電源適配器抑制電磁干擾的措施

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電源適配器抑制電磁干擾的措施

電源適配器存在著共模干擾和差模干擾兩種電磁干擾形式。根據前面分析的電磁干擾源,結合它們的耦合途徑,可以從EMI濾波器、吸收電路、接地和屏蔽等幾個方面來抑制干擾,把電磁干擾衰減到允許限度之內。

2.1歐規電源適配器交流輸入EMI濾波器
濾波是一種抑制傳導干擾的方法,在電源輸入端接上濾波器可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害,也可以抑制由電源適配器產生并向電網反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元,在設備或系統的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。電源進線端通常采用如圖1所示的EMI濾波器電路。該電路可以有效地抑制交流電源輸入端的低頻差模騷擾和高頻段共模騷擾。在電路中,跨接在電源兩端的差模電容Cx1、Cx2(亦稱X電容)用于濾除差模干擾信號,一般采用陶瓷電容器或聚脂薄膜電容器,電容值通常取0.1~0.47F。而中間連線接地的共模電容Cy1和Cy2(亦稱Y電容)則用來短路共模噪聲電流,取值范圍通常為C1=C2#2200pF。抑制電感L1、L2通常取100~130H,共模扼流圈L是由兩股等同并且按同方向繞制在一個磁芯上的線圈組成,通常要求其電感量L#15~25mH。當負載電流渡過共模扼流圈時,串聯在火線上的線圈所產生的磁力線和串聯在零線上線圈所產生的磁力線方向相反,它們在磁芯中相互抵消。因此,即使在大負載電流的情況下,磁芯也不會飽和。而對于共模干擾電流,兩個線圈產生的磁場是同方向的,會呈現較大電感,從而起到衰減共模干擾信號的作用。

2.2利用吸收電路
電源適配器產生EMI的主要原因是電壓和電流的急劇變化,因而需要盡可能地降低電路中電壓和電流的變化率(du/dt和di/dt)。采取吸收電路能夠抑制EMI,其基本原理就是在開關關斷時為其提供旁路,吸收積蓄在寄生分布參數中的能量,從而抑制干擾的發生。可以在開關管兩端并聯如圖2(a)所示的RC吸收電路,開關管或二極管在開通和關斷過程中,管中產生的反向尖峰電流和尖峰電壓,可以通過緩沖的方法予以克服。緩沖吸收電路可以減少尖峰電壓的幅度和減少電壓波形的變化率,這對于半導體器件使用的安全性非常有好處。與此同時,緩沖吸收電路還降低了射頻輻射的頻譜成份,有益于降低射頻輻射的能量。
箝位電路主要用來防止半導體器件和電容器被擊穿的危險。兼顧箝位電路保護作用和電源適配器的效率要求,TVS管的擊穿電壓選擇為初級繞組感應電壓的1.5倍。當TVS上的電壓超過一定幅度時,器件迅速導通,從而將浪涌能量泄放掉,并將浪涌電壓的幅值限制在一定的幅度。在開關管漏極和輸出二極管的正極引線上可串聯帶可飽和磁芯線圈或微晶磁珠,材質一般為鈷,當通過正常電流時磁芯飽和,電感量非常小。一旦電流要反向流過時,它將產生非常大的反電勢,這樣就能有效地抑制二極管的反向浪涌電流。

2.3屏蔽措施
抑制輻射噪聲的有效方法就是屏蔽。可以用導電性能良好的材料對電場進行屏蔽,用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。為了防止變壓器的磁場泄漏,使變壓器初次級耦合良好,可以利用閉合磁環形成磁屏蔽,如罐型磁芯的漏磁通就明顯比E型的小很多。電源適配器的連接線,電源線都應該使用具有屏蔽層的導線,盡量防止外部干擾耦合到電路中。或者使用磁珠、磁環等EMC元件,濾除電源及信號線的高頻干擾。但是,要注意信號頻率不能受到EMC元件的干擾,也就是信號頻率要在濾波器的通帶之內。整個電源適配器的外殼也需要有良好的屏蔽特性,接縫處要符合EMC規定的屏蔽要求。通過上述措施保證電源適配器既不受外部電磁環境的干擾也不會對外部電子設備產生干擾。

2.4變壓器的繞制
在設計高頻變壓器時必須把漏感減到最小。因為漏感越大,產生的尖峰電壓幅值越高,漏極箝位電路的損耗就越大,這必然導致電源效率降低。減小變壓器的漏感通常采用減少原邊繞組的匝數、增大繞組的寬度、減小各繞組之間的絕緣層等措施。
變壓器主要的寄生參數為漏感、繞組間電容、交叉耦合電容。變壓器繞組間的交叉耦合電容為共模噪聲流過整個系統提供了通路。
在變壓器的繞制過程中采用法拉第屏蔽來減小交叉耦合電容。法拉第屏蔽簡單來說就是用銅箔或鋁箔包繞在原邊繞組和副邊繞組之間,形成一個表面屏蔽層隔離區,并接地,其中原邊繞組和副邊繞組交錯繞制,以減小交叉耦合電容。在安裝規程上一般要求散熱器接地,那么開關管漏極與散熱器之間的寄生電容就為共模噪聲提供了通路,可以在漏極和散熱器之間加一銅箔或鋁箔并接地以減小此寄生電容。

2.5接地技術的應用
電源適配器需要重視地線的連接,地線承擔著參考電平的重任,特別是控制電路的參考地,如電流檢測電阻的地電平和無隔離輸出的分壓電阻的地電平。
(1)設備的信號接地。設備的信號接地,可能是以設備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點,它為設備中的所有信號提供了一個公共參考電位。如浮地和混合接地,另外還有單點接地和多點接地。
(2)設備接大地。在工程實踐中,除認真考慮設備內部的信號接地外,通常還將設備的信號地,機殼與大地連在一起,以大地作為設備的接地參考點。
控制信號的地電平衰減應盡可能的小,因此,采用控制部分一點接地,然后將公共連接點再單點接至功率地。這種接地方式可以使噪聲源和敏感電路分離。另外,地線盡量鋪寬,對空白區域可敷銅填滿,力求降低地電平誤差和EMI。
在裝置中盡量采用表面貼裝元器件,使組裝密度更高,體積更小,重量更輕,可靠性更高,高頻特性好,減小電磁和射頻干擾。

2.6PCB元件布局及走線
PCB中帶狀線、電線、電纜間的串間是印刷電路板線路中存在最難克服的問題之一[7]。電源適配器的輻射騷擾與電流通路中的電流大小、通路的環路面積、以及電流頻率的平方的乘積成正比,因此PCB的布局設計將直接關系到整機電磁兼容性能。在設計電源適配器印制電路板時,必須從布局及走線的優化設計著手。

(1)印制板布線地通常要符合以下原則
1、輸入、輸出端用的導線應盡量避免相鄰平等。最好加線間地線,以免發生反饋耦合;
2、印制板導線盡量采用寬線,尤其是電源線和地線;
3、印制導線拐彎處一般采取圓弧形;
4、專用零伏線、電源線的走線寬度(1mm,電源線和地線盡可能靠近等。

(2)元器件布局時通常要符合以下原則1、按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置,使布局便于信號流通,并使信號盡可能保持一致的方向。
2、以每個功能電路的核心元件為中心,圍繞它來進行布局。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上,盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。
3、在高頻下工作的電路,要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件平等排列。
4、位于電路板邊緣的元器件,離電路板邊緣的距離一般不小于2mm。
3結束語
電源適配器體積越來越小,功率密度越來越大,EMI/EMC問題成為了電源適配器穩定性的一個關鍵因素,也越來越受到人們的重視。電源適配器的電磁兼容控制策略與控制技術方案有很多,如通過對干擾的傳輸通道進行抑制、空間進行分離、時間進行分隔、頻率管理、電氣隔離等。在電源適配器設計時只有綜合運用各種電磁干擾抑制技術才能有效提高電源適配器的電磁兼容性,真正滿足各種場合的需要。

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