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高频开关变换器中EMI产生的机理及其抑制方法

   2010-04-25 1550

  开关管(比如MOSFET )在开通关断时,也会造成很强的电磁干扰。由于变压器初级线圈漏感,电路寄生电感的存在,致使一部分能量没有从一次侧传输到二次侧,漏感中储存能量,关断瞬间电流发生突变,di/dt非常高,产生反电动势。由电磁场理论可知:E=-Ldi/dt。

  其值与电流的变化成正比,与电感成正比。因此漏感会产生非常高的反电动势叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰,产生传导性电磁干扰。漏感与开关管之间的寄生电容还会发生震荡,影响电路中的电磁环境,产生噪声。开关管开通时,寄生电容瞬间放电,产生尖峰电流,初级线圈也会造成浪涌电流的产生,影响电磁环境。

  2.3  输出整流二极管反向恢复造成的电磁噪声

  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电流,反向恢复电流脉冲的幅度、脉冲宽度和形状与二极管本身的特性及电路参数有关,而且恢复到零点的时间与结电容等因素有关。高频整流二极管由于反向恢复电流脉冲的幅度和di/dt都很大,它们在引线电感和与其相连接的电路中都会产生很高的感应电压,从而造成很强宽频的瞬态电磁噪声。二极管反向恢复过程电压、电流波形如图4所示。

  在高频开关电源、高频DC/DC谐振变换器以及功率因数校正电路等重复开关频率较高的变流器电路中,都要用到快恢复二极管。它们的反向恢复时间通常在纳秒量级,因此通过引线电感造成的瞬态电磁噪声是不可忽视的。特别是在反激式开关电源中,二极管反向恢复电流尖峰还有可能从次级传到初级,在开关开通时,形成一个电流尖峰,不仅容易烧毁开关管,还造成电磁噪声。

  3  开关电源电磁干扰(EMI)的抑制措施

  形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而,抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源,直接消除干扰原因;其次是消除干扰源和受扰设备之间的藕合和辐射,切断电磁干扰的传播途径;第三是提高受扰设备的抗扰能力,降低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的藕合通道,常用的方法是屏蔽、接地和滤波。在实践中证明这些都是行之有效的方法。本文通过介绍一种可行性技术从电路上改进,直接控制干扰源。

  软开关技术的应用大大提高了电源的效率,在节能方面做出了巨大的贡献。但在一些电路拓扑结构中,软开关技术的应用还大大降低了电磁干扰,准谐振反激式变换器就是最好的一个实例,电路结构如图5所示。

  相对于一般的反激式变换器,准谐振只在原来电路基础上加了一个无源器件电容器,不会在电路中产生多余的电磁噪声。通过改变控制方式,利用变压器初级电感与电容器之间发生谐振,在开关管电压波形出现波谷处开通;关断时利用电容器进行缓冲,可以大大降低开关管上的关断电压尖峰和开通电流尖峰,从而降低电磁干扰。利用安森美的NCP1207制作的准谐振反激式开关电源,其开关管上的电压波形如图6所示:

  从图中可以看出开关管在开通时,电压非常低,有利于降低电流尖峰,关断时,电压尖峰小,从而电磁干扰降低。

  4  结论

  随着开关电源的不断高频化,其电磁干扰问题越发显得重要。在开发和设计开关电源中,如何有效抑制开关电源的电磁干扰,同时提高开关电源本身对电磁干扰的抗干扰能力(即EMI)是一个重要课题。因此,抑制开关电源电磁干扰还有大量的工作要做,需要全体工程技术人员不懈的努力。
 

 
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