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針對電源的電磁干擾分析及其抑制

發(fā)布時間:2012-04-10

中心議題:

  • 高次諧波的抑制
  • 扼流圈L11與C11組成低通濾波器
  • 緩沖電路的分析
  • 如何進行光電隔離

解決方案:

  • 選用TOPSwicth系列的TOP223Y芯片 
  • 共模和差模濾波器方案


引言 
      

功率開關器件的高額開關動作是導致開關電源產生電磁干擾(EMI)的主要原因。開關頻率的提高一方面減小了電源的體積和重量,另一方面也導致了更為嚴重的EMI問題。如何減小產品的EMI,使其順利通過FCC或IEC1000等EMC標準論證測試,已成為目前急須解決的問題。圖11 EMI分析  

具體電路如圖1所示?! ?/p>

輸入為交流220V,經功率二極管整流橋變?yōu)橹绷髯鳛榉醇ぷ儞Q器的輸入,輸出為三組直流:+5V,15V,12V,另外有一輔助電源5V,用來給光耦PC817供電??刂齐娐酚梅答伩刂疲x用TOPSwicth系列的TOP223Y芯片。 

開關電源工作時,其內部的電壓和電流波形都是在非常短的時間內上升和下降的,因此,開關電源本身是一個噪聲發(fā)生源。開關電源的干擾按噪聲源種類分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。使電源產生的干擾不至于對電子系統(tǒng)和電網造成危害的根本辦法是削弱噪聲發(fā)生源,或者切斷電源噪聲和電子系統(tǒng)、電網之間的耦合途徑。  

本電路中,交流輸入電壓Ui經功率二極管整流橋變?yōu)檎颐}動電壓,經電容C12平滑后變?yōu)橹绷?,但電容電流的波形不是正弦波而是脈沖波。如圖2所示。  

由圖2中電流波形可知,電流中含有高次諧波。大量電流諧波分量流入電網,造成對電網的諧波污染。另外,由于電流是脈沖波,使電源輸入功率因數降低。

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2.1 高次諧波的抑制  

在電路中采用共模扼流圈L11來抑制高次諧波?! ?br />
對開關電源二根進線而言,存在共模干擾和差模干擾,如圖3(a)及圖3(b)所示?! ?/p>

在差模干擾信號作用下,干擾源產生的電流i,在磁芯中產生方向相反的磁通Φ,磁芯中等于沒有磁通,線圈電感幾乎為零。因此不能抑制差模干擾信號。   

在共模干擾信號作用下,兩線圈產生的磁通方向相同,有相互加強的作用,每一線圈電感值為單獨存在時的兩倍。因此,這種接法的電磁線圈對共模干擾有很強的抑制作用?! ?br />
電路中在電網與整流橋之間插入一共模扼流圈,該扼流圈對電網頻率的差模網側電流呈現極低的阻抗,因而對電網的壓降極低;而對電源產生的高頻共模噪聲,等效阻抗較高,因而可以得到希望的插入損耗。    

2.2 扼流圈L11與C11組成低通濾波器   

扼流圈L11的等效電感為L,以電源端作為輸入,電網方向作為輸出,則電路圖如圖4所示?! ?br />
其傳遞函數幅值為 

如圖5所示。由此可見,以上LC網絡組成的低通濾波器,可濾除ω0=1/LC11以上的高次諧波?! ?/p>

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2.3 共模和差模濾波器方案  

本電路主要的EMI問題是電源噪聲傳入電網,將原來的共模扼流圈L11與電容C11及C12組成的濾波電路變?yōu)槿鐖D6所示電路。L1,L2,C1可除去差模干擾,L3,C2,C3可除去共模干擾。L1,L2為不易磁飽和的材料;C1可選陶瓷電容;L3為共模扼流圈;選定C=C2=C3及截止頻率fo,則可根據L3=1/〔(2πfo)2C〕計算L3;選定C1及截止頻率fo,可根據L1=L2=1/〔2(2πfo)2C1〕計算L1及L2。   


2.4 緩沖電路
  

由于開關的快速通斷,開關電流、電壓波形為脈沖形式,產生噪聲污染,增大了電源輸出紋波,影響了電源的性能。  

在電路中,輸入為交流220V,經整流后電容上的電壓約為交流有效值的1.2~1.4倍,即最大時為Ucm=220×1.4=308V。另外,變壓器副邊折合到原邊的電壓Up=Un×88/9,Un取副邊第一繞組的電壓,一般為9V左右,使穩(wěn)壓輸出為5V。則Up=88V。因此,開關關斷時所要承受的總電壓Ut=Ucm+Up=308+88=396V??梢娪斜匾獙﹂_關進行過壓保護。電路選用的TOPSwitch開關芯片,其內部有過壓保護和緩沖電路。為保險起見,還增加了外部的緩沖電路,由R和C組成。    

未加入緩沖電路和加入緩沖電路之后開關管電壓ut和管電流ic及關斷功耗pt的波形如圖7(a)及圖7(b)所示。加RC緩沖電路后,開關電壓上升速率變慢,噪聲減弱,抑制了EMI,并且開關功耗變小,使管子不致因過流過熱而損壞。緩沖電路中的R在開關開通,電容C放電時起限流作用,避免對開關管的沖擊?! ?/p>

對于開關開通時的電流沖擊,由于有變壓器原邊線圈Np的限流,在電路中沒加限流電感?! ?br />
2.5 光電隔離  

Flyback電路中使用PC817光耦對主電路和控制電路進行隔離。電源電路中,開關的控制非常重要,精度、穩(wěn)定性要求高,且控制電路對噪聲敏感,一旦有噪聲,控制電路中的控制信號就會紊亂,嚴重影響電源的工作和性能。因此,用PC817將電源中的兩部分進行隔離,這樣便防止了噪聲通過傳導的途徑傳入到控制電路中。  

3 結語  

通過EMI分析及采用相應的抑制方法,設計的開關電源具有抗電磁干擾性強,電源穩(wěn)定性高的特點。在縫紉機伺服控制系統(tǒng)中,滿足了對三菱模塊(IPM)的驅動控制,使電機運行安全可靠、穩(wěn)定。

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