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隔离式直流/直流变换器的电磁兼容设计分析

随着电力和电子技术的发展,开关电源模块逐渐取代了传统的整流电源,具有相对体积小、效率高、工作可靠等优点。然而,由于开关电源工作频率高,内部会产生高电流。电压变化率(即高dv/dt和di/df),导致开关电源模块产生强电磁干扰,并通过传导。辐射和串扰等耦合方式影响其电路和其他电子系统的正常工作。当然,它本身也会受到其他电子设备电磁干扰的影响。电磁干扰会导致传输信号畸变,影响电子设备的正常工作。雷电、静电放电等高能电磁干扰,严重时会损坏电子设备。对于一些电子设备,电磁辐射会导致重要信息泄漏,严重时会威胁国家信息安全。这就是我们讨论的电磁兼容性问题。此外,国家开始强制对部分电子产品进行3C认证。因此,电子设备能否满足电磁兼容标准将与该产品能否在市场上销售有关。因此,开关电源的电磁兼容性研究非常重要。


1.分析内部噪声干扰源

1.1二极管厦向恢复引起的噪声干扰

工频整流二极管常用于开关电源。高频整流二极管。续流二极管等,由于这些二极管在开关状态下工作,如图所示,在二极管从阻断状态到导通的转换过程中,会产生高电压峰UFP;在二极管从导通状态到阻断的转换过程中,有一个反向恢复时间。在反向恢复过程中,由于二极管包装电感和导线电感的存在,反向电压峰URP会产生瞬态反向恢复电流峰IRP,这是电磁干扰的根源。


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1.2开关管开关产生的电磁干扰

在正负荷下。推拉式桥式变换器中,流过开关管的电流波形在阻力负载下与矩形波相似,富含高频成分,会产生强烈的电磁干扰。在反激变换器中,流过开关管的电流波形在阻力负载下与三角波相似,高谐波成分相对较少。开关管开启时,由于开启时间短,逆变电路中存在导线电感,会产生大DV/DT和高峰电压。开关管关闭时,由于关闭时间短,会产生大DI/DT和高电流尖峰。电压突变会产生强烈的电磁干扰。


1.3电感.变压器等磁性元件引起的电磁干扰

输入滤波电感器存在于开关电源中。功率变压器。隔离变压器。输出滤波电感等磁性元件,隔离变压器一次之间存在寄生电容,高频干扰信号通过寄生电容耦合到二次;由于绕组工艺等原因,原。二次耦合不理想,泄漏会产生电磁辐射干扰。此外,功率变压器线圈绕组流过高频脉冲电流,周围形成高频电磁场;电感线圈中的脉动电流会产生电磁场辐射,负载突切时会形成电压峰值。同时,当它工作饱和时,会产生电流突变,导致电磁干扰。


1.4控制电路引起的电磁干扰

振荡器产生的高频脉冲信号等周期性高频脉冲信号会产生高频高谐波,对周围电路产生电磁干扰。


1.5其他电磁干扰

电路中还会有地环干扰。公共阻抗耦合干扰,以及控制电源噪声干扰等。此外,不合理的布线会使电磁干扰通过耦合电容器和线之间的分布互感串扰或辐射到相邻的电线上,从而影响其他电路的正常运行。还有热辐射引起的电磁干扰。热辐射以电磁波的形式进行热交换,影响其他电子元件或电路的正常稳定运行。


2.外部电磁干扰

对于某种电子设备,外部电磁干扰包括谐波干扰.雷电.太阳噪声.静电放电及周围高频发射设备。


3.开关电源的电磁兼容性设计

在设置开关电源的电磁兼容性汁时,首先要明确系统需要满足的电磁兼容性标准;确定系统中的关键电路,包括强干扰源电路。高敏感电路;明确电源设备工作环境中的电磁干扰源和敏感设备;然后确定电源设备的电磁兼容性措施。因此,开关电源的电磁兼容性设计主要从以下三个方面入手:

1)减少干扰源的电磁干扰能量;

2)切断干扰传播途径;

3)提高受扰设备的抗干扰能力。

以隔离DC/DC变换器为例,讨论开关电源的电磁兼容性设计。


3.1DC/DC变换器输入电路的电磁兼容性设计

如图2所示,FV1为瞬态电压抑制二极管RV1为压敏电阻,具有较强的瞬变浪涌吸收能力,能很好地保护后部件或电路免受浪涌电压的破坏。Z1为直流EMI滤波器,接地线必须短,最好直接安装在金属外壳上,并确保其输入。输出线之间的屏蔽和隔离可以有效地切断沿输入线的传导干扰和沿空间的辐射干扰。L1和C1形成低通滤波电路,当L1电感值鞍大时,还必须增加D1和R1,形成续流电路,吸收L1断开时释放的电场能量,否则L1产生的电压峰会形成电磁干扰,电感L1使用的磁芯最好是闭合磁芯,气隙开环磁芯泄漏磁场会形成电磁干扰,C1容量好,减少输入线周围的纹波电磁场。


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3.2高频逆变电路的电磁兼容性设计

如图3所示,由C2.C3.V2.V3组成的半桥逆变电路,V2.V3为LGBT或M0SFET等开关器件。V2.V3开关时,由于开关时间短,导线电感。变压器漏感的存在,电路会产生较高的di/dt.dv/dt,从而形成电磁干扰。因此,R4.C4组成的吸收电路被添加到变压器原侧两端或V2.V3两端。在设计中,G4C5.C6。一般采用低感电容,电容器容量取决于导线电感。同路中的电流值和允许的过冲电压值由LI2/2=C△V2/2获得C(L为电路电感,I为电路电流,△V为过冲电压值)。


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为了减少△V,必须降低电路引线的电感值。因此,在设计中经常使用一种叫做多层低感复合母排的装置。本集团申请专利的母排装置可将电路电感降低到足够小的lonh级,从而减少高频逆变电路的电磁干扰。

在大电流或高电压下的快速开关动作是产生电磁噪声的基础。因此,尽量选择电磁噪声小的电路拓扑。例如,在相同条件下,双管正激拓扑产生的电磁噪声小于单管正激拓扑,全桥电路产生的电磁噪声小于半桥电路。此外,采用ZCS或ZVS软开关转换技术可有效减少高频逆变电路的电磁干扰。

图4显示了增加缓冲电路后开关管上的电流。与无缓冲电路时的波形相比,缓冲电路后的电流电压变化率大大降低。


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由于变压器是一种加热元件,散热条件差必然会导致变压器温度升高,从而形成热辐射,因此,变压器必须有良好的散热条件。

通常将高频变压器包装在铝壳盒中,并注入电子硅胶。铝盒也可安装在铝散热器上,使变压器形成更好的电磁屏蔽,保证良好的散热效果。减少磁辐射。


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3.4输出整流电路的电磁兼容性设计

图6显示半波整流电路,D6为整流二极管,D7为续流二极管。由于D6.D7工作于高频开关状态,输出整流电路的电磁干扰源主要是D6和D7。R5.G12和R6.C13分别连接到D6.D7。


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减少整流二极管的数量可以减少电磁干扰的能量。因此,在相同条件下,半波整流小于全波整流和全桥整流产生的电磁干扰。

为了减少二极管的电磁干扰,必须选择具有软恢复特性的二极管。反向恢复电流小。反向恢复时间短。从理论上讲,肖特基势垒二极管(SBD)是大多数载流子的导流,没有少子的存储和复合效应,因此不会有反向电压峰值干扰,但实际上对于反向工作电压较高的肖特基二极管,反向恢复电流会随着电子势垒厚度的增加而增加,也会产生电磁噪声。因此,在输出电压较低的情况下,肖特基二极管产生的电磁干扰将小于其他二极管。


3.5输出直流滤波电路的电磁兼容设计

输出直流滤波电路主要用于切断沿导线向输出负载端传播的电磁传导干扰,减少导线周围电磁辐射的电磁干扰。

如图7所示,由L2.C7.C18组成的LC滤波电路可以降低输出电流和电压纹波的大小,从而减少通过辐射传播的电磁干扰。滤波电容C17.C18应尽可能多地并联,以降低等效串联电阻,从而降低纹波电压。输出电感L2应尽可能大,以降低输出纹波电流的大小。此外,电感L2最好使用无空隙的闭环磁芯,最好不要使用饱和电感。在设计中,请记住,电线上有电流和电压的变化,电磁场会沿着空间传播,形成电磁辐射。


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C19用于过滤导线上的共模干扰,尽量选择低感应电容器,接线较短。用于过滤输出线上的差模干扰的C20.C21.C22.C23应选可靠。

Z3是一流EMI滤波器,根据情况决定是单级还是多级,但Z3需要直接安装在金属底盘上,滤波器输入。输出线最好是屏蔽隔离。


3.6接触器.继电器.风机电磁兼容设计

继电器、接触器、风扇等。失电后,线圈会产生较大的电压峰值,从而产生电磁干扰。因此,在直流线圈的两端并联一个二极管或RC吸收电路,在交流线圈的两端并联一个压敏电阻,以吸收线圈失电后产生的电压峰值。如果接触器线圈电源与辅助电源的输人电源相同,最好通过EMI滤波器。继电器触点也会产生电磁干扰,因此在触点两端增加RC吸收电路。


3.7开关电源箱结构电磁兼容设计

1)开关电源箱结构设计中的材料选择,屏蔽材料的原则是干扰电磁场频率高,屏蔽效果好;干扰电磁场频率低时,屏蔽效果好;在某些情况下,如果要求高频、低频电磁场具有良好的屏蔽效果,通常采用高电导率、高磁导率的金属材料。

2)孔。间隙。采用电磁屏蔽方法,无需重新设计电路,即可达到良好的电磁兼容效果。理想的电磁屏蔽是一个无缝的。无孔。无渗透的导电连续体,低阻抗的金属密封,但开关电源需要输入。输出线穿孔。冷却通风孔等,以及箱体结构部件之间的搭接间隙,如果不采取措施,这些孔和间隙将导致电磁泄漏,降低箱体的屏蔽效率。甚至完全丧失。因此,在开关电源箱的设计中,最好焊接金属板之间的搭接,使用电磁垫或其他屏蔽材料;箱上的孔径小于屏蔽电磁波波长的1/2,否则屏蔽效果将大大降低;对于通风孔,当屏蔽要求不高时,可使用穿孔金属板或金属丝网,不仅要求屏蔽效率高,而且要求通风效果好,以提高屏蔽效率。如果箱体的屏蔽效率仍然不能满足要求,可以在箱体上喷涂屏蔽漆。除了屏蔽整个开关电源箱外,还可以局部屏蔽电源设备中的部件、部件等干扰源或敏感设备。

3)在设计箱体结构时,应设计低阻抗电流泄漏路径,箱体必须有可靠的接地措施,保证接地线的载流能力。同时,敏感电路或部件应远离这些泄漏电路或电场屏蔽措施。对于结构件的表面处理,一般需要的表面处理,一般需要镀银、锌、镍、铬、锡等。具体来说,应考虑导电性、电化学反应、成本和电磁兼容性。


3.8元件布局与布线中的电磁兼容设计

对于开关电源设备内部部件的布局,必须考虑电磁兼容性的要求。设备内部的干扰源会通过辐射和串扰影响其他部件或部件的正常工作。研究表明,干扰源的能量在一定距离内会大大衰减。因此,合理的布局有利于减少电磁干扰的影响。

EML输入输出滤波器最好安装在金属机箱的入口和出口处,以确保输入和输出线的屏蔽隔离。

远离热源的敏感电路或部件。

开关电源产品一般应遵循以下布线原则。

1)主电路输入线与输出线分开。

2)EMI滤波器输入线与输出线分离。

3)主电路线与控制信号线分开。

4)高压脉冲信号线最好分开。

5)分开布线避免平行布线,可垂直交叉,线束间距超过20mm。

6)电缆不应与金属外壳和散热器接线,以确保一定距离。

7)EMC设计中使用双绞线。


(1) 双绞线,同轴电缆能有效抑制脉冲信号传输线路中常用的电磁干扰,控制辅助电源线和传感器信号线最好使用双绞线屏蔽线。由于双绞线之间的电路面积很小,双绞线每两个相邻电路上感应的电流大小相等。相反的方向,产生的磁场相互抵消,从而减少辐射造成的模具差干扰,但双绞线的圈数最好为偶数,每个单位的波长越多,消除耦合的效果越好。使用时,注意双绞线和同轴电缆两端不能同时接地,只能单端接地,屏蔽层两端接地可以屏蔽电场和磁场,单端接地只能屏蔽电场。使用同轴电缆时,还应注意其屏蔽层必须完全覆盖信号线接地,即接头和电缆屏蔽层必须为360。重叠,以有效屏蔽电磁场,如图8所示,信号线的裸露部分仍能与外界形成相容耦合,降低屏蔽效率。


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(2) 带状电缆适用于短距离信号传输。为了减少差模信号的电磁辐射,必须减少信号线和信号回流线形成的回路面积。因此,在设计带状电缆布局时,最好将信号线与接地线隔开。如图9所示,S为信号线,G为信号线。


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3.9元件的选择

传热有三种方式,即传导、对流和辐射。热辐射以电磁波的形式传播到空间,热传导也会传递到周围其他部件,影响其他部件或电路的正常运行,因此,从部件热设计考虑尽可能留下大量的余量,以降低部件的温升和表面温度,除了部件对温升的特殊要求外,一般开关电源要求内部部件温度小于90℃,内部环境温度不超过65℃,以减少4。热辐射干扰。

对于数字集成电路,从电磁兼容性的角度来看,应选择高噪声容量的CMOS设备,而不是低噪声容量的TTL设备。

尽量使用低速、窄带元件和电路。

选用分布电感小的表面贴装元件(SMD),选用高频特性好、等效串联电感低的陶瓷介质电容器、高频无感电容器、三端电容器、穿心电容器等。


3.10控制电路及PCB电磁兼容设计

信号地面是指信号电流回到信号源的低阻抗路径。在设计中,地环干扰和公共阻抗耦合干扰往往是由于接地方法不当造成的。因此,应合理选择接地方法。接地方法包括单点接地、多点接地和混合接地。

1)地环干扰通常发生在通过长电缆连接的设备上。原因是由于地环电流的存在,两种设备的地电位不同。光电耦合器或隔离变压器通常用于地面隔离,以消除地环干扰。由于隔离变压器绕组之间的寄生电容较大,即使采取屏蔽措施的隔离变压器通常也只用于1MHz以下的信号隔离,超过LMHz时,光电耦合器通常用于隔离。

2)当两个电路的地电流通过一个公共阻抗时,公共阻抗耦合就会发生。由于地线是信号回流线,一个电路的工作状态必然会影响地线电压。当两个电路共用一段地线时,地线的电压也会受到两个电路工作状态的影响。

可以看出,地环干扰和公共阻抗耦合都是由地线阻抗引起的。因此,在设计中必须考虑尽量减少地线阻抗和感应阻抗。

3)减少控制电源噪声电源线上的电流突变,产生噪声电压。在芯片附近增加解耦电容可以有效降低噪声。如果是高频电流负载,则多个相同容量的高频电容器和无感应电容器并联可以获得更好的效果。请注意,电容量越大越好,脉冲电流频率主要根据其谐振频率进行选择。

4)印刷板的合理布线将有效降低印刷板的辐射,提高其抗辐射干扰能力。请注意以下几点。

(1)布置地线网络,即双面板两侧平行地线布置最多。

(2)对于一些关键信号(如脉冲信号和对外界敏感的电平信号),必须尽量减少引线长度和信号回流面积。如果是双面板,地线和信号线可以在印刷板两侧并行行走。

(3)如果多层电路板既有数字又有模拟,则必须在同一层布置数字和模拟,以减少它们之间的耦合干扰。

(4)公共阻抗耦合经常发生在实际电路中,因此应根据实际情况选择正确的接地方式。


4.结语

本文详细分析了隔离DC/DC变换器的电磁干扰源及其生成机制,并详细介绍了其主电路和控制电路的电磁兼容设计方法,对其他电子产品的电磁兼容设计具有一定的参考价值。


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