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开关电源EMI的特点 开关电源隔离驱动变压器设计

时间:2017-03-10 19:46来源:未知 作者:admin 点击:
开关电源EMI的特点-开关电源隔离驱动变压器设计
作为工作于开关状态的能量转换装置,开关电源的电压、电流变化率很高,产生的干扰强度较大;干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器,相对于数字电路干扰源的位置较为清楚;开关频率不高(从几十千赫和数兆赫兹),主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰;而印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布线,具有更大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。
EMI测试技术
目前诊断差模共模干扰的三种方法:射频电流探头、差模抑制网络、噪声分离网络。用射频电流探头是测量差模 共模干扰最简单的方法,但测量结果与标准限值比较要经过较复杂的换算。差模抑制网络结构比较简单,测量结果可直接与标准限值比较,但只能测量共模干扰。噪声分离网络是最理想的方法,但其关键部件变压器的制造要求很高。
目前抑制干扰的几种措施
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耦合和辐射,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,减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耦合通道,它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。
采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。例如,功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗,为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘,这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容,开关电源的底板是交流电源的地线,因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰,解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片,并把屏蔽片接到直流地上,割断了射频干扰向输入电网传播的途径。为了抑制开关电源产生的辐射,电磁干扰对其他电子设备的影响,可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩,然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体,就能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如,静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰;电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地,但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应,所以仍以接地为好,这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连,可为信号回路提供稳定的参考电位。因此,系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后,最终都与大地相连。
在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则,如果形成多点接地,会出现闭合的接地环路,当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声,实际上很难实现“一点接地”。因此,为降低接地阻抗,消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地,利用一个导电平面(底板或多层印制板电路的导电平面层等)作为参考地,需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降,可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中,应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后,再连接到公共参考点上。
滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如,在电源输入端接上滤波器,可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰,也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中,还采用很多专用的滤波元件,如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环,它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器,并正确地安装和使用滤波器,是抗干扰技术的重要组成部分。

开关电源隔离驱动变压器设计

因为电子设备的电路变得更为复杂,故要求成熟的电气工程设计参数具有更加临界的数值。在设计电路的每一个阶段,精确的工程计算是基本的要求。同时,在其零部件设计时,这一点也是同样重要的。所以,必须精心地设计开关电源(SMPS)中门脉冲驱动变压器的每一个零部件。
  门脉冲驱动变压器在开关电源中被要求用来控制电路之间的同步动作。这些器件用来为开头电源半导件元器件如高压功率MOSFETs或IGBTs提供电脉冲。这种变压器也用作电压隔离和阻抗匹配。门脉冲驱动变压器是用来驱动电子开关器件门电路的基本脉冲变压器。设计这类变压器时,是假定其脉冲的上升、下降和上冲时间都是最佳的值。使用中要辨别它们是门脉冲驱动变压器还是其它变压器。
  在基础门脉冲驱动变压器设计中,存在一系列设计变数,其中的每个变数由其专项应用决定。它们的一些通用简图及其相应的转换关系见图1所示。
  

  典型的门脉冲驱动变压器是用铁氧体磁心设计制造的,这样可以降低成本。常用磁心的外形大多数是EE、EER、ETD型。它们都是由“E”型磁心和相应的骨架组成。这些骨架可以采用表面安装法或通孔安装法装配。在有些情况下,也采用环形磁心设计制作门脉冲驱动变压器。典型的脉冲变压器设计所要求的参数列于表1。

 
  如果有安全标准(如UL、VDE、CUL、IEC或TUV)的要求,那么,在变压器设计中必定会涉及可靠的漏电流及其清除方法问题。对于漏电流及其清除方法要求的文件资料,必须从安全工作办事处取得。
  如果设计的变压器是为jun事目的所应用,那么,选用的制作材料可不必依从RoHS指令,磁性器件设计工程师需要了解RoHS指令,因为RoHS指令限制若干种材料在变压器设计制造中被采用,这将影响变压器的一些重要性能。

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