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開關電源產生EMI原因分析及抗干擾對策


開關電源產生EMI原因分析及抗干擾對策

· 開關式穩壓電源的體積小、重量輕、效率高、穩壓范圍寬且安全可靠,在很多電子設備中被采用。但是,它像其他電路一樣同樣存在一些問題,如控制電路復雜,較高的工作頻率會對電視機、收音機等產生電磁輻射干擾使得收音機出現噪聲、電視機出現噪波點,甚至還會通過反饋干擾其他電子設備的正常工作。

1.超音頻振蕩的干擾問題

開關式穩壓電源的工作頻率多為20-100kHz,屬于超音頻范圍。作為該電源的開關調整器件晶體管或場效應晶體管以相應的頻率工作在導通與截止狀態,振蕩波形近似于方波(還存在過沖),根據傅里葉分析法可以進行分解,即得到直流分量、基波和高次諧波,基波的能量*大,其次是三次、五次、七次……等等。

2.無線電廣播與電磁干擾的關系

眾所周知,無線電廣播是利用調制的方法來傳播信息的。音頻信號對高頻載被采用幅度調制(AM)和頻率調制(FM)的方法,然后通過發射天線將調制波以電磁披的形式輻射出去,無線電接收設備是通過接收天線將它們接收下來s再經選頻、變頻、放大和解調,還原成為音頻信號,*后通過低頻功放,由揚聲器放出聲音。如果只有高頻載波而無音頻范圍的調制信號,那么它的能量再大,無線電接收設備也不會通過揚聲器還原出任何聲音信息的。由此可以想到,僅僅是超音頻方披干擾的存在(超音頻振蕩的下限頻率為15k!氈,已在人耳的可聽范圍之外),產生的高次諧波也不會成為我們通過收音機昕到音頻范圍的干擾信號,而實際上這種干擾有時卻是很嚴重的,可能在整個中波、短波范圍都出現強烈的噪聲,那么干擾來自哪里呢?開關式穩壓電源存在著音頻范圍的干擾信號,并且調制了超音頻振蕩的各次諧波,以類似于無線電廣播的方式干擾收音機等設備,是干擾的重要來源。

3.直接整流電容濾波電路的特點

采用直接對交流電源進行整流濾波方式的高頻開關式穩壓電源,交流輸入電壓為220V50Hz,一般采用橋式整流電路,然后經電解電容器濾波,變成100Hz的鋸齒形脈動直流電壓,提供給該開關式穩壓電源。

由圖中可以看到,交流供電電源的作用是每Wms向電解電容器充電一次,以補充開關電路消耗的能量,從電壓的波形上來看為鋸齒形,但是從電流的波形上來看卻是脈沖形的,它們都是非正弦周期量,包含有豐富的諧波,并且絕大部分在音頻范圍(20-20000Hz),其中l00Hz的成分很可能是產生音頻干擾的重要來源。

同樣,根據傅里葉分析法,這個非正弦周期函數可以分解成為基波和高次諧波,其能量主要集中在基波附近,高次諧波的能量很少。由于它的峰峰值較小(僅僅為幾伏到幾卡伏),如果能夠通過某些電路元件(LC網絡等)以電磁波的形式發射出去,對收音機等元線電接收設備的干擾是比較小的。以中波波段(531-1611kHz)中的1000kHz頻率為例,1∞Hz脈沖形電流中的1kHz諧波才與之諧振,該頻率上的能量幾乎為零,除非將收音機緊貼其放置,否則不可能出現干擾。但是實際上許多收音機在距離該開關式穩壓電源較遠的位置仍然可以出現干擾,原因是什么呢?可以通過下面的分析得出結論。

用低頻信號去調制高頻載波的幅度,使高頻載波的整體包絡線與低頻信號的變化規律相同,這就是調幅,相應的已調波就是調幅波。如果低頻信號是單一頻率的正弦波,高頻載波也是單一頻率的正弦波,兩者通過調制作用得到調幅波,根據幅度調制原理,低頻信號的幅度與高頻載波信號的幅度比小于1:3的情況下,載波的包絡線基本與低頻信號類似。如果低頻信號是多個頻率,則調幅波的頻譜即為載波和上下兩個邊頻帶。開關式穩壓電源的低頻脈沖幅度較小而高頻開關脈沖的幅度較大,在開關式穩壓電源內部這種調幅作用必然會發生,因此該電源所產生的電磁輻射就是調幅干擾波,由于兩者都包含豐富的基波和諧波。交叉調制的結果使得干擾遍布在超音頻以上很寬的頻率范圍內,所以會在中、短波范圍內昕到強烈的干擾聲音,而且這種干擾幾乎遍布整個波段。

· 為了進一步驗證前述問題的存在,用一臺直流穩壓電源代替交流電源,直接向開關電源供電,測試的結果正如事先預料的一樣,即由于不存在100Hz的充電脈沖,不論把收音機放在哪都昕不到由收音機發出的噪聲。

根據以上的試驗可以得到如下的結論:開關電源對于元線電廣播的干擾主要來自于100Hz低頻充電脈沖及其諧波調制高頻方波形成復雜的調幅波。由于高頻開關方波的強度大,不易抑制,故不應一昧地加強高頻濾波電容器的容量。

由此聯想到熒光燈電子鎮流器污染電磁環境的問題,對于熒光燈電子鎮流器也做了相應的試驗,雖然熒光燈可以被點亮,但是隨之而來的問題是在該熒光燈下幾乎無法用收音機收昕廣播,電臺信號被淹沒在噪聲之中,又由于該電子鎮流器的負載是暴露在空間且尺寸較大的熒光燈,因此由它所輻射的干擾電磁波強度很大,噪聲很嚴重。

4.抗干擾措施

綜上所述,開關式穩壓電源的電磁輻射干擾主要來自低頻100Hz充電脈沖及其諧波對超音頻振蕩方波及其諧波的幅度調制,減弱的辦法主要有以下幾種:

(1)采用適當容量的濾波電解電容器。主要應該從抗干擾及性能價格比兩個方面來考慮。

(2)在可能的情況下,采用適當的方法,減少超音頻振蕩方波波形的過沖和振蕩。這樣做的目的主要是減小超音頻振蕩的高次諧波能量,從而可以降低無線電干擾的程度。

(3)采用比較完善的歷濾波網絡,削弱開關式穩壓電源向交流市電回輸的干擾。該濾波網絡的形式有很多,可以根據具體的電源和負載來綜合考慮選擇電路形式。

(4)合理地設計印制電路板,采用大面積接地措施,同時加強屏蔽。這樣可以有效地減少分布電容引起的電磁輻射強度,同樣也能較好地提高該電源的可靠程度。

 

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