)壓電源，其輸出功率較小，對于大電流大功率的通訊設備直流穩(wěn)壓電源，本文也有一定的參考價值，但具體實施時一定要考慮到通訊設備直流穩(wěn)壓電源大電流大功率的特點，在元件的選擇上要注意其額定電流及高頻特性。
二、直流穩(wěn)壓電源產生EMI信號的特點
數(shù)字設備中的邏輯關系是用脈沖信號來表示。 為便于分析，把這種脈沖信號適當簡化，可以圖1所 示的等腰梯形脈沖串表示。根據(jù)傅里葉級數(shù)展開的方法， 可以下式計算出脈沖串信號所有各諧波的電平：
直流穩(wěn)壓電源具有各式各樣的電路形式，但它們的核心部分都是一個高電壓、大電流的受控脈沖信號源，這一點是共同的，為便于分析，也可把該脈沖信號源的波形簡化為圖1中的等腰梯形脈沖串，并用上式來算出它的各次諧波電平。假定某PWM直流穩(wěn)壓電源脈沖信號的主要參數(shù)為：V0＝500V，T＝2×10－5S，Tw＝10－5S，Tr ＝0.4×10－6S，則其諧波電平如下圖：
從EMI的觀點來分析，圖2中直流穩(wěn)壓電源內脈沖信號產生的諧波電平，對于其它電子設備來說即是EMI信號。在對直流穩(wěn)壓電源較小EMC試驗時，這些諧波電平都會從直流穩(wěn)壓電源線的傳導干擾（頻率范圍為0.15MHz-30MHz）和電場輻射干擾（頻率范圍為30MHz-1000MHz）等測量項目反映出來。
在圖2中基波電平為168dBuV左右，甚至到500MHz都有30dBuV左右。要把直流穩(wěn)壓電源的EMI電平都控制在EMC標準規(guī)定的限值內是有一定難度的。
三. 直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器的電路設計
當直流穩(wěn)壓電源的諧波電平在低頻段（頻率范圍為0.15MHz-30MHz）表現(xiàn)在直流穩(wěn)壓電源線上時，稱之為傳導干擾。要抑制這些傳導干擾是比較容易的，只要使用適當?shù)腅MI濾波電路，就能將其在直流穩(wěn)壓電源線上的EMI信號電平控制在有關EMC標準規(guī)定的限值內。
要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減性能，EMI濾波器端接的阻抗應使濾波器在嚴重失配的狀態(tài)下工作，失配越厲害，實現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說，如果噪音源內阻是低阻抗的，則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應該是高阻抗（如電感量很大的串聯(lián)電感）；如果噪音源內阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應該是低阻抗（如容量很大的并聯(lián)電容）。這個原則也是設計抑制直流穩(wěn)壓電源EMI濾波器必須遵循的。
幾乎所有設備的傳導干擾都包含共模噪音和差模噪音，直流穩(wěn)壓電源也不例外。共模干擾是由于載流導體與大地之間的電位差產生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導體之間的電位差產生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時存在的。由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會互相轉變，情況十分復雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路，如圖3所示：
設計時首先必須考慮共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率要明顯低于直流穩(wěn)壓電源的工作頻率，一般要低于10KHz，即
在實際使用中，由于設備所產生的雜訊中共模和差模的成分不一樣，所采用的濾波電路也有變化，可適當增加或減少濾波元件。具體電路的調整一般要經過EMI試驗后才能有滿意的結果，安裝濾波電路時一定要保證接地良好，并且輸入端和輸出端要良好隔離，否則起不到濾波的效果。
直流穩(wěn)壓電源所產生的雜訊以共模干擾為主，在設計濾波電路時可嘗試去掉差模電感，再增加一級共模濾波電感，還有一個原則是不要過于追求濾波效果而造成成本過高，只要達到EMC標準的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。
四. 輻射發(fā)射的抑制措施
直流穩(wěn)壓電源是一個很強的低頻干擾源，其干擾來自于直流穩(wěn)壓電源中開關晶體管的逆變翻轉和輸出整流二極管由于反向特性造成的嚴重換向干擾，以及它們的高次諧波分量。其很強的干擾信號通過空間輻射和直流穩(wěn)壓電源線的傳導發(fā)射干擾鄰近的敏感設備。除了功率開關管和高頻整流二極管外，產生輻射干擾的主要器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。
功率開關管波形的快速上升和下降雖然給直流穩(wěn)壓電源帶來了更高的效益，但是也帶來了更強的高頻輻射。要降低其輻射干擾，建議開關波形用電流緩沖電路或電壓緩沖電路來整形（如采用RC低通濾波器來延長上升時間），或者在開關管的集電極上串聯(lián)電感值為20uH~80uH的電感。電感在功率開關管導通時能避免集電極電流突然增大，同時也可以減少整流回路中沖擊電流的影響。
功率開關管的集電極是一個強干擾源，開關管的散熱片應接到開關管的發(fā)射極上，以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產生的電流流回主電路中。為減少散熱片和機殼的分布電容，散熱片應盡量遠離機殼。如有條件的話，可采用有屏蔽措施的開關管散熱片。
整流二極管建議采用復合電荷少且反向恢復時間小的管子，如肖特基管，最好是選用反向恢復呈軟特性的管子。另外在肖特基管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網絡均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾歐姆和數(shù)千皮法，電容引線盡可能短，以減少引線電感分量。實際使用中一般采用具有軟恢復特性的整流二極管，并在二極管兩端并接小電容來消除電路的寄生振蕩。
采用多個整流二極管并聯(lián)來分擔負載電流，以降低短路尖峰電流的影響。因為負載電流越大，續(xù)流結束時流經整流二極管的電流也越大，二極管反向恢復的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。
在高頻脈沖變壓器初、次級加一屏蔽層并接地以抑制干擾的電場耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩，以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內。直流穩(wěn)壓電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結構，建議用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板，屏蔽層必須良好接地。
根據(jù)以上設計的思路，針對某廠家的PC用直流穩(wěn)壓電源輻射發(fā)射過高（超過限值20dB左右），而采用了一些在實驗室容易實現(xiàn)的措施：
●在所有的整流二極管兩端并471電容；
●開關管Q1之G極并50pF到負極，與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器；
●在各輸出濾波電容（電解電容）上并一104電容；
●在整流二極管管腳上套一小磁珠； ·改善屏蔽體的接地。
