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高频开关电源电磁兼容性(EMC)设计
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高频开关电源因采用脉冲宽度调制(PWM)技术,脉冲波形呈矩形,开关管上升沿与下降沿均包含大量的谐波成分;另外,输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰。开关频率的提高减小了电源的体积和重量,但同时也导致了更为严重的电磁干扰问题,这是影响系统可靠性的不利因素,因而电磁兼容性(EMC)设计日益受到重视。本文就雷达用高频开关电源设计中的电磁兼容性问题进行了探讨。
开关电源产生电磁干扰的机理
开关电源之所以是一个很强的电磁干扰源,来源于高频通断的开关器件和输出整流二极管,以及高频变压器及滤波电感等。
1 开关管与整流管
开关管、整流管高频通断时所产生的di/dt和dv/dt是具有较大辐度的脉冲,频带较宽且谐波丰富,是一个很强的干扰源。
交流输入电压经功率二极管整流桥变为正弦脉动电压,再经电容平滑后变为直流,但电容电流的波形不是正弦波而是脉冲波。由电流波形可知,电流中含有高次谐波。大量电流谐波分量流入电网,造成对电网的谐波污染。另外,由于电流是脉冲波,使电源输入功率因数降低。
高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过,在其受反偏电压而转向截止时,由于PN结中有较多的载流子积累,因而在载流子消失之前的一段时间里,电流会反向流动,致使反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。
功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如,正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波,其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时,这种谐波干扰将会很小。另外,功率开关管在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变也会产生尖峰干扰。
2 高频变压器
开关管负载为高频变压器初级线圈,在开关管导通瞬间,初级线圈产生较大的浪涌电流和尖峰电压;在开关管关断瞬间,由于初级线圈的漏磁通,致使一部分能量没有传输到次级线圈,而是通过集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰,产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变。这个噪声会传导到输入、输出端,形成传导骚扰,重者有可能击穿开关管。
另外,高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射,形成辐射骚扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好,电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导骚扰。需要注意的是,二极管整流电路产生的电磁骚扰中,整流二极管反向恢复电流的di/dt远比续流二极管反向恢复电流的di/dt大得多。作为电磁骚扰源来研究,整流二极管反向恢复电流形成的骚扰强度大,频带宽。但是,整流二极管产生的电压跳变远小于功率开关管导通和关断时产生的电压跳变。因此,不计整流二极管产生的dv/dt和di/dt的影响,而把整流电路当成电磁骚扰耦合通道的一部分来研究也是可以的。
3 杂散参数影响耦合通道的特性

在传导骚扰频段,多数开关电源骚扰的耦合通道是可以用电路网络来描述的。但是,在开关电源中的任何一个实际元器件,如电阻器、电容器、电感器乃至开关管、二极管中都包含有杂散参数,且研究的频带愈宽,等值电路的阶次愈高。因此,包括各元器件杂散参数和元器件间的耦合在内的开关电源的等效电路将复杂得多。在高频时,杂散参数对耦合通道的特性影响很大,分布电容的存在成为电磁骚扰的通道。另外,在开关管功率较大时,集电极一般都需加上散热片,散热片与开关管之间的分布电容在高频时不能忽略,它能形成面向空间的辐射骚扰和电源线传导的共模骚扰。

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