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小功率开关电源传导干扰的分析

国际电磁认证和国家3C 认证中, 电源设备的传导干扰是一个必要的指令程序。特别是对小功率电源适配器的测试, 由于功率小, 辐射干扰信号强度较弱, 不超过标准限值, 因此,测试结果几乎取决于传导干扰幅值。

目前, 根据电路结构,小功率开关电源的基本原理分为串并联式和直流变换式, 如图1所示。

整流滤波后,市电变成直流电压, 送到开关逆变电路。逆变电路将直流变成几百赫兹到几千赫兹的高频矩形波, 高频矩形波通过高频变压器耦合到二次线圈获得小电压交流电, 二次整流滤波后输出交流电驱动负载。同时, 通过误差放大电路采样获得的输出电压值回馈脉冲控制电路。脉冲控制电路将反馈电压值与基准电压值进行比较,得出脉冲占空比的相应变化。在开关动作过程中会产生强噪声, 它们通过电源线通过共模或差模向外传输。此外, 开关电源也是敏感设备, 因此,当电网侵入的外部噪声传递到内部电子电路时,也会产生干扰。因此,在设计开关电源之初,应考虑电磁干扰。

传导干扰信号主要分为差模信号和共模信号。

差模传导干扰信号是由开关电源与交流输入之间的环流引起的。这意味着差模电流通过电源进线流入开关电源, 通过中线流出开关电源进入电网。 大多数差模传导干扰是由功率晶体管集电极电流波形的基波和谐波引起的。

共模传导干扰信号是由共模电流引起的。共模电流, 也就是说,相位相同、幅度相等的电流同时在相线和中线流动, 其并不在交流电源中流通, 电源输入之间没有环流。共模传导通常从开关芯片或功率管的外壳开始, 与地寄生电容耦合后, 然后返回高频导纳和输入电源线。

本研究首先分析了影响电源传导干扰的主要电路, 对整流电路设计、高频变压器选择、钳位二极管选择、线路板布局等问题提出改进措施。

在开关电源中, 工频交流电流通过整流桥后, 不再是单频点的交流电流, 单向脉动直流电流,其波形如图2所示, 可以用傅里叶变换:

式中Im ——峰值电流。

从上面可以看出, I 除流量外, 还包括一系列高频谐波的交流量(如图2所示 所示波形)。这不仅影响电源线上的电流, 并使电流发生, 还会产生射频干扰。

如图3所示,缺少一次整流滤波电路的路的测试结果如图3所示, 超标频率点不是单一的,而是覆盖了整个频段。为了过滤干扰, 尽量减少电流畸变, 整流后需要增加一级滤波电路。

其中以LC—Ⅱ 小功率电源中最常用的型滤波电路。

滤波电路可抑制干扰信号的共模成分, 还能抑制干扰信号的差模成分。

小功率开关电源的关键部件是高频变压器。在完成电平变换和电气隔离的同时, 由于自身的电感结构, 会带来大量的高次谐波。其漏感也是尖峰干扰的重要原因。脉冲宽度调制开关电源的工作频率一般为20 kHz~ 400 kHz。这样,激励源就可以被视为周期性信号, 又由于磁芯的非线性特性及磁芯饱和, 磁场和电流中会出现谐波。这些谐波会极大地增强电磁干扰。抑制其电磁干扰( EM I)干扰的主要措施有:① 可选择形状较长的变压器磁芯, 尽量减少所有绕组的线包层数, 减少变压器泄漏和绕组本身的分布电容;②将变压器的初级绕组绕在最里层, 为了获得每个匝线的最短长度, 减少初级绕组的分布电容;③ 电源管漏级连接初级绕组起始部分, 降低开关电源高频变压器的电磁噪声发射。

在设计小功率开关电源产品时, 高频变压器原边绕组一般需要在并联钳位电路中串联一根快速恢复的二极管,以确保原边绕组的充放电。同时, 该二极管还抑制三极管或功率开关管开关过程中的电压尖峰, 因此,它抑制了电压尖峰导致电流急剧变化的射频干扰。单向极性管或双向极性管主要根据可能的临态过电压极性选择钳位二极管。同时, 管道的最大钳位电压应低于受保护功率管的耐受性, 管道的功率通常由抑制临态过电压时可能吸收的最大功率决定。

在小功率开关电源中, 由于结构不同, 电路板的形状也不同;同时体积小, 在选择设备时,对参数的要求高。因此,根据电路原理中的电流流向,尽可能地安排整体布局要求, 并尽可能保持类似元件的方向一致。这种布局不仅有利于电流或信号的流通, 在生产过程中也便于检查、调试和维护。而针对变压器体积小, 引脚和引脚之间的间隙不大, 初级与次级之间的距离较小, 在线路板空间允许的情况下, 挖空主次线路板。这将比直接电路板连接增加爬电距离2~ 3倍。

在小功率开关电源中, 电压和电流变化特别剧烈,电力管的导通和截止日期, 产生严重干扰信号。但是品一般不增加屏蔽装置, 有些产品的功率管甚至不加散热片, 其产生的热量直接通过电路板分布, 干扰信号显著增加, 因此,应合理处理地线电路的设计。通过分析电流流向,选择合理的地线回路, 依据有:①地线中的电流是否通过与此电流无关的其他电路或导线;②电路中是否有其他设备或电流流入电路地线。同时,由于电源功率小, 一般以单点接地为主要设计思路。

一镍氢电池充电器产品, 额定功率5W.出厂前, 实验室设备(人工电源网络)PMM L2??16A,EM I接收机为PMM9010) 预测试, 测试标准为GB55014,结果如图4所示。

从图4中可以看出2 MH z最大频率点附近超过5 dBuV.为确保认证机构的实验室测试顺利通过, 一般要求预测试结果低于标准限制 dBuV,希望能尽可能低于标准限值6 dBuV.因此,从图4可以看出,该产品的预测试验结果并不理想。初步分析测试图最有可能的原因是开关管工作时的干扰MH z噪声电平底部悬挂在频率点附近, 从而提高传导干扰的电平。在传导发射试验中, 1 MH z~2MH z频率信号干扰是由共模电流产生的[ 10] .因此,初步定性为电流回路对参考地形成的干扰信号。为一次性解决问题,满足标准限值要求, 改进可能出现的问题, 本研究提出了解决方案:①根据上述措施重新布局线路板, 原布局如图5所示( a)所示, 虽然图中的布局是按主电流排列的, 但缺乏考虑子路之间的关系。如图5所示( b)所示, 在无法改变PCB在板的结构下, 尽可能整齐地排列设备, 方向一致, 增加开关管与变压器之间的距离。② 并联旁路滤波电容在变压器初级增加, 并联电容值为1 000 pF /1 kV, 用来降低干扰信号对共模电流回路产生的影响。

从图6测试结果分析可以看出, 在2MHz与原始相比,附近干扰信号幅值最大降幅为5 dBuV, 但是在0. 8MHz~1MH z频率领域范围增加, 峰值更接近标准限值。尽管预测试的结果低于标准限值, 但为了一次性通过认证,必须留出余量。具体措施如下:① 在整流后的LC-Ⅱ型滤波器的电感上并联2. 2 k电阻, 防止滤波电感的磁饱和, 同时也相当于增加了滤波旁路;② 钳位二级管由1N 5819换成1N4007, 利用二极管本身的压降和恢复速度来抑制开关管尖峰引起的电流变化。

最终测试结果如图7所示( a)所示。

从预测试结果图7开始( a)可以清楚地看到,干扰信号幅值低于标准限值6 dBuV 以上, 这基本上可以保证认证机构专用实验室的一次性检测。宁波进出口检验检疫局EMC 如图7所示( b)所示。该结果表明产品已经顺利通过测试。

产品设计后一般进行整改过程, 类似的小功率开关电源产品的设计最好在产品设计开始时考虑电磁兼容性问题(主要包括元件选择、电路板布局和电路设计)。这不仅缩短了产品开发时间, 通过认证测试也能有效保证。

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