一種新型的開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾抑制方法

這種開(kāi)關(guān)具有體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、家用電器等領(lǐng)域。然而,開(kāi)關(guān)電源中功率半導(dǎo)體器件的高速通斷及整流二極管反向恢復(fù)電流產(chǎn)生了較高的du/dt和di/dt,它們產(chǎn)生的尖峰電壓和浪涌電流成為開(kāi)關(guān)電源的主要干擾源。文中給出的電源濾波器元件主要基于TDK公司提供的模型,該模型考慮了元件的高頻寄生參數(shù),更符合工程應(yīng)用。1生成開(kāi)關(guān)的機(jī)理1.1開(kāi)關(guān)的電子干擾源(1)生物測(cè)量du/dt和較高的極限電壓開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)由于開(kāi)通時(shí)間很短及回路中存在引線電感,將產(chǎn)生較大的du/dt和較高的尖峰電壓。開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間很短,也將產(chǎn)生較大的di/dt和較高的尖峰電流,其頻帶較寬而且諧波豐富,通過(guò)開(kāi)關(guān)管的輸入輸出線傳播出去形成傳導(dǎo)干擾;(2)級(jí)濾波電極由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲(chǔ)能作用,二極管導(dǎo)通角變小,輸入電流成為一個(gè)時(shí)間很短,而峰值很高的尖峰電流,含有豐富的諧波分量,對(duì)其他器件產(chǎn)生干擾。二級(jí)濾波二極管由導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)存在一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間。因而,在反向恢復(fù)過(guò)程中由于二極管封裝電感及引線電感的存在,將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰,同時(shí)產(chǎn)生反向恢復(fù)尖峰電流,形成干擾源;(3)抗輻射的增加隔離變壓器初、次級(jí)之間存在寄生電容,這樣高頻干擾信號(hào)很容易通過(guò)寄生電容耦合到次級(jí)電路,同時(shí)由于繞制工藝問(wèn)題在初、次級(jí)出現(xiàn)漏感將產(chǎn)生電磁輻射干擾。另外,功率變壓器電感線圈中流過(guò)脈沖電流而產(chǎn)生電磁輻射,而且在負(fù)載切換時(shí)會(huì)形成電壓尖峰;(4)第二次連接連接開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)二次整流二極管、變壓器次級(jí)線圈和濾波電容形成高頻回路,向空間輻射噪聲;(5)干預(yù)設(shè)備連接參數(shù)引起的噪聲主要是開(kāi)關(guān)管與散熱片、變壓器初、次級(jí)的分布電容及其漏感形成的干擾。1.2添加emi濾波器共模干擾主要為相、中線干擾電流通過(guò)M1漏極與散熱片之間的耦合電容通過(guò)接地線形成回路,差模干擾則在相線與中線間形成回路,干擾路徑如圖1所示。參閱資料對(duì)比發(fā)現(xiàn),如果將設(shè)計(jì)的EMI濾波器置于電網(wǎng)電源與Lisn之間,可以濾除來(lái)自交流電網(wǎng)的傳導(dǎo)性性電磁干擾,但是并沒(méi)有考慮開(kāi)關(guān)電源電路中的傳導(dǎo)性共、差模電磁干擾和輸出信號(hào)中的強(qiáng)尖峰干擾。因此,有必要在開(kāi)關(guān)電源輸出端添加EMI濾波器用來(lái)進(jìn)行干擾抑制,如圖2即文中提出的開(kāi)關(guān)電源相對(duì)應(yīng)的二階無(wú)源EMI濾波器結(jié)構(gòu)。其中,開(kāi)關(guān)電源輸出為DC30V±1%。2使用epice軟件進(jìn)行模擬2.1開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)干擾如圖2所示開(kāi)關(guān)電源輸出端接二階無(wú)源EMI濾波器,利用電壓探頭可以測(cè)量濾波器輸入、輸出信號(hào),仿真結(jié)果如圖3所示。如圖3所示,開(kāi)關(guān)電源輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)EMI濾波器后幾乎沒(méi)有衰減,對(duì)圖3局部放大如圖4所示。輸出信號(hào)尖峰干擾完全濾除,同時(shí)由于該濾波器元器件采用TDK模型,均考慮了元件高頻寄生參數(shù)的影響,因而更貼近實(shí)際的工程應(yīng)用。一般開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中在變壓器次級(jí)都有尖峰抑制器,但輸出紋波電壓稍大,若去除尖峰抑制器直接使用該濾波器后紋波電壓減小約80%。2.2分離共模、差模噪聲如圖5所示為典型的Lisn電路圖,對(duì)于工頻(50Hz或60Hz),電感感抗很小,電容容抗很大,因而交流信號(hào)可幾乎無(wú)衰減的通過(guò)Lisn,而高頻信號(hào)可很好的被阻隔。這里利用Pspice電壓探頭通過(guò)Lisn可以很容易的分離共模、差模信號(hào)。探頭探測(cè)到的電壓由相線或中線電流流過(guò)50Ω電阻形成的,具體表達(dá)式為UL=IL×50=UCM+UDM(1)UN=IN×50=UCM-UDM(2)在Pspice中利用算法可以分離出共模與差模噪聲,如圖6所示。共模噪聲低于30dBμV,差模噪聲低于50dBμV。為了驗(yàn)證濾波器對(duì)CM、DM噪聲的抑制作用,可以在濾波器輸出端添加圖5所示Lisn,分離出共模、差模噪聲,如圖7所示。如圖7所示,共模噪聲最大值為32dBμV(1ms),在時(shí)域分析7ms后出現(xiàn)負(fù)值。差模噪聲電平最大值為3.94dBμV(1ms),時(shí)域分析3ms后出現(xiàn)負(fù)值,說(shuō)明在濾波器輸出端共模、差模噪聲得到了較好的衰減。2.3由于采用自適應(yīng)濾波源和負(fù)載阻抗功能，影響插入損失2.3.1zs對(duì)負(fù)載抗沖突特性的影響圖8(a)所示,源阻抗Zs為純阻性,在1Hz～30MHz頻段插損隨著Zs的增大逐漸增大,圖8(b)負(fù)載阻抗為純阻性,在低頻段插損隨著ZL增大逐漸增大,但在高頻段負(fù)載變化幾乎對(duì)插損沒(méi)有影響。2.3.2ctdf插損參數(shù)f/1kj/kj/b圖9(a)源阻抗為純感性(不考慮寄生參數(shù)),隨著電感值的增加插損在f>1kHz頻段逐漸增大,諧振點(diǎn)插損相應(yīng)提高。但在f<1kHz,插損幾乎不隨電感取值的影響。圖9(b)源阻抗為感性(考慮寄生參數(shù)),插損隨電感值的增大而增大,f>1kHz插損與圖9(a)比較下降約30～50dB,f<1kHz,低頻插損與圖9(a)比較略高3～5dB。圖9(c)負(fù)載為純感性(不考慮寄生參數(shù)),隨著電感數(shù)值逐步增大,插損幾乎沒(méi)有變化,但在1～10kHz頻段插損隨著電感增大而逐步增大。當(dāng)電感取值>100mH后,出現(xiàn)諧振點(diǎn),而且隨著電感值的增大,諧振點(diǎn)向工頻靠近,諧振點(diǎn)出現(xiàn)極大值。通過(guò)選取適當(dāng)?shù)碾姼衼?lái)抑制更接近50/60Hz的低頻干擾,前提是負(fù)載必須為純感性。圖9(d)中負(fù)載為感性(考慮寄生參數(shù)),在低頻段插損隨著電感增大而逐步增大,但在高頻段插損幾乎沒(méi)有變化。2.3.3電容高頻安裝參數(shù)對(duì)插損的影響圖10(a)中源阻抗為純?nèi)菪?不考慮寄生參數(shù)),電容越小,整體插損越大,尤其在μF～nF量級(jí),nF～pF量級(jí)范圍插損低頻段增加很快,電容增加到mF量級(jí)后,電容變化幾乎對(duì)插損沒(méi)有影響。圖10(b)源阻抗為容性(考慮寄生參數(shù)),電容越小,整體插損越大,相比純?nèi)菪栽醋杩蛊湓趎F量級(jí)插損較小,整體上電容的高頻寄生參數(shù)對(duì)插損影響較小。圖10(c)中負(fù)載為純?nèi)菪?不考慮寄生參數(shù)),隨著電容值逐步增大,其在工頻附近插損越來(lái)越小,對(duì)有用信號(hào)的衰減變小,但在高頻范圍負(fù)載電容變化對(duì)插損幾乎沒(méi)有影響。圖10(d)中負(fù)載為容性(考慮寄生參數(shù)),隨著電容值逐步增大,其在工頻附近插損越來(lái)越小,相比圖10(c)說(shuō)明電容高頻寄生參數(shù)對(duì)插損影響很小。比較圖8～圖10,源阻抗特性在頻段1Hz～30MHz整個(gè)對(duì)插損影響很大,而負(fù)載阻抗特性只在1Hz<f<39.8kHz頻段對(duì)插損有影響,其在39.8kHz<f<30MHz頻段插損不隨負(fù)載變化。電感的寄生參數(shù)對(duì)插損影響大,電容的寄生參數(shù)對(duì)插損影響較小。容性阻抗無(wú)論作為源阻抗還是負(fù)載,都極大的改善了濾波器的低頻濾波效能,一定程度上彌補(bǔ)了無(wú)源濾波器低頻濾波較差的缺點(diǎn),尤其是作為源阻抗使得濾波器整體濾波性能有了提高。2.4高頻寄生蟲(chóng)參數(shù)理想的EMI濾波器元器件均采用純電容純電感并沒(méi)有考慮其高頻寄生參數(shù),而實(shí)際使用的集總參數(shù)元件存在高頻寄生參數(shù),這里給出兩種情況下濾波器插入損耗曲線對(duì)比,假設(shè)負(fù)載為純阻性,如圖11所示。當(dāng)f>3.1MHz后,由于寄生參數(shù)的影響,插入損耗曲線偏離理想插損曲線,但整體插損依然很高,如圖11所示。在頻率高達(dá)5GHz時(shí)依然有53.