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TOPSwitchⅡ系列开关电源的电磁兼容性设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

作者Email:  SHUJUN.WANG@MT.COM

摘 要: 系统地分析了TOPSwitchⅡ系列开关电源产生噪声的主要原因及产生噪声的回路和部件,给出了相应的抗干扰措施,从而提高了开关电源的电磁兼容性

关键词: 开关电源 噪声 电磁兼容性

TOPSwitchⅡ开关电源具有单片集成化、外围电路简单、效率高的优点,在大多数的电子设备中得到了广泛的应用。然而,开关电源自身产生的各种噪声却形成了一个很强的电磁干扰源。这些干扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强,对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁;同时,一些国家对此也有严格的指标,不能满足者将被拒之门外。本文以美国PI公司TOPSwitchⅡ系列为例,介绍开关电源的电磁干扰及其抑制。

1 开关电源产生噪声的原因

开关电源工作在高频、高压、大电流开关状态,并以开和关的时间比来控制输出电压的高低。TOPSwitchⅡ系列器件工作频率为100kHz,电源线路内的dv/dt很大,产生的各种噪声通过电源线以共模或差模方式向外传导,同时还向周围空间辐射噪声。图1给出了一种典型TOPSwitchⅡ系列的开关电源电路图,下面以此为例分析其产生噪声的主要原因。

TOPSwitchⅡ系列开关电源的电磁兼容性设计

1.1电源一次侧回路的噪声

在一次整流回路中,整流二极管D1~D4只有在脉动电压超过C2的充电电压的瞬间,电流才从电源输入侧流入。所以,一次整流回路产生高次畸变波,如图1,形成噪声,这是影响传导辐射的一个重要指标。此外, 电源在工作时,TOPSwitchⅡ处于高频率通断状态,在由脉冲变压器初级线圈L1、TOPSwitchⅡ和滤波器C2构成的高频电流环路中,如果布局、布线不合适,造成环路面积过大,可能会产生较大的空间辐射噪声。如图2(A),为初级电流Ipri的波形,其基波为开关频率,谐波即为干扰波形。

TOPSwitchⅡ系列开关电源的电磁兼容性设计

1.2 电源二次侧回路的噪声

电源在工作时,整流二极管D7也处于高频通断状态,由脉冲变压器次级线圈L2、整流二极管D7和滤波电容C6构成了高频开关电流环路,如果布局、布线不合适,造成环路面积过大,可能向空间辐射噪声。同时,硅二极管在正向导通时PN结内的电荷被积累,二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。由于二次整流回路中D7在开关转换时频率很高,即由导通转变为截止的时间很短,在短时间内要让存储电荷消失就产生反电流的浪涌。由于直流输出线路中的分布电容、分布电感的存在,使因浪涌引起的干扰成为高频衰减振荡。如图2(C)所示,Vd波形具有电压变化率高、上升沿和下降沿陡峭的特点。其峰值电压由变压器和输出整流管的分布电容所决定。振铃干扰波形的频率变化是20-30MHZ。

1.3脉冲变压器的噪声

   脉冲变压器是开关电源中进行能量储存与传输的重要部件,其性能的优劣,不仅对电源效率有较大的影响,而且直接关系到电源电磁兼容性(EMC) 。对EMC而言,要求脉冲变压器漏感小、绕组本身的分布电容及各绕组之间的耦合电容要小。

2.开关电源的电磁兼容性设计

抑制开关电源的噪声可采取三方面的技术:一是滤波;二是变压器的绕制;三是屏蔽。

2.1 滤波

针对开关电源主要通过电源线向外传输噪声的特点,采用滤波技术抑制干扰,可分为:交流侧滤波、
直流侧滤波及其他一些辅助措施。

(1)交流侧滤波:开关电源的交流电源线输入端插入共模和差模滤波器,防止开关电源的共模和差模噪声传递到电源线中,影响电网中其它用电设备,同时也抑制来自电网的噪声。交流侧滤波器如图3A、B、C、D所示,其中L为共模扼流圈,图A、B中的电容器C能滤除串模干扰。图C、D抑制电磁干扰的效果更佳,图C中的L、C1和C2用来滤除共模干扰,C3和C4用来滤除串模干扰,R为泄放电阻,可将C3上积累的电荷泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性;断电后还能使电源的进线端L、N不带电,保证用户的安全。

(2)直流侧滤波:在开关电源的直流输出侧插入如图3所示的电源滤波器,它由共模扼流圈L1、扼流圈L2和电容C1、C2组成。为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用,扼流圈的磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒μ磁芯。

TOPSwitchⅡ系列开关电源的电磁兼容性设计

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