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交换机电源传感器的抑制和干扰技术分析

2016-09-11 00:24:40 来源:接近开关 作者:上海定宸小编 浏览:145
[导读]: 1开关电源分析开关电源产生电磁干扰**基本的原因,是在操作期间产生的高DI/DT和高dv/DT,浪涌电流和尖峰电压形成干扰源。电力频率整流滤波的大电容充电放电,开关管的电压切换,输出的反向恢复电流整流二极管是干扰源。开关电源中的电压电流波形大多是靠近矩形的周期性波,例如开关的驱动波形,MOSFET漏源波形等。对于矩形波,循环的倒数确定波形的频率;两次脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数确定由这些边缘引起的频率分量的频率值,典型值\u200b\u200binMHz
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  1开关电源分析

  开关电源产生电磁干扰**基本的原因,是在操作期间产生的高DI / DT和高dv/DT,浪涌电流和尖峰电压形成干扰源。电力频率整流滤波的大电容充电放电,开关管的电压切换,输出的反向恢复电流整流二极管是干扰源。开关电源中的电压电流波形大多是靠近矩形的周期性波,例如开关的驱动波形,MOSFET漏源波形等。对于矩形波,循环的倒数确定波形的频率;两次脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数确定由这些边缘引起的频率分量的频率值,典型值\ u200b \ u200binMHz的范围,谐波频率较高。这些高频信号由开关电源的信号干扰,尤其是控制电路的信号。

  开关的电磁噪声电源可以分为来自噪声源的两类。一个是外部噪声,例如,通过网格差模噪声发送的共同模式和差模噪声,外部电磁辐射对开关电源控制电路等的干扰。另一个类别是由开关电源产生的电磁噪声,例如由开关和流量管的电流峰值产生的谐波和电磁辐射。

  如图1所示。如图1所示,网格的共模和差模噪声与开关电源相连,并且开关电源也为电磁干扰(图中返回)产生电磁干扰和负载。噪声,输出噪声和辐射干扰)。开关EMI/EMC在一方面设计时,必须防止切换电源在另一方面加强对网格和附近电子设备的干扰,以加强开关电源本身对电磁骚扰环境的适应性。由下面的开关电源的特定分析产生的原因和途径。

  图1开关电源噪声类型

  1.1电源线路引入的电磁噪声

  电源线噪声是由沿网格中的各种电气设备产生的电磁骚扰引起的,沿着电源线传播。 电源线噪声分为两类:共模干扰,差模干扰。 共模干扰(Common - mode Interference)定义为载流导体和参考地之间的不期望的电位差; 差模干扰(Differential - mode Interference)定义为它之间的任何两个载流导体的不需要的潜在差异。两种干扰等效电路如图2所示。CP1是变压器的主要和次级之间的分布电容,并且CP2是开关电源和散热器之间的分配电容器(即,开关管收集器和地之间的分配电容。

  (a)共模干扰

  (b)差模干扰

  图2两种干扰等效电路

  如图2(a) 所示,当开关V1从接通状态变为断开状态时,开关V1的集电极电压升高到高电压,这使得共模电流 Icm2充电 CP2 和共模电流 Icm1充电 CP1。分布式电容器的充电频率是开关 电源 的工作频率。线 中共 模式电流的总幅值是 (Icm1 +Icm2)。如图2 (B) 所示,当V1接通时,差模 电流 Idm 和信号电流IL沿着由导线、变压器初级和开关管组成的回路流动。从等效模型可以看出,共模干扰电流 不是通过接地线传输,而是通过输入 电源 线传输。同时 差模干扰电流 通过接地线和输入 电源 线环路传输。因此,在设置 电源线滤波器 时,我们应考虑到 差模干扰 和 共模干扰 之间的差异,并使用 差模 或共模滤波器元件来抑制其传输路径中的干扰,以达到**佳的滤波效果。

  1.2输入电流失真引起的噪声

  开关 电源 的输入通常是 桥式整流 和电容滤波型整流 电源。如图3所示,在没有 PFC 功能的输入级,二极管的 导通角 由于 整流二极管 的非线性和滤波电容器的储能而变小,输入电流I成为具有短时间和高峰值的周期性尖峰电流。除了 基波 分量之外,该失真电流基本上还包含丰富的高次谐波分量。这些高次谐波成分注入电网,造成严重的谐波污染,对电网上的其他电器造成干扰。为了控制开关 电源 对电网的污染,实现高功率因数,PFC 电路是必不可少的部分。

  图3未施加 PFC 电路的输入电流和电压波形

  来自1.3开关管和变压器的干扰

  主开关管是开关 电源 的核心器件,也是 干扰源。它的工作频率与电磁干扰的强度直接相关。随着开关管工作频率的增加,开关管电压和电流的开关速度增加,其传导干扰和辐射干扰也增加。此外,主开关管上的反并联箝位二极管反向恢复特性不好,或者电压尖峰吸收电路参数选择不当也会造成电磁干扰。

  在开关 电源 的操作期间,由初级滤波大电容、初级线圈 高频变压器 和开关管形成高频电流回路。这个环路产生大的辐射噪声。开关电路中的开关管的负载是 高频变压器 初级线圈,其是电感性负载。因此,当开关管打开和关闭时,尖峰噪声将出现在初级 高频变压器 的两端。较轻的会造成干扰,较重的会破坏开关管。主变压器绕组之间的分布电容和漏感也是引起电磁干扰的重要因素。

  1.4输出产生的干扰 整流二极管

  理想二极管在经受 反向电压 时关闭,没有反向电流通过。但是,当实际的二极管引导时,pn结中的电荷会累积。当二极管承载 反向电压 时,pn结中积累的电荷将被释放并形成反向恢复电流。它回到零点的时间与结电容等因素有关。反向恢复电流在变压器漏感等分布参数的影响下会产生较强的高频衰减振荡。因此,输出 整流二极管 的反向恢复噪声也成为开关 电源 中的主要 干扰源。在二极管 并联RC缓冲器 的两端可以抑制反向恢复噪声。

  由1.5分布和寄生参数引起的开关 电源 噪声

  开关电源的分布参数是大多数干扰的内部因素。开关电源与散热器之间的分布电容、变压器一次级与二次级之间的分布电容、一次侧与二次侧的漏感都是噪声源。共模干扰通过变压器的一次和二次之间以及开关电源和散热器之间的分布电容传输。变压器绕组的分布电容与高频变压器绕组的结构和制造工艺有关。通过改进绕组工艺和结构,增加绕组间的绝缘,采用法拉第屏蔽,可以减小绕组间的分布电容。开关电源和散热器之间的分布电容与开关管的结构和开关管的安装方式有关。使用带屏蔽的绝缘垫片可以减小开关管和散热器之间的分布电容。

  如图4所示,所有工作在高频下的元件都具有高频寄生特性,这些特性会影响它们的工作状态。当高频工作时,导线变成发射线,电容变成电感,电感变成电容,电阻变成谐振电路。查看图4中的频率特性曲线可以发现,当频率过高时,元件的频率特性会发生很大变化。为了**开关电源在高频工作时的稳定性,在设计开关电源时应充分考虑高频工作元件的特性,并选择高频特性较好的元件。此外,在高频下,导线寄生电感的电感显著增大,**终由于电感的失控而成为一条发射线。它变成开关干扰源中的辐射电源。

  图4高频工作时元件的频率特性。

  一、电磁兼容设计。

  电磁兼容是指电子设备在各种电磁环境中和谐**工作的能力。电磁兼容设计的目的是使电子设备既能抑制各种外界干扰,使电子设备能在特定的电磁环境下正常工作,又能降低电子设备本身对其他电子设备的电磁干扰。

  1.选择合理的线宽。

  由于暂态电流对印刷线产生的冲击干扰主要是由印刷线的电感引起的,因此应尽可能降低印刷线的电感。印刷导线的电感与其长度成正比,与其宽度成反比,因此短而细的导线有利于抑制干扰。时钟引线、线路驱动器或总线驱动器的信号线通常包含较大的瞬态电流,印刷导线应尽可能短。对于分立元件电路,当印制线宽度为1.5 mm左右时,印制线宽度完全满足要求;对于集成电路,印制线宽度可在0.2~1.0 mm之间选择。

  二.。采用正确的布线策略。

  采用等布线可以降低导线电感,但增大了导线间的互感和分布电容。在布局允许的情况下,**好采用形状良好的网状布线结构,具体方法是水平布线的印制板一侧,纵向布线的另一侧,然后在交叉孔与金属化孔相连。

  为抑制印制板线之间的串扰,应尽量避免长距离等距布线,尽量延长线与线之间的距离,信号线、地线与电源线尽量不交叉。在一些对干扰非常敏感的信号线之间设置接地打印线可以有效地抑制串扰。

  为避免高频信号通过印制导线产生电磁辐射,接线印制电路板时还应注意以下几点:

  ● 尽量减少印制线的不连续性,如导线宽度不应突然,导线转角应大于90度,不得采用圆形接线。

  ● 时钟信号引线**容易产生电磁辐射干扰。接线时,应靠近接地电路,司机应靠近连接器。

  ● 公共汽车司机应靠近待驾驶的公共汽车。对于那些离开印制电路板的导线,驱动器应靠近接头。

  ● 数据总线接线中的每两条信号线之间应夹一根信号接地线。**好将接地回路置于**不重要的地址引线附近,因为这些导线通常携带高频电流。

  3.抑制反射干扰

  为了抑制印刷线末端的反射干扰,除了特殊需要外,还应尽量缩短印刷线长度,采用慢电路。如有必要,可增加端子匹配,即在接地和电源端增加相同电阻值的匹配电阻。根据经验,对于一般快速TTL电路,印刷线大于10cm时,应采取终端匹配措施。匹配电阻电阻值根据集成电路输出驱动电流和吸收电流**大值确定。

  2、 去耦电容配置

  在DC电源电路中,负载的变化将导致电源噪声。例如,在数字电路中,当电路从一的一种状态转换为另一种状态时,将在线路电源上产生大峰值电流,形成瞬态噪声电压。配置去耦电容可抑制负荷变化引起的噪声,这是印制电路板的可靠性设计中的一种常见做法。配置原理如下:

  ● 电源输入端与10-100uf电解电容器连接。如果允许印制电路板的位置,容量大于100uF的电解电容器的抗干扰效果会更好。

  ● 每个集成电路芯片应提供一个0.01uF陶瓷电容器。如果空间小印制电路板,不能安装,则每4-10片可配置1-10uf钽电解电容器。本装置高频阻抗特别小,500khz-20MHz范围内阻抗小于1Ω, 泄漏电流很小(低于0.5ua)。

  ● 对于在停机和存储装置ROM、RAM期间噪声能力弱、电流变化较大的设备,应在芯片电源线(Vcc)与地线GND)之间直接接入去耦电容。

  去耦电容的引线不应过长,特别是高频旁路电容不应有引线。

  3、 印制电路板尺寸和设备布置

  印制电路板尺寸适中,印刷线过大时长,阻抗增大,不仅降低了抗噪声能力,而且成本高;体积太小,散热不好,容易受到相邻线路的干扰。

  在器件布置方面,与其他逻辑电路一样,应尽量将相关器件放置在**近的位置,从而获得更好的抗噪声效果。时间发生器、晶体振荡器和CPU的时钟输入容易产生噪声,且它们应彼此更接近。器件、小电流电路和容易产生噪声的大电流电路应尽量远离逻辑电路,这一点非常重要。如果可能,应制作电路板。

  4、 热设计

  从散热角度看,印刷板安装应直立。板与板之间的距离一般不应小于2cm。此外,印刷板上设备的布置应遵循一定的规则:

  **好以纵向方式(优选(或其他装置)排列(或其他装置),优选(或其他装置),其优选为(或其他装置)(或其他装置)。长模式布置。

  同一块印制板上的装置应该尽可能多地使用,以安排散热量和散热度,发热量或耐热性差(例如小信号晶体管(例如小信号晶体管)小规模集成电路 ,电解电容等置于冷却气流中。放置在冷却气体流的底部的**上游(入口),高发热或良好的耐热性(例如功率晶体管,大规模集成电路等)。

  在级别方向上时,高功率器件如靠近印制板边缘布置,以缩短传热路径;在垂直方向上中,高功率器件布置在上方印制板以减少用于其他设备的这些装置。温度的影响。 **好将温度温度(例如装置的底部)放置在温度(例如底部),不要将其直接放在发热装置上方,并且多个装置优选地在水平面上隔行。

  器件印制板的散热主要依赖于空气流动,因此在设计时必须研究空气流路,合理的配置装置或印制电路板。当空气流动时,它总是往往会流动小阻力,因此当设备配置在印制电路板时,有必要避免在区域中的大型空域。整个机器中多个印制电路板的配置也应该注意同样的问题。

  大量实际经验表明,使用合理的设备布置可以有效地降低印刷电路的温度升高,从而降低了装置的故障率和装置。

  上述上述一般原理仅是可靠性设计的一般原理,并且印制电路板可靠性与特定电路密切相关,并且不需要根据设计中的特定电路执行以**大化印制电路板的可靠性 。

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