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Buck变换器的EMC分析

  开关电源通过改变开关器件的导通比来有效地控制输出电压和电流的大小。通常它在几十kHz以上的开关频率下工作,当开关导通时,它将流过浪涌电流Cdv/dt;当开关断开时,其两端将会产生浪涌电压Ldi/dt,形成较强的电磁骚扰源。随着半导体开关器件的不断发展,开关频率将提高到MHz数量级,使电磁骚扰更加严重。因此,必须采用相应的措施,加强开关电源的电磁兼容性()。

  电磁兼容性是指在不损失有用信号所包含信息的条件下,信息和干扰共存的能力。电力电子装置在其使用环境下,承受来自外部电磁干扰的同时也向周围环境释放干扰。在设计制造电力电子装置时,应考虑到电力电子装置在工作时所产生的电磁骚扰不对在同一环境中工作的其它电子设备的运行产生不良影响,同时来自外部环境的电磁干扰又不会影响电力电子装置的工作。

  以下结合Buck来具体讨论电磁干扰产生的原因和条件,从而找出抑制和消除的方法。图1是Buck变换器的原理结构图。

Buck变换器的EMC分析

图1 Buck原理结构图

  主电路主要由功率开关管S、D、滤波C、电感L、阻性负载Ro以及无感采样RL组成。此电路的基本参数是输入端为36V铅酸蓄,输出要求为10A恒流,开关频率为50kHz。控制芯片采用SG3525,驱动芯片采用TLP250。辅助电源采用反激。主电路选择合适的闭环参数是重要的一步,合适的闭环参数可以使电路稳定,产生较小的EMD。

  图2是该系统的电磁兼容性示意图,结合此图分析系统所处的电境及其相互作用的情况。显然,电磁干扰既可发生在系统内部,又有可能发生在系统之间。

Buck变换器的EMC分析

图2 系统的电磁兼容性示意图

  从图2中可以看出,任何一种EMI均由三部分组成:骚扰源、耦合路径和受扰体。骚扰源产生的干扰经耦合途径进入受扰体,若干扰水平超出受扰体的敏感程度就会影响其正常工作而构成干扰。与数字电路相比,由于开关电源功率开关管的高速开关动作,它产生的干扰强度较大;骚扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的高频上;开关频率不高,主要干扰形式是传导干扰和近场干扰。一般解决EMD针对3方面:抑制骚扰源、切断干扰途径和提高受扰体的抗干扰能力。

  由此可知Buck的主要骚扰源是开关管和功率二极管。由于开关频率较高,传输的能量又大,故在开关过程中会产生很高的毛刺。

  由于设计的开关电源的几何尺寸远小于30MHz电磁场对应的波长,因此,电磁干扰主要考虑的是传导干扰。在开关过程中产生的电压尖峰和振荡主要通过导线寄生电感和寄生电容干扰受扰体,开关过程越快,尖峰越高,振荡越明显,干扰越强。

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