電磁干擾EMI就是電磁兼容不足,是破壞性電磁能從一個(gè)電子設備通過(guò)輻射或傳導傳到另一個(gè)電子設備的過(guò)程。傳導性(conducted)EMI是EMI的一種重要形式，它是射頻能量通過(guò)發(fā)射形成傳播波，一般通過(guò)電線(xiàn)或內部連接電纜，以傳播波形式傳播。

 

近年來(lái),電子設備的EMI的抑制已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，開(kāi)關(guān)電源是當前市場(chǎng)上一種頗受歡迎的電源，具有體積小，效率高，規格多的優(yōu)點(diǎn)。在電子產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，開(kāi)關(guān)電源往往被直接利用作為整個(gè)電子系統的一部分。然而,由于這種電源高頻率的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將產(chǎn)生大量的傳導性電磁干擾(EMI)。這個(gè)問(wèn)題在產(chǎn)品設計階段如果處理不好,將對開(kāi)關(guān)電源乃至整個(gè)電子系統造成不利的影響。開(kāi)關(guān)電源在高頻信號的控制下，開(kāi)關(guān)元件高速動(dòng)作使開(kāi)關(guān)電路存在dvΠdt效應和傳導性輻射。

 

 

在麥克斯韋方程組中，電勢差定律為:

 

 

電流定律為:

 

 

電勢差定律也叫法拉第電磁感應定律,描述的是穿過(guò)閉合回路的磁場(chǎng)會(huì )產(chǎn)生電流,變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。電流定律解釋了電路中EMI產(chǎn)生的根本原因——時(shí)變電流,時(shí)變電流既產(chǎn)生電場(chǎng),又產(chǎn)生磁場(chǎng)。對電磁兼容來(lái)說(shuō),這兩個(gè)定律相互作用,使得電路產(chǎn)生具有射頻電流的EMI。

 

為了抑制EMI,在開(kāi)關(guān)電路上增加一個(gè)具有存儲電荷效應的簡(jiǎn)單電路——緩沖電路。在緩沖電路中，最重要的部件是電容Css。由于在頻率比較高時(shí)，導線(xiàn)可以用電阻與電感相串聯(lián)來(lái)等效,電容器要用電容、電阻、電感串聯(lián)來(lái)等效，因此Cs、Ls、Rs串聯(lián)組成了Css仿真等效電路。其阻抗為：

 

 

自諧振頻率為:

 

 

當信號頻率高于時(shí)，串聯(lián)回路呈感性失諧；當信號頻率低于時(shí)，串聯(lián)回路呈容性失諧。能量存儲效應是電容在開(kāi)關(guān)高速動(dòng)作時(shí)，起到能量存儲的補償效應。電容能量存儲效應公式為：

 

 

其中ΔI為開(kāi)關(guān)轉換電流，ΔV為允許的電壓改變，Δt為開(kāi)關(guān)切換時(shí)間。其能量補償原理是：在經(jīng)歷開(kāi)關(guān)快速變化時(shí)，對頻率比較低的成分，在電壓突變時(shí),有更多的電流供給開(kāi)關(guān)元件；對高頻成分，電容感性失諧，它決定了向開(kāi)關(guān)元件最初能提供的電流。由于以上能量存儲效應，可以將dvΠdt和diΠdt快速變化的能量存儲起來(lái)，使得緩沖電路具有較強的抑制EMI的功能。

 

3 具有緩沖電路的開(kāi)關(guān)電源組成與工作原理

 

圖1為50kHz開(kāi)關(guān)控制電源的組成方框圖。其中線(xiàn)性阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )的作用是為了消除在供電電力線(xiàn)內潛在的干擾，包括電力線(xiàn)干擾、電快速瞬變，電涌，電壓高低變化和電力線(xiàn)諧波等。這些干擾對對一般穩壓電源來(lái)說(shuō)，影響不是很大，但對高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，則影響顯著(zhù)。

 

 

開(kāi)關(guān)元件一般在電壓波形的波峰消耗能量，這樣，當外界電壓有干擾或變化時(shí)，將使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生較多諧波成分而使波形失真，且EMI會(huì )比較嚴重，影響到開(kāi)關(guān)電源和整個(gè)電子設備的安全工作。線(xiàn)性阻抗穩定網(wǎng)絡(luò )還可以有效抑制供電線(xiàn)內的共模干擾，利用其對稱(chēng)結構和適當的去耦處理和設計來(lái)解決。

 

整流濾波電路由一般橋式整流電路和一個(gè)大電容組成。高頻信號產(chǎn)生與控制電路的作用有兩個(gè)，一個(gè)是產(chǎn)生觸發(fā)開(kāi)關(guān)元件通斷的高頻矩形脈沖，這些矩形脈沖的占空比決定了輸出直流電壓的高低；另一個(gè)是穩壓反饋作用，即從輸出端取樣的電壓經(jīng)過(guò)與整流，與基準直流電壓比較后形成誤差電壓，該電壓經(jīng)過(guò)放大控制高頻信號產(chǎn)生電路中高頻信號的

占空比，從而達到穩定輸出電壓的目的。

 

場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)主電路為開(kāi)關(guān)電源的核心電路，也是產(chǎn)生EMI的主要電路。因此,在場(chǎng)效應管開(kāi)關(guān)傳統主電路的基礎上，設計增加一個(gè)緩沖電路來(lái)抑制EMI。在這部分電路設計時(shí)，要著(zhù)重注意共模電流和串擾的影響。共模輻射是由于電路設計之處的電壓降造成的，這種電壓降致使電路的一些接地部分的電壓比真實(shí)的參考地電壓高，這樣受影響的接地系統相連的電纜或器件就成了天線(xiàn)，在空中輻射共模電磁能,并通過(guò)電纜或導線(xiàn)感應來(lái)傳播。差模輻射很容易利用電路的設計來(lái)減弱，但共模輻射相當難解決，通常利用靈敏接地來(lái)解決。

 

 

圖2為開(kāi)關(guān)主電路仿真電路。緩沖電路的仿真參數設置為：仿真區間0～30ms，跌代步長(cháng)0101μs，開(kāi)關(guān)控制信號50kHz。緩沖電路器件參數為D1—MUR460，R2—500，Cs—5nF，Ls—34nH，Rs—0115。

 

在圖2中，為了便于仿真，將Css等效成Cs、Ls、Rs串聯(lián)的形式，由于器件連接結構的原因，由場(chǎng)效應開(kāi)關(guān)管M1的漏極通過(guò)C2接機殼來(lái)等效M1。仿真電路中緩沖電路由R2、D1、Cs、Ls、Rs組成，M1在高頻信號產(chǎn)生與控制電路Vs信號的作用下，完成高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并經(jīng)L和C3和濾波，在負載RL上得到直流電壓。

 

 

為了將有緩沖電路和沒(méi)有緩沖電路的開(kāi)關(guān)電路EMI進(jìn)行對比，分別對其進(jìn)行仿真分析。圖3為帶有緩沖電路開(kāi)關(guān)元件電壓電流和功率波形，從功率波形上可以發(fā)現開(kāi)關(guān)器件仍然存在小幅射頻振蕩。為了有利于觀(guān)察有緩沖電路和沒(méi)有緩沖電路的開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生射頻振蕩的情況，將二者的電壓電流功率波形進(jìn)行放大，得到圖4有緩沖電路開(kāi)關(guān)元件電壓電流和功率放大波形和圖5沒(méi)有緩沖電路開(kāi)關(guān)元件電壓電流和功率放大波形。

 

從圖4和圖5中可以看出，兩種電路都有一些射頻振蕩，這些振蕩會(huì )帶來(lái)EMI輻射，并對系統的性能產(chǎn)生不利影響。仔細觀(guān)察不難發(fā)現，二者在振蕩幅度上差別很大。通過(guò)仿真游標讀出，有緩沖電路開(kāi)關(guān)電流的振蕩幅度最大為41125A，功率振蕩幅度最大為6813W；而無(wú)緩沖電路開(kāi)關(guān)電流的振蕩幅度最大為60A，功率振蕩幅度最大約為1kW。后者的最大射頻電流比前者大23分貝，最大射頻功率比前者大11分貝。

 

 

 

 

從以上兩種電路仿真結果從幅度上對比可以看出，有緩沖電路的開(kāi)關(guān)電源其dVΠdt、diΠdt效應比無(wú)緩沖電路開(kāi)關(guān)電源要小得多，可以得出緩沖電路對EMI的抑制作用明顯的結論。

 

 

 

本文提出了一種利用簡(jiǎn)單的電路——緩沖電路來(lái)抑制開(kāi)關(guān)電源傳導性輻射的方法。利用PSPICE仿真模型驗證比較了有無(wú)緩沖電路時(shí)的開(kāi)關(guān)元件輻射EMI的電壓、電流和功率,指出它們存在射頻振蕩的大小。在仿真過(guò)程中，發(fā)現Css的參數對抑制EMI的作用比較敏感。所以，實(shí)際電路設計與生產(chǎn)時(shí)，對Css要仔細挑選，使的其參數符合要求。

 

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