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开关电源电磁干扰与出现电感啸叫声的解决方法

2017-08-18 来源:安规与电磁兼容网 浏览次数:32
导读:开关电源(英文:Switching Power Supply),又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源是利用现代电力电子技

开关电源(英文:Switching Power Supply),又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新。目前,开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

开关电源电磁干扰的解决
  开关电源存在着共模干扰和差模干扰两种电磁干扰形式。根据分析的电磁干扰源, 结合它们的耦合途径, 可以从EMI 滤波器、吸收电路、接地和屏蔽等几个方面来抑制干扰, 把电磁干扰衰减到允许限度之内。

1.交流输入EMI 滤波器

滤波是一种抑制传导干扰的方法, 在电源输入端接上滤波器可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害, 也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元, 在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。电源进线端通常采用如图1 所示的EMI 滤波器电路。该电路可以有效地抑制交流电源输入端的低频差模骚扰和高频段共模骚扰。在电路中, 跨接在电源两端的差模电容Cx1、Cx2 ( 亦称X 电容) 用于滤除差模干扰信号, 一般采用陶瓷电容器或聚脂薄膜电容器, 电容值通常取0.1~ 0. 47F。而中间连线接地的共模电容Cy1和Cy2 ( 亦称Y 电容) 则用来短路共模噪声电流, 取值范围通常为C1=C2 # 2 200 pF。抑制电感L1、L2 通常取100~ 130H, 共模扼流圈L 是由两股等同并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成, 通常要求其电感量L#15~ 25 mH。当负载电流渡过共模扼流圈时, 串联在火线上的线圈所产生的磁力线和串联在零线上线圈所产生的磁力线方向相反, 它们在磁芯中相互抵消。因此, 即使在大负载电流的情况下, 磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流, 两个线圈产生的磁场是同方向的, 会呈现较大电感, 从而起到衰减共模干扰信号的作用。

图1 EMI滤波器

2.利用吸收电路

开关电源产生EMI 的主要原因是电压和电流的急剧变化, 因而需要尽可能地降低电路中电压和电流的变化率( du/ dt 和di/ dt ) 。采取吸收电路能够抑制EMI, 其基本原理就是在开关关断时为其提供旁路, 吸收积蓄在寄生分布参数中的能量, 从而抑制干扰的发生。可以在开关管两端并联如图2( a) 所示的RC 吸收电路, 开关管或二极管在开通和关断过程中, 管中产生的反向尖峰电流和尖峰电压, 可以通过缓冲的方法予以克服。缓冲吸收电路可以减少尖峰电压的幅度和减少电压波形的变化率, 这对于半导体器件使用的安全性非常有好处。与此同时, 缓冲吸收电路还降低了射频辐射的频谱成份, 有益于降低射频辐射的能量。箝位电路主要用来防止半导体器件和电容器被击穿的危险。兼顾箝位电路保护作用和开关电源的效率要求,TVS 管的击穿电压选择为初级绕组感应电压的1. 5倍。当TVS 上的电压超过一定幅度时, 器件迅速导通, 从而将浪涌能量泄放掉, 并将浪涌电压的幅值限制在一定的幅度。在开关管漏极和输出二极管的正极引线上可串联带可饱和磁芯线圈或微晶磁珠, 材质一般为钴, 当通过正常电流时磁芯饱和, 电感量非常小。一旦电流要反向流过时, 它将产生非常大的反电势, 这样就能有效地抑制二极管的反向浪涌电流。

图2 吸收电路

3.屏蔽措施

抑制辐射噪声的有效方法就是屏蔽。可以用导电性能良好的材料对电场进行屏蔽, 用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。为了防止变压器的磁场泄漏, 使变压器初次级耦合良好, 可以利用闭合磁环形成磁屏蔽,如罐型磁芯的漏磁通就明显比E 型的小很多。开关电源的连接线, 电源线都应该使用具有屏蔽层的导线,尽量防止外部干扰耦合到电路中。或者使用磁珠、磁环等EMC 元件, 滤除电源及信号线的高频干扰。但是, 要注意信号频率不能受到EMC 元件的干扰, 也就是信号频率要在滤波器的通带之内。整个开关电源的外壳也需要有良好的屏蔽特性, 接缝处要符合EMC规定的屏蔽要求。通过上述措施保证开关电源既不受外部电磁环境的干扰也不会对外部电子设备产生干扰。

4.变压器的绕制

在设计高频变压器时必须把漏感减到最小。因为漏感越大, 产生的尖峰电压幅值越高, 漏极箝位电路的损耗就越大, 这必然导致电源效率降低。减小变压器的漏感通常采用减少原边绕组的匝数、增大绕组的宽度、减小各绕组之间的绝缘层等措施。

变压器主要的寄生参数为漏感、绕组间电容、交叉耦合电容。变压器绕组间的交叉耦合电容为共模噪声流过整个系统提供了通路。

在变压器的绕制过程中采用法拉第屏蔽来减小交叉耦合电容。法拉第屏蔽简单来说就是用铜箔或铝箔包绕在原边绕组和副边绕组之间, 形成一个表面屏蔽层隔离区, 并接地, 其中原边绕组和副边绕组交错绕制, 以减小交叉耦合电容。在安装规程上一般要求散热器接地, 那么开关管漏极与散热器之间的寄生电容就为共模噪声提供了通路, 可以在漏极和散热器之间加一铜箔或铝箔并接地以减小此寄生电容。

5.接地技术的应用

开关电源需要重视地线的连接, 地线承担着参考电平的重任, 特别是控制电路的参考地, 如电流检测电阻的地电平和无隔离输出的分压电阻的地电平。

( 1) 设备的信号接地。设备的信号接地, 可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点,它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。如浮地和混合接地, 另外还有单点接地和多点接地。

( 2) 设备接大地。在工程实践中, 除认真考虑设备内部的信号接地外, 通常还将设备的信号地, 机壳与大地连在一起, 以大地作为设备的接地参考点。

控制信号的地电平衰减应尽可能的小, 因此, 采用控制部分一点接地, 然后将公共连接点再单点接至功率地。这种接地方式可以使噪声源和敏感电路分离。另外, 地线尽量铺宽, 对空白区域可敷铜填满, 力求降低地电平误差和EMI。

在装置中尽量采用表面贴装元器件, 使组装密度更高, 体积更小, 重量更轻, 可靠性更高, 高频特性好,减小电磁和射频干扰。

6.PCB 元件布局及走线

PCB 中带状线、电线、电缆间的串间是印刷电路板线路中存在最难克服的问题之一[ 7] 。开关电源的辐射骚扰与电流通路中的电流大小、通路的环路面积、以及电流频率的平方的乘积成正比, 因此PCB 的布局设计将直接关系到整机电磁兼容性能。在设计开关电源印制电路板时, 必须从布局及走线的优化设计着手。

( 1) 印制板布线地通常要符合以下原则

1)、 输入、输出端用的导线应尽量避免相邻平等。最好加线间地线, 以免发生反馈耦合;

2)、 印制板导线尽量采用宽线, 尤其是电源线和地线;

3)、 印制导线拐弯处一般采取圆弧形;

4)、专用零伏线、电源线的走线宽度(1 mm, 电源线和地线尽可能靠近等。

( 2) 元器件布局时通常要符合以下原则

1)、按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置, 使布局便于信号流通, 并使信号尽可能保持一致的方向。

2)、 以每个功能电路的核心元件为中心, 围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上, 尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

3)、 在高频下工作的电路, 要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平等排列。

4)、位于电路板边缘的元器件, 离电路板边缘的距离一般不小于2 mm。

开关电源出现电感啸叫声音的解决
  凡是做过开发工作的人员都有这样的经历,测试开关电源或在实验中有听到类似产品打高压不良的漏电声响或高压拉弧的声音不请自来:其声响或大或小,或时有时无;其韵律或深沉或刺耳,或变化无常者皆有。

1、变压器(Transformer)浸漆不良:包括未含浸凡立水(Varnish)。啸叫并引起波形有尖刺,但一般带载能力正常,特别说明:输出功率越大者啸叫越甚之,小功率者则表现不一定明显。一款72W的充电器产品中就有过带载不良的经验,并在此产品中发现对磁芯的材质有着严格的要求。(此款产品客户要求较为严格)补充一点,当变压器的设计欠佳也有可能工作时振动产生异响。

2、 PWM IC接地走线失误:通常产品表现为会有部分能正常工作,但有部分产品却无法带载并有可能无法起振的故障,特别是应用某些低功耗IC时,更有可能无法正常工作。

3、光耦(Opto Coupler)工作电流点走线失误:当光耦的工作电流电阻的位置连接在次级滤波电容之前时也会有啸叫的可能,特别是当带载越多时更甚。

4、基准稳压(Regulator)IC TL431的接地线失误:同样的次级的基准稳压IC的接地和初级IC的接地一样有着类似的要求,那就是都不能直接和变压器的冷地热地相连接。如果连在一起的后果就是带载能力下降并且啸叫声和输出功率的大小呈正比。

当输出负载较大,接近电源功率极限时,开关变压器可能会进入一种不稳定状态:前一周期开关管占空比过大,导通时间过长,通过高频变压器传输了过多的能量;直流整流的储能电感本周期内能量未充分释放,经PWM判断在下一个周期内没有产生令开关管导通的驱动信号或占空比过小;开关管在之后的整个周期内为截止状态,或者导通时间过短;储能电感经过多于一整个周期的能量释放,输出电压下降,开关管下一个周期内的占空比又会大……如此周而复始,使变压器发生较低频率(有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率)的振动,发出人耳可以听到的较低频率的声音。同时,输出电压波动也会较正常工作增大。

当单位时间内间歇性全截止周期数量达到总周期数的一个可观比例时,甚至会令原本工作在超声频段的变压器振动频率降低,进入人耳可闻的频率范围,发出尖锐的高频“啸叫”。此时的开关变压器工作在严重的超载状态,时刻都有烧毁的可能——这就是许多电源烧毁前“惨叫”的由来,相信有些用户曾经有过类似的经历。

5、空载

或者负载很轻时开关管也有可能出现间歇性的全截止周期,开关变压器同样工作在超载状态,同样非常危险。针对此问题,可通过在输出端预置假负载的方法解决,但在一些“节省”的或大功率电源中仍偶有发生。当不带载或者负载太轻时,变压器在工作时所产生的反电势不能很好的被吸收。这样变压器就会耦合很多杂波信号到你的1.2绕组。

这个杂波信号包括了许多不同频谱的交流分量。其中也有许多低频波,当低频波与你变压器的固有振荡频率一致时,那么电路就会形成低频自激。变压器的磁芯不会发出声音。我们知道,人的听觉范围是20--20KHZ。所以我们在设计电路时,一般都加上选频回路。以滤除低频成份。从你的原理图来看,你最好是在反馈回路上加一个带通电路,以防止低频自激。或者是将你的开关电源做成固定频率的即可。

6、大功率开关电源短路啸叫

相信大家遇到过这种情况,开关电源在满载后突然将电源短路测试,有时候会听到电源有啸叫的情况;或者是在设置电流保护时,当电流调试到某一段位,会有啸叫,其啸叫的声音抑扬顿挫,甚是烦人,究其原因主要为以下:

当输出负载较大,接近电源功率极限时,开关变压器可能会进入一种不稳定状态:前一周期开关管占空比过大,导通时间过长,通过高频变压器传输了过多的能量;直流整流的储能电感本周期内能量未充分释放,经PWM判断,在下一个周期内没有产生令开关管导通的驱动信号或占空比过小;开关管在之后的整个周期内为截止状态,或者导通时间过短;储能电感经过多于一整个周期的能量释放,输出电压下降,开关管下一个周期内的占空比又会大……

如此周而复始,使变压器发生较低频率(有规律的间歇性全截止周期或占空比剧烈变化的频率)的振动,发出人耳可以听到的较低频率的声音。 同时,输出电压波动也会较正常工作增大。当单位时间内间歇性全截止周期数量达到总周期数的一个可观比例时,甚至会令原本工作在超声频段的变压器振动频率降低,进入人耳可闻 的频率范围,发出尖锐的高频“哨叫”。此时的开关变压器工作在严重的超载状态,时刻都有烧毁的可能——这就是许多电源烧毁前“惨叫”的由来,相信有些用户曾经有过类似的经历。 空载,或者负载很轻时开关管也有可能出现间歇性的全截止周期,开关变压器同样工作在超载状态,同样非常危险。

针对此问题,可通过在输出端预置假负载的方法解决,但在一些“节省”的或大功率电源中仍偶有发生。当不带载或者负载太轻时,变压器在工作时所产生的反电势不能很好的被吸收。这样变压器就会耦合很多杂波信号到你的1.2绕组。

这个杂波信号包括了许多不同频谱的交流分量。其中也有许多低频波,当低频波与你变压器的固有振荡频率一致时,那么电路就会形成低频自激。变压器的磁芯不会发出声音。我们知道,人的听觉范围是20--20KHZ.所以我们在设计电路时,一般都加上选频回路。以滤除低频成份。从你的原理图来看,你最好是在反馈回路上加一个带通电路,以防止低频自激。或者是将你的开关电源做成固定频率的即可。

实例

我们现在就来分析下此电路关键器件对性能参数的影响,限流电阻R=R110//R111//R112//R113//R114。

该电阻的作用是检测输出电流,当输出电流超过阀值时,将关闭输出电流。根据负载瞬态最大电流的要求来调整限流电阻的取值,使最大输出电流不小于瞬态最大电流。

R115,R116调整输出电压Vo=1.25*(1+R116/R115)。

C112为内部震荡电路的频率调整电容,电容变小,则频率升高,一般情况,输出方波频率等于该震荡频率。频率越高输出纹波越小。

L110电感量越大,则输出纹波越小,纹波的大小还会影响到输出电压调整的灵敏度,纹波越小,灵敏度越高,输出电压越稳定。但是芯片的SE脚将出现杂乱的窄脉冲开关电流波形,L110电感容易啸叫。纹波越大,输出灵敏度越低,输出电压稳定度降低,SE脚出现开关电流频率较稳定,L110电感不会啸叫。

C115的ESR越小,则允许流经电容的纹波电流越大,保证电容使用寿命的同时,纹波电压也越小。同样电容的容量越大,纹波电压也越小。

R117为反馈电阻,把输出方波叠加在锯齿波上,可以降低电压调整灵敏度,稳定输出方波电流,避免电感啸叫。

稳压电源电路输出的开关电流的频率接近或落入音频范围,或周期性方波群的周期频率接近或落入音频范围。周期性电流经过电感线圈,产生交变磁场,该电感线圈在交变磁场作用下产生振动而发出声音。

34063的输出稳压是以PWM方式实现的,芯片的最大占空比的限制以及输出电压,决定了最低输入电压,而芯片的耐压决定了最高输入电压,在电压调整灵敏度适当的情况下,输入电压变高,则输出方波脉宽变窄,即占空比变小,当输入电压高到某个数值时,占空比无法再小,为了继续稳压,不同的芯片有不同的处理方式,有的降低频率,有的则周期性的丢弃一些脉冲。

周期性丢弃的脉冲群如果周期频率接近或落入音频范围,就会发生电感啸叫的情况,而如果降频处理后的开关电流的频率接近或落入音频范围,也会引起电感的啸叫。

解决方法

提高输出开关电流的频率。

当“输入输出比”较大时,对于会周期性丢弃脉冲的芯片来讲,可调整如上图所示C112,降低频率,来获取更大的占空比调整范围,避免出现周期性的方波群落入音频的范围,从而避免电感的啸叫。

调整R117反馈电阻,即改变电压调整灵敏度,避免开关电流频率出现接近或落入音频周期范围内的周期性方波群。从而避免电感的啸叫。

添加C111电容,降低电压调整灵敏度,避免开关电流频率出现接近或落入音频周期范围内的周期性方波群。从而避免电感的啸叫。

在纹波允许范围内,适当加大纹波幅度,必要的话多加一级滤波。

L110 电感改善工艺,减小振动啸叫,如要求供应商增加浸漆工序等。

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