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一直以來,如何抑制開關(guān)電源模塊的電磁干擾都是工程師在設(shè)計中困擾的問題。這不僅關(guān)系到其本身的可靠性,同時會影響到整個系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。
騷擾源、敏感設(shè)備與耦合途徑并稱電磁干擾三要素,對于開關(guān)電源模塊來說,噪聲的產(chǎn)生在于電流或電壓的急劇變化,即di/dt或dv/dt很大,因此高功率和高頻率運作的器件都是EMI噪聲的來源。
解決方法都是想法設(shè)法的將干擾三要素中的一個去掉,如屏蔽騷擾源、隔離敏感設(shè)備或切斷耦合途徑。因為無法讓電磁干擾不產(chǎn)生,只能用一定的方法去減少其對系統(tǒng)的干擾,下面分析下常見的6個主要來源和抑制措施。
1、外界干擾的耦合
輸入端是電源的入口處,內(nèi)部的噪聲也可由此處傳播到外部,對外界造成干擾。常用抑制措施是在輸入加X和Y電容、差模和共模電感對噪聲和干擾進行過濾。
輸出端如果是有長引線的情況,電源模塊跟系統(tǒng)搭配后,內(nèi)部一些噪聲干擾可能會由輸出線而耦合到外界,干擾到其它用電設(shè)備。一般是加共模和差模濾波,還可以在輸出線串套磁珠環(huán)、采用雙絞線或屏蔽線,實現(xiàn)抑制EMI干擾。
2、開關(guān)管
電源模塊由于開關(guān)管結(jié)電容的存在,在工作時,開關(guān)管在快速開關(guān)后會產(chǎn)生毛刺和尖峰,開關(guān)管的結(jié)電容和變壓器的繞組漏感也有可能產(chǎn)生諧振而發(fā)出干擾。
常用的方法有:
1.開關(guān)管D和G極串加磁珠環(huán),減小開關(guān)管的電流變化率,從而實現(xiàn)減小尖峰;
2.在開關(guān)管處加緩沖電路或采用軟開關(guān)技術(shù),減小開關(guān)管在快速工作時的尖峰,使其電壓或電流能緩慢上升;
3.減小開關(guān)管與周邊組件的壓差,開關(guān)管結(jié)電容可充電的程度會得到一定的降低;
4.增大開關(guān)管的G極驅(qū)動電阻。
3、變壓器
變壓器是電源模塊的儲能組件,在能量的充放過程中,可能會產(chǎn)生噪聲干擾。漏感可以與電路中的分布電容組成振蕩回路,使電路產(chǎn)生高頻振蕩并向外輻射電磁能量,從而造成電磁干擾。一次繞組與二次繞組之間的電位差也會產(chǎn)生高頻變化,通過寄生電容的耦合,從而產(chǎn)生了在一次側(cè)與二次側(cè)之間流動的共模傳導EMI電流干擾。
常用的抑制方法有:
1.變壓器加屏蔽,電屏蔽是指將初級來的干擾信號與次級隔離開來。可在初、次級之間包一層銅箔(內(nèi)屏蔽),但頭尾不能短路,銅箔要接地,共模傳導干涉信號通過電容-銅箔-接地形成回路,不能進入次級繞組從而起到電屏蔽的作用。
磁屏蔽是在變壓器外部線包包首尾相連的銅箔(外屏蔽)。銅箔是良導體,高頻交變漏磁通穿過銅箔的時候會產(chǎn)生渦流,而渦流產(chǎn)生的磁場方向正好與漏磁通的方向相反,部分漏磁通就可以被抵消。
2.采用三明治繞法,可以減少初級耦合至變壓器磁芯的高頻干擾。由于初級遠離磁芯,次級電壓低,故引起的高頻干擾小。
3.降低工作頻率,減緩能量的快速充放。
4.一次側(cè)和二次側(cè)的可靠隔離,一次側(cè)和二次側(cè)之間的地接Y電容。
5.盡量減小變壓器的漏感,改進電路的分布參數(shù),能在一定程度減小干擾。
4、二極管
二極管在快速截止與導通的過程中會有尖峰的產(chǎn)生,特別是整流二極管,其在反向恢復過程中,電路的寄生電感、電容會發(fā)生高頻振蕩,產(chǎn)生電磁干擾。
常用的抑制干擾方式有加RC吸收電路,讓二極管的能量能平緩的泄放,或者在其陰極管腳套一個磁珠環(huán),使其電流不可突變以減小尖峰。
5、儲能電感
常用的抑制干擾方式有加以屏蔽或調(diào)整其參數(shù),避免與回路的電容產(chǎn)生振蕩。
6、PCB的布局與走線
PCB是上述干擾源的耦合通道,PCB的優(yōu)劣直接對應著對上述EMI源抑制的好壞。同時其板上器件的布局和布線不合理都會造成干擾。
布局布線需要注意以下幾點:
1.減少干擾最有效的方法就是減小各個電流回路的面積(磁場干擾)和帶電導體的面積及長度(電場干擾)。
2.電路中不相同的地線特別是模擬地和數(shù)字地要分開。
3.PCB的電源線和地線要盡可能寬,以減小線阻抗,從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。
4.對于傳輸信號的線路一定要考慮阻抗匹配。