开关电源的干扰源分析

时间:2023-03-16作者:佚名

  开关电源产生电磁干扰最根本的原因,就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt,它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。开关电源中的电压电流波形大多为接近矩形的周期波,比如开关管的驱动波形、MOSFET漏源波形等。对于矩形波,周期的倒数决定了波形的基波频率;两倍脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数决定了这些边缘引起的频率分量的频率值,典型的值在MHz范围,而它的谐波频率就更高了。这些高频信号都对开关电源基本信号,尤其是控制电路的信号造成干扰。

  开关电源的电磁噪声从噪声源来说可以分为两大类。一类是外部噪声,例如,通过电网传输过来的共模和差模噪声、外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰等。另一类是开关电源自身产生的电磁噪声,如开关管和整流管的电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰。

  如图1所示,电网中含有的共模和差模噪声对开关电源产生干扰,开关电源在受到电磁干扰的同时也对电网其他设备以及负载产生电磁干扰(如图中的返回噪声、输出噪声和辐射干扰)。进行开关电源EMI/EMC设计时一方面要防止开关电源对电网和附近的电子设备产生干扰,另一方面要加强开关电源本身对电磁骚扰环境的适应能力。下面具体分析开关电源噪声产生的原因和途径。

  开关电源的干扰源分析

  图1 开关电源噪声类型图

  1.电源线引入的电磁噪声

  电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁骚扰沿着电源线传播所造成的。电源线噪声分为两大类:共模干扰、差模干扰。共模干扰(Common-mode Interference)定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差;差模干扰(Differential-mode Interference)定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。两种干扰的等效电路如图2[1]所示。图中CP1为变压器初、次级之间的分布电容,CP2为开关电源与散热器之间的分布电容(即开关管集电极与地之间的分布电容)。

  开关电源的干扰源分析

  图2 两种干扰的等效电路

  如图2(a)所示,开关管V1由导通变为截止状态时,其集电极电压突升为高电压,这个电压会引起共模电流Icm2向CP2充电和共模电流Icm1向CP1 充电,分布电容的充电频率即开关电源的工作频率。则线路中共模电流总大小为(Icm1 Icm2)。如图2(b)所示,当V1导通时,差模电流Idm和信号电流IL沿着导线、变压器初级、开关管组成的回路流通。由等效模型可知,共模干扰电流不通过地线,而通过输入电源线传输。而差模干扰电流通过地线和输入电源线回路传输。所以,我们设置电源线滤波器时要考虑到差模干扰和共模干扰的区别,在其传输途径上使用差模或共模滤波元件抑制它们的干扰,以达到最好的滤波效果。

  2.输入电流畸变造成的噪声

  开关电源的输入普遍采用桥式整流、电容滤波型整流电源。如图3所示,在没有PFC功能的输入级,由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用,使得二极管的导通角变小,输入电流i成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。这种畸变的电流实质上除了包含基波分量以外还含有丰富的高次谐波分量。这些高次谐波分量注入电网,引起严重的谐波污染,对电网上其他的电器造成干扰。为了控制开关电源对电网的污染以及实现高功率因数,PFC电路是不可或缺的部分。

  开关电源的干扰源分析

  图3 未加PFC电路的输入电流和电压波形

  3.开关管及变压器产生的干扰

  主开关管是开关电源的核心器件,同时也是干扰源。其工作频率直接与电磁干扰的强度相关。随着开关管的工作频率升高,开关管电压、电流的切换速度加快,其传导干扰和辐射干扰也随之增加。此外,主开关管上反并联的钳位二极管的反向恢复特性不好,或者电压尖峰吸收电路的参数选择不当也会造成电磁干扰。

  开关电源工作过程中,由初级滤波大电容、高频变压器初级线圈和开关管构成了一个高频电流环路。该环路会产生较大的辐射噪声。开关回路中开关管的负载是高频变压器初级线圈,它是一个感性的负载,所以,开关管通断时在高频变压器的初级两端会出现尖峰噪声。轻者造成干扰,重者击穿开关管。主变压器绕组之间的分布电容和漏感也是引起电磁干扰的重要因素。

  4.输出整流二极管产生的干扰

  理想的二极管在承受反向电压时截止,不会有反向电流通过。而实际二极管正向导通时,PN结内的电荷被积累,当二极管承受反向电压时,PN结内积累的电荷将释放并形成一个反向恢复电流,它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。反向恢复电流在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强烈的高频衰减振荡。因此,输出整流二极管的反向恢复噪声也成为开关电源中一个主要的干扰源。可以通过在二极管两端并联RC缓冲器,以抑制其反向恢复噪声。

  5.分布及寄生参数引起的开关电源噪声

  开关电源的分布参数是多数干扰的内在因素,开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初次级之间的分布电容、原副边的漏感都是噪声源。共模干扰就是通过变压器初、次级之间的分布电容以及开关电源与散热器之间的分布电容传输的。其中变压器绕组的分布电容与高频变压器绕组结构、制造工艺有关。可以通过改进绕制工艺和结构、增加绕组之间的绝缘、采用法拉第屏蔽等方法来减小绕组间的分布电容。而开关电源与散热器之间的分布电容与开关管的结构以及开关管的安装方式有关。采用带有屏蔽的绝缘衬垫可以减小开关管与散热器之间的分布电容。

  如图4所示,在高频工作下的元件都有高频寄生特性[2],对其工作状态产生影响。高频工作时导线变成了发射线、电容变成了电感、电感变成了电容、电阻变成了共振电路。观察图4中的频率特性曲线可以发现,当频率过高时各元件的频率特性产生了相当大的变化。为了保证开关电源在高频工作时的稳定性,设计开关电源时要充分考虑元件在高频工作时的特性,选择使用高频特性比较好的元件。另外,在高频时,导线寄生电感的感抗显着增加,由于电感的不可控性,最终使其变成一根发射线。也就成为了开关电源中的辐射干扰源。

  开关电源的干扰源分析

  图4 高频工作下的元件频率特性

相关阅读

变压器铁芯的结构组成

本文介绍了变压器的铁芯结构,变压器的铁芯是什么结构组成的,变压器的铁心由几部分组成,以及变压器铁芯结构与电容种类,下面具体来了解下。 变压器的铁芯结构 变压器的铁芯...
2024-03-18
变压器铁芯的结构组成

【电气基础】接地系统详解——TN、TT、IT到底怎么选?

写在前面:干电气这一行,接地是个绕不过去的话题。选错接地系统,轻则跳闸频繁、设备乱烧,重则出人命。这不是开玩笑,我亲眼见过一个厂子用TT系统配了三相四线,零线断了烧了一排变频...
2026-06-29

三相异步电动机的转动原理图

有关三相异步电动机的转动原理,介绍了旋转磁场的产生、旋转磁场的旋转方向、旋转磁场的极对数、旋转磁场的转速,电动机的转动原理与转差率等知识,有需要的朋友参考下。 三相...
2023-06-26
三相异步电动机的转动原理图

电工人才缺口背后的深思,技能定位与人才尊重

在当今快速发展的工业社会中,电工这一职业被赋予了前所未有的重要性,却也面临着前所未有的挑战与误解。近年来,“电工缺口大”、“企业难觅电工人才”的声...
2024-08-22
电工人才缺口背后的深思,技能定位与人才尊重

接近开关和高速计数器常用的转速计算方法

(1)M法:是在一定时间间隔内,对光电码盘输出脉冲数进行计数,并计算出转速,适用于发电机转速的高速测量。 (2)T法:是通过测量光电码盘的脉冲周期来计算电机转速的一种测量方法...
2023-03-21

热销商品

德国进口雅马哈风力灭火机大功率手提森林灭火器落叶工地吹雪机汽

德国进口雅马哈风力灭火机是一款高效、可靠的森林灭火和清理设备。它拥有大功率风机,能够迅速吹散落叶、杂草和积雪,有效清理工地和森林地面。这款灭火机采用先进技...
¥ 692.5

3M自粘橡胶条高硬度耐压实心幕墙玻璃舞台搭建货架专用减震密封条

3M自粘橡胶条是一款专为高要求工业及建筑场景设计的高性能密封减震材料,采用高硬度实心橡胶材质,具备优异的耐压性、抗老化性和持久弹性。其独特的自粘背胶设计,安装...
¥ 1.6

公牛官方旗舰店开关插座空调16A插座五孔10A面板暗装多孔G12白灰

公牛官方旗舰店提供一系列高质量的开关插座和空调配件。这款16A插座五孔面板采用暗装设计,适用于多种安装环境,如墙面、天花板等。它具有10A的电流容量,可以满足家庭...
¥ 5.55

电位器旋钮电流调节螺帽直流逆变电焊机二保焊送丝机通用旋钮B102

电位器旋钮电流调节螺帽适用于直流逆变电焊机和二保焊送丝机,是一款通用的旋钮B102。该旋钮采用优质材料制造,具有耐磨损、耐高温、耐腐蚀等特点,能够长时间稳定运行...
¥ 0.7

西门子开关插座无框皓彩米绒白亚光二三插USB10A五孔一开旗舰店

西门子开关插座无框皓彩米绒白亚光二三插USB10A五孔一开旗舰店,作为西门子品牌的专卖店,提供了一系列高品质、设计新颖的家居电气产品。这里销售的开关插座采用无框...
¥ 8.77

网站栏目