【正文】 波電流不僅使電路產(chǎn)生畸變功率，增加電路的無(wú)功功率，而 且高頻諧波會(huì)沿著傳輸線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，危害電網(wǎng)安全。所以，輸入電路的電流是脈沖性質(zhì)的，并且有著豐富的高次諧波電流。工頻整流濾波使用大容量電容充、放電，開(kāi)關(guān)管高頻通斷，輸出整流二極管的反向恢復(fù)都是屬于這種類型干擾。 該電路首先將工頻電流整流成為直流，再通過(guò)高頻變壓器把原邊的電壓耦合到副邊，輸出 +18V/3A的電壓和電流。 本文以電動(dòng)沖擊鉆的充電 電源電路設(shè)計(jì)過(guò)程為例，討論開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾源和電磁兼容性設(shè)計(jì)內(nèi)容。 EMS 是指電器產(chǎn)品抵抗電磁干擾的能力。因此，只有在電源設(shè)計(jì)的過(guò)程中，嚴(yán)格地進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)才能保證生產(chǎn)出滿足電磁兼容性要求的合格產(chǎn)品，使產(chǎn)品能夠在世界各國(guó)市場(chǎng)暢通無(wú)阻，被消費(fèi)者接受。但是，干擾問(wèn)題卻隨之而來(lái)。 電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。 解決方案： ? 根據(jù)反饋回路信息控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合調(diào)整占空比獲得穩(wěn)定電源輸出。開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì) 上網(wǎng)時(shí)間： 20200929 作者：粱凱 熊臘森 姚高尚 簡(jiǎn)虎 來(lái)源：電源技術(shù)應(yīng)用 中心論題： ? 傳統(tǒng)電源的優(yōu)劣性能。 ? 采用適當(dāng)?shù)?EMI 濾波器抑制共模騷擾。 早年的線性穩(wěn)壓電源因其優(yōu)良的穩(wěn)壓性能、非常小的輸出紋波電壓等優(yōu)點(diǎn)而獲得了廣泛的應(yīng)用。由于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率比較高 (幾十到幾百 kHz)，開(kāi)關(guān)電源本身又是一個(gè)很強(qiáng)的功率源，因此，開(kāi)關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成污染。 電 磁兼容 (EMC)是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。一臺(tái)具備良好電磁兼容性能的設(shè)備應(yīng)既不受周圍電磁噪聲的影響，也不對(duì)周圍環(huán)境造成電磁干擾。 開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾源 本電源采用美國(guó) Power Integrate(PI)公司 TOPSwitch GX246Y集成電源 模塊 。 TOPSwitch GX246Y根據(jù)反饋回路信息控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，調(diào)整占空比，使電源獲得穩(wěn)定可靠的輸出。另外，開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形， MOSFET 漏源波形等開(kāi)關(guān)電源 中的電壓、電流波形都是接近矩形波形狀的周期波，因此，其頻率都是 MHz級(jí)別的，這些高頻信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的基本信號(hào)，特別是控制電路的信號(hào)造成干擾。這是因?yàn)檎麟娐返姆蔷€性特性，整流橋交流側(cè)的電流嚴(yán)重失真。 b 開(kāi)關(guān)電路 開(kāi)關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈，是感性負(fù)載。漏感的影響在開(kāi)關(guān)電路的電磁干擾問(wèn)題上已經(jīng)討論。 共模干擾通過(guò)變壓器的耦合電容，經(jīng)過(guò)裝置電容再返回大地，就得到一個(gè)由變壓器耦合電容與裝置電容構(gòu)成的分壓器。由高頻變壓器次級(jí)線圈、整流二極管和濾波電容也構(gòu)成了高頻開(kāi)關(guān)電流的環(huán)路。 電磁兼容性設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān) 電源存在著共模干擾和差模干擾兩種電磁干擾形式，根據(jù)前面分析的電磁干擾源，結(jié)合它們的耦合途徑，可以從 EMI 濾波器、吸收電路、接地和屏蔽等幾個(gè)方面來(lái)抑制干擾，把電磁干擾衰減到允許限度之內(nèi)。當(dāng)負(fù)載電流流過(guò)共模扼流圈時(shí)，串聯(lián)在火線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線和串聯(lián)在零線上線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反，它們?cè)诖判局邢嗷サ窒?。緩沖吸收電路可以減少尖鋒電壓的幅度和減少電壓波形的變化率，這對(duì)于半導(dǎo)體器件使用的安全性非常有好處。根據(jù) TopSwitch 的使用指導(dǎo)，選擇 RCD 和 TVS 結(jié)合的方式來(lái)抑制電磁干擾，如圖 4 所示。 c 屏蔽措施及變壓器的繞制 在設(shè)計(jì)高頻變壓器時(shí)必須把漏感減至最小。如圖 5 所示，變壓器主要的寄生參數(shù)為：漏感 LK，繞組間電容 CR，交叉耦合電容 CTc 變壓器繞組間的交叉耦合電容為共模噪聲流過(guò)整個(gè)系統(tǒng)提供了通路。安規(guī)上一般要求散熱器接地，那么開(kāi)關(guān)管漏極與散熱器之間的寄生電容就為共模噪聲提供了通路，可以在漏極和散熱器之間加一銅箔或鋁箔并接地以減小此寄生電容。另外，地線盡量鋪 寬，對(duì)空白區(qū)域可敷銅填滿，力求盡量降低地電平誤差和 EMI。 (1)把交流的輸入濾波部分，高壓整流和濾波部分，高頻逆變部分，低壓整流輸出部分從左到右依次排列布局，使信號(hào)方向保持一致，便于生產(chǎn)中檢修、調(diào)試，并且可以減少信號(hào)的環(huán)路，使印制電路板的平 面與磁力線相平行，這樣交變磁場(chǎng)就不會(huì)切割印制電路板平面內(nèi)的導(dǎo)線，減少電磁干擾。因?yàn)?，這部分電路是開(kāi)關(guān)電源中最敏感的部分。 試驗(yàn)結(jié)果 經(jīng)過(guò)以上電磁兼容性設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓調(diào)整率 △ V0/V0=％，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。隨著各國(guó)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的加強(qiáng)，電磁兼容性設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)過(guò)程中的位置也愈加重要，因此，必須充分重視電磁兼容性設(shè)計(jì)的作用和重要性。 解決方案： ? 雙相位中的堆疊 電容 器和并行電容 器提高效率。越來(lái)越多應(yīng)用都要求降壓轉(zhuǎn)換，如應(yīng)用處理器、存儲(chǔ)器和 RF 塊設(shè)計(jì)都被列在其中。多數(shù)時(shí)候電源解決方案都不能提供較多的板上空間，一個(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器就會(huì)有一個(gè)比 LDO 和開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器更大的解決方案尺寸。把電池電壓 與一個(gè) LDO 相連接可為微處理器產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定和小的電流，但是功耗是相當(dāng)顯著的。 由于具有電壓增益的關(guān)系，一個(gè)開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器是比線性穩(wěn)壓器更有效的解決方案，這個(gè)電壓增益是通過(guò)在雙相位 (充電相位和傳輸相位 )中的堆疊電容器和并行電容器所取得的輸入電壓與輸出電壓比率。 隨 著 VIN 的增長(zhǎng)，由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的 VIN 和 VOUT 間的增量增長(zhǎng)引起功率消耗的增長(zhǎng)和效率的下降。開(kāi)關(guān)電容器并具有離散增益步驟，由 VOUT/(增益 *VIN)與離散增益來(lái)決定效率的高低。這就帶來(lái)了在 Liion 范圍上 ( )80%的效率。然而，由于 Liion 電池的自身特性，根據(jù)時(shí)間權(quán)重效率或者 “需要多長(zhǎng)時(shí)間才能讓 Liion 充分放電？ ”來(lái)進(jìn)行比較會(huì)更加有用。上述的增益可以通過(guò)兩個(gè)外部電容器或快速電容器 (CFLY)來(lái)取得。 CFLY 的數(shù)量通常比 COUT 少。 CIN 和 COUT已被刪除以達(dá)到簡(jiǎn)化目的。一個(gè)開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器在芯片上可能有一個(gè)到 2 個(gè)功率 FET。 要利用一個(gè)開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，我們可以使用脈沖頻率調(diào)制 (PFM)或脈沖寬度調(diào)制 (PWM)。 PFM方案是一個(gè)更傳統(tǒng)的方法，其缺陷在最近的 PWM類架構(gòu)中被列出來(lái)。這個(gè)操作范圍上的頻率變化在一些便攜式應(yīng)用中可能不大合適。 比較新的 PWM調(diào)控模式處理了 PFM架構(gòu)中的各種頻率和高輸出紋波。這也被稱為預(yù)調(diào)制。我們可以看到在 ILOAD 變化的情況下紋波可以持續(xù)。在便攜式器件中的許多功能要求一個(gè)降壓穩(wěn)壓器，更小的解決方案尺寸和更高的效率，這個(gè)開(kāi)關(guān)電容穩(wěn)壓器解決方案正是一個(gè)理想的解決方案。 自上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。工作電壓 600V～ 800V，通態(tài) 電阻 幾乎降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，仍保持開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)，是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導(dǎo)體器件。隨著工藝和結(jié)構(gòu)形式的不同，IGBT 在 20 年歷史發(fā)展進(jìn)程中，有以下幾種類型：穿通 (PT)型、 非穿通 (NPT)型、軟穿通 (SPT)型、溝漕型和電場(chǎng)截止 (FS)型。電源的高頻化是國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。 二是應(yīng)用壓電變壓器。為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量，必須設(shè)法改進(jìn)電容器的性能，提高能量密度，并研究開(kāi)發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯(lián)電阻 ESR 小、體積小等。 高頻化以后 ，為了提高開(kāi)關(guān)電源的效率，必須開(kāi)發(fā)和應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。 關(guān)注點(diǎn)四：分布電源結(jié)構(gòu) 分布電源系統(tǒng)適合于用作超高速集成電路組成的大型工作站 (如圖像處理站 )、大型數(shù)字電子交換系統(tǒng)等的電源，其優(yōu)點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn) DC/DC 變換器組件模塊化 。容易做到熱分布均勻、便于散熱設(shè)計(jì) 。 關(guān)注點(diǎn)五： PFC 變換器 由于 AC/DC 變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容，在正弦電壓輸入時(shí)，單相整流電源供電的電子設(shè)備，電網(wǎng)側(cè) (交流輸入端 )功率因數(shù)僅為 ～ 。三相 APFC 的拓?fù)漕愋秃涂刂撇呗噪m然已經(jīng)有很多種，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。 現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的速度和效率日益提高，為降低微處理器 IC 的電場(chǎng)強(qiáng)度和功耗，必須降低邏輯電壓，新一代微處理器的邏輯電壓已降低至 1V，而電流則高達(dá) 50A～ 100A，所以對(duì) VRM的要求是：輸出電壓很低、輸出電流大、電流變化率高、快速響應(yīng)等。近兩年來(lái)，電源的高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開(kāi)發(fā)，費(fèi)用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開(kāi)發(fā)并制造出開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。 關(guān)注點(diǎn)八：電磁兼容性 高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容 EMC 問(wèn)題有其特殊性。同時(shí)，電力電子電路 (如開(kāi)關(guān)變換器 )內(nèi)部的控制電路也必須能承受開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的 EMI 及應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲的干擾。變化速度越快，電磁噪音越大。 電源系統(tǒng)的 CAD，包括主電路和控制電路設(shè)計(jì)、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、 EMI 設(shè)計(jì)和印制 電路板 設(shè)計(jì)、可 *性預(yù)估、計(jì)算機(jī)輔 助綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。這些情況使電源制造廠家承受巨大壓力，迫切需要開(kāi)展集成 電源模塊 的研究開(kāi)發(fā)，使電源產(chǎn) 品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。 上世紀(jì) 90 年代，隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展，一體化的設(shè)計(jì)觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統(tǒng)集成，提高了集成度， 出現(xiàn)了集成電力電子模塊 (IPEM)。 開(kāi)關(guān)電源抗干擾的措施 上網(wǎng)時(shí)間： 20201013 作者：朱麗娟 周 旋 來(lái)源：中國(guó)電磁兼容網(wǎng) 中心議題： ? 介紹屏蔽技術(shù)和接地技術(shù) ? 討論印制 電路板 的抗干擾設(shè)計(jì) 解決方案： ? 采用屏蔽方法，抑制 開(kāi)關(guān) 電源電磁干擾 ? 采用 把交流電源地與直流電源地分開(kāi)的浮地技術(shù)，隔離交流電源地線的干擾 ? 用脈沖變壓器和線性光電耦合器隔離數(shù)字電路與模擬電路信號(hào)，提高整個(gè)電路的電磁兼容性 ? 印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì)與布局、布線有關(guān) 開(kāi)關(guān)電源一般采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高、效率高、功率密度高。即用導(dǎo)電良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用導(dǎo)磁率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。對(duì)抗電磁波較弱的元器件，必要的情況下也應(yīng)采取相應(yīng)的屏蔽措施。比如共地線干擾、地環(huán)路干擾等。但由于存在接地 電阻 和其上流過(guò)的電流，導(dǎo)致電源的零線電位并非為大地的零電位。隨著數(shù)字開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)發(fā)，為了抑制對(duì)數(shù)字芯片的干擾，數(shù)字芯片與模擬電路必須進(jìn)行隔離。由于負(fù)載電路或功