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开关电源产生EMI原因分析及抗干扰对策


开关电源产生EMI原因分析及抗干扰对策

· 开关式稳压电源的体积小、重量轻、效率高、稳压范围宽且安全可靠,在很多电子设备中被采用。但是,它像其他电路一样同样存在一些问题,如控制电路复杂,较高的工作频率会对电视机、收音机等产生电磁辐射干扰使得收音机出现噪声、电视机出现噪波点,甚至还会通过反馈干扰其他电子设备的正常工作。

1.超音频振荡的干扰问题

开关式稳压电源的工作频率多为20-100kHz,属于超音频范围。作为该电源的开关调整器件晶体管或场效应晶体管以相应的频率工作在导通与截止状态,振荡波形近似于方波(还存在过冲),根据傅里叶分析法可以进行分解,即得到直流分量、基波和高次谐波,基波的能量最大,其次是三次、五次、七次……等等。

2.无线电广播与电磁干扰的关系

众所周知,无线电广播是利用调制的方法来传播信息的。音频信号对高频载被采用幅度调制(AM)和频率调制(FM)的方法,然后通过发射天线将调制波以电磁披的形式辐射出去,无线电接收设备是通过接收天线将它们接收下来s再经选频、变频、放大和解调,还原成为音频信号,最后通过低频功放,由扬声器放出声音。如果只有高频载波而无音频范围的调制信号,那么它的能量再大,无线电接收设备也不会通过扬声器还原出任何声音信息的。由此可以想到,仅仅是超音频方披干扰的存在(超音频振荡的下限频率为15k!毡,已在人耳的可听范围之外),产生的高次谐波也不会成为我们通过收音机昕到音频范围的干扰信号,而实际上这种干扰有时却是很严重的,可能在整个中波、短波范围都出现强烈的噪声,那么干扰来自哪里呢?开关式稳压电源存在着音频范围的干扰信号,并且调制了超音频振荡的各次谐波,以类似于无线电广播的方式干扰收音机等设备,是干扰的重要来源。

3.直接整流电容滤波电路的特点

采用直接对交流电源进行整流滤波方式的高频开关式稳压电源,交流输入电压为220V50Hz,一般采用桥式整流电路,然后经电解电容器滤波,变成100Hz的锯齿形脉动直流电压,提供给该开关式稳压电源。

由图中可以看到,交流供电电源的作用是每Wms向电解电容器充电一次,以补充开关电路消耗的能量,从电压的波形上来看为锯齿形,但是从电流的波形上来看却是脉冲形的,它们都是非正弦周期量,包含有丰富的谐波,并且绝大部分在音频范围(20-20000Hz),其中l00Hz的成分很可能是产生音频干扰的重要来源。

同样,根据傅里叶分析法,这个非正弦周期函数可以分解成为基波和高次谐波,其能量主要集中在基波附近,高次谐波的能量很少。由于它的峰峰值较小(仅仅为几伏到几卡伏),如果能够通过某些电路元件(LC网络等)以电磁波的形式发射出去,对收音机等元线电接收设备的干扰是比较小的。以中波波段(531-1611kHz)中的1000kHz频率为例,1∞Hz脉冲形电流中的1kHz谐波才与之谐振,该频率上的能量几乎为零,除非将收音机紧贴其放置,否则不可能出现干扰。但是实际上许多收音机在距离该开关式稳压电源较远的位置仍然可以出现干扰,原因是什么呢?可以通过下面的分析得出结论。

用低频信号去调制高频载波的幅度,使高频载波的整体包络线与低频信号的变化规律相同,这就是调幅,相应的已调波就是调幅波。如果低频信号是单一频率的正弦波,高频载波也是单一频率的正弦波,两者通过调制作用得到调幅波,根据幅度调制原理,低频信号的幅度与高频载波信号的幅度比小于1:3的情况下,载波的包络线基本与低频信号类似。如果低频信号是多个频率,则调幅波的频谱即为载波和上下两个边频带。开关式稳压电源的低频脉冲幅度较小而高频开关脉冲的幅度较大,在开关式稳压电源内部这种调幅作用必然会发生,因此该电源所产生的电磁辐射就是调幅干扰波,由于两者都包含丰富的基波和谐波。交叉调制的结果使得干扰遍布在超音频以上很宽的频率范围内,所以会在中、短波范围内昕到强烈的干扰声音,而且这种干扰几乎遍布整个波段。

· 为了进一步验证前述问题的存在,用一台直流稳压电源代替交流电源,直接向开关电源供电,测试的结果正如事先预料的一样,即由于不存在100Hz的充电脉冲,不论把收音机放在哪都昕不到由收音机发出的噪声。

根据以上的试验可以得到如下的结论:开关电源对于元线电广播的干扰主要来自于100Hz低频充电脉冲及其谐波调制高频方波形成复杂的调幅波。由于高频开关方波的强度大,不易抑制,故不应一昧地加强高频滤波电容器的容量。

由此联想到荧光灯电子镇流器污染电磁环境的问题,对于荧光灯电子镇流器也做了相应的试验,虽然荧光灯可以被点亮,但是随之而来的问题是在该荧光灯下几乎无法用收音机收昕广播,电台信号被淹没在噪声之中,又由于该电子镇流器的负载是暴露在空间且尺寸较大的荧光灯,因此由它所辐射的干扰电磁波强度很大,噪声很严重。

4.抗干扰措施

综上所述,开关式稳压电源的电磁辐射干扰主要来自低频100Hz充电脉冲及其谐波对超音频振荡方波及其谐波的幅度调制,减弱的办法主要有以下几种:

(1)采用适当容量的滤波电解电容器。主要应该从抗干扰及性能价格比两个方面来考虑。

(2)在可能的情况下,采用适当的方法,减少超音频振荡方波波形的过冲和振荡。这样做的目的主要是减小超音频振荡的高次谐波能量,从而可以降低无线电干扰的程度。

(3)采用比较完善的历滤波网络,削弱开关式稳压电源向交流市电回输的干扰。该滤波网络的形式有很多,可以根据具体的电源和负载来综合考虑选择电路形式。

(4)合理地设计印制电路板,采用大面积接地措施,同时加强屏蔽。这样可以有效地减少分布电容引起的电磁辐射强度,同样也能较好地提高该电源的可靠程度。

 

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