反激式开关电源的变压器电磁兼容性设计

最新更新时间:2014-04-10来源: 21IC关键字:反激式  开关电源  变压器 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

本文以一款反激式开关电源为例,阐述了其传导共模干扰的产生、传播机理。根据噪声活跃节点平衡的思想,提出了一种新的变压器EMC设计方法。通过实 验验证,与传统的设计方法相比,该方法对传导电磁干扰(EMI)的抑制能力更强,且能降低变压器的制作成本和工艺复杂程度。本方法同样适用于其他形式的带变压器拓扑结构的开关电源。

随着功率半导体器件技术的发展,开关电源高功率体积比和高效率的特性使得其在现代军事、工业和商业等各级别的仪器设备中得到广泛应用,并且随着时钟频率的不断提高,设备的电磁兼容性(EMC)问题引起人们的广泛关注。EMC设计已成为开关电源开发设计中必不可少的重要环节。

传导电磁干扰(EMI)噪声的抑制必须在产品开发初期就加以考虑。通常情况下,加装电源线滤波器是抑制传导EMI的必要措施[1]。但是,仅仅依靠电源输入 端的滤波器来抑制干扰往往会导致滤波器中元件的电感量增加和电容量增大。而电感量的增加使体积增加;电容量的增大受到漏电流安全标准的限制。电路中的其他 部分如果设计恰当也可以完成与滤波器相似的工作。本文提出了变压器的噪声活跃节点相位干燥绕法,这种设计方法不仅能减少电源线滤波器的体积,还能降低成本。

1、反激式开关电源的共模传导干扰

电子设备的传导噪声干扰指的是:设备在与供电电网连接工作时以噪声电流的形式通过电源线传导到公共电网环境中去的电磁干扰。传导干扰分为共模干扰与差模干扰两种。共模 干扰电流在零线与相线上的相位相等;差模干扰电流在零线与相线上的相位相反。差模干扰对总体传导干扰的贡献较小,且主要集中在噪声频谱低频端,较容易抑制;共模干扰对传导干扰的贡献较大,且主要处在噪声频谱的中频和高频频段。对共模传导干扰的抑制是电子设备传导EMC设计中的难点,也是最主要的任务。

反激式开关电源的电路中存在一些电压剧变的节点。和电路中其他电势相对稳定的节点不同,这些节点的电压包含高强度的高频成分[2]。这些电压变化十分活跃的 节点称为噪声活跃节点。噪声活跃节点是开关电源电路中的共模传导干扰源,它作用于电路中的对地杂散电容就产生共模噪声电流ICM 。而电路中对EMI影响较大的对地杂散电容有:功率开关管的漏极对地的寄生电容Cde,变压器的主边绕组对副边绕组的寄生电容Cpa;变压器的副边回路对地的寄生电容Cae, 变压器主、副边绕组对磁芯的寄生电容Cpc、Cac 以及变压器磁芯对地的寄生电容Cce这些寄生电容在电路中的分布如图1所示。

 

 

图1、共模噪声电流在电路中的耦合途径

图1中的共模电流ICM在电路中的耦合途径主要有3条:从噪声源—— 功率开关管的d极通过Cde耦合到地;从噪声源通过Cpa耦合到变压器次级电路,再通过Cae 耦合到地;从变压器的前、次级线圈通过Cpc、Cac 耦合到变压器磁芯,再通过Cce 耦合到地。这3种电流是构成共模噪声电流(图1中的黑色箭头所示)的主要因素。共模电流通过电源线输入端的地线回流,从而被LISN取样测量得到。

2、隔离变压器的EMC设计

2.1、传统变压器EMC设计

共模噪声的耦合除了通过场效应管d极对地这条途径外,开关管d极的噪声电压通过变压器的寄生电容将噪声电流耦合到变压器副边绕组所在的回路,再通过次级回路 对地的寄生电容耦合到地也是共模电流产生的途径。因此设法减小从变压器主边绕组传递到副边绕组间的共模电流是一种有效的EMC设计方法。传统的变压器 EMC设计方法是在两绕组间添加隔离层[3],如图2所示。

 

 

图2、变压器隔离层对噪声电流的影响

金属隔离层直接连接地线的设计会增大共模噪声电流,使EMC性能变差。隔离层应该是电路中电位稳定的节点,比如将图2中的隔离层连接到电路前级的负极就是一个很好的接法。这样的连接能把原本流向大地的共模电流有效分流,从而大大降低电源线的传导噪声发射水平。

2.2、节点相位平衡法

在电路中,噪声电压活跃节点并不是单一的。以本文分析的电路为例:除功率开关管的d极外,变压器前级绕组的另一端Uin 也是一个噪声电压活跃节点,而且节点电压的变化方向与场管的d极电压情况相反。所以变压器次级绕组的两端是相位相反的噪声电压活跃节点。图3所示的是采用节点相位平衡法后,变压器骨架上的线圈分布情况。

 

 

图3、噪声电流在变压器内部的耦合情况

变压器骨架最内层是前级绕组线圈的一半,与功率开关管的d极相连;中间层的线圈是次级绕组;最外层是前级绕组的另一半,与节点Uin相连。由于噪声电流主要通过前后级线圈层之间的寄生电容耦合,把前、后级线圈方向相反的噪声活跃节点成对地绕在内外层相对位置就能使大部分的噪声电流相互抵消,大大降低了最终耦合到次级的噪声电流的强度。

本 文讨论的电路中还存在前级电路和次级电路的辅助电源,它们也是由绕在变压器上的独立线圈提供能量的。这两级辅助线圈的存在给噪声电流的传播提供了额外的途 径。辅助线圈是为了控制电路的供电设计的。尽管控制电路本身的功率很小,但它们的存在却增大了电路对地的寄生电容,从而分担了一部分把共模噪声从活跃节点 耦合到地的工作。然而把这些绕组夹在前级线圈和次级线圈的绕组中间就能增大前后级绕组的距离,从而它们的层间寄生电容就减小了,噪声电流就能相应减小。因 此,变压器绕制的最终方法应如图4所示。从内到外的线圈绕组依次是:前级绕组的一半、辅助绕组的一半、后级绕组、辅助绕组的另一半和前级绕组的另一半。

3、实验部分

变压器改进绕法对开关电源的传导EMC性能提高的有效性可以通过实验得到验证。

3.1、实验方法

实验按照文献[4]中的电压法进行。频段范围为0.15~30 MHz;频谱分析仪的检波方式为准峰值检波;测量带宽为9 kHz;频谱横轴(频率)取对数形式;噪声信号的单位为dBμV[5]。

 

 

图4、变压器改进绕法细节

3.2、实验结果

图5为变压器设计改进前后实验样品的传导噪声频谱对比。

 

 

图5、变压器设计改进前后的噪声频谱

图 5中的上下两条平行折线分别为国际无线电干扰特别委员会(简称CISPR)颁布的CISPR22标准中b级要求的准峰值检波限值和平均值检波限值;而曲线 为开关电源的传导噪声频谱。从实验结果可以看出:与传统方法相比,新方法有着更出色的对共模噪声电流的抑制能力,尤其在中频1~5MHz的频段。在较低频 段,电源线上的传导干扰主要是差模电流引起的;而在中高频段,共模电流起主要作用。而本文提出的方法对共模电流的抑制较强,实验和理论是相符合的。在10 MHz以上的频段,主要由电路中的其他寄生参数决定EMC性能,与变压器关系不大。

4、结束语

开关电源电路中的噪声活跃节点是电路中的共模噪声源。要降低开关电源的传导干扰水平,实际上是减小共模电流强度、增大噪声源的对地阻抗。在传统的隔离式EMC设计中,隔离层连接到电路中电位稳定的节点上(如:变压器前级的负极)要比直接连到地线对EMI干扰的抑制更有效。

开关电源电路中的噪声活跃节点通常都是成对存在的,这些成对节点之间的相位相反,利用这一特点活跃节点相位平衡绕法对EMI抑制的有效性高于传统的隔离式设计。由于不需要添加隔离金属层,变压器的体积与成本都能被有效减小或降低。

关键字:反激式  开关电源  变压器 编辑:探路者 引用地址:反激式开关电源的变压器电磁兼容性设计

上一篇:有关交错ADC的更多观点
下一篇:精度位置控制应用中运用NanoPWM驱动器代替线性驱动器

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:38

适用于开关电源的IR 车用双低侧驱动IC
国际整流器公司 (International Rectifier,简称IR) 推出车用大电流双低侧驱动IC AUIRB24427S,适合混合动力 电动汽车  (HEV) 、 电动车  (EV) 和大功率工业 转换器 中的 开关电源  (SMPS) 应用。 AUIRB24427S在整个温度范围内为每个通道提供超过6A的高输出电流,用于驱动采用模块和分立封装的大尺寸IGBT和MOSFET的栅极。由于该器件在开/关模式中的输出阻抗极低,功耗也非常低,因而可以在严苛环境和高温环境中操作,比如在混合动力电动汽车的电源级作为初级侧或次级侧驱动器。 IR亚太区销售副总裁潘大伟表示:“AUIRB24427S采用简便的PSOIC-8N封装
[电源管理]
适用于<font color='red'>开关电源</font>的IR 车用双低侧驱动IC
高压反激式控制器作用于视频安防系统
就很多公营和私营机构而言,实施安防和公共安全计划需要部署各种视频安防技术。视频安防系统提供必要的可视图像,可加强对周围情况的了解并震慑破坏公共财物行为、盗窃或其他犯罪,加快响应和管理决策,全面提高公共和员工安全。从桥梁到机场、从炼油厂到管道、从海港到高速路,很多系统都因在其安全防护计划中纳入了视频安防技术而受益。 摄像头部署 为了全面监控很多地点,可能需要几百个摄像头。监控摄像头一般用24VDC或12VDC电源电压,以高达25W的功率工作。但是,在大多数情况下,一般没有12V或24V输入可用,因此需要开发这样的输入。大多数安装地点有交流电源可用,例如标称值为110VAC(90VAC至132VAC)或220VA
[安防电子]
高压<font color='red'>反激式</font>控制器作用于视频安防系统
开关电源变压器屏蔽层抑制共模EMI的研究
摘要: 以反激式 开关电源 为例,在分析其高频变压器形成共模传导 EMI 机理的基础上,探讨了在变压器设计中设置屏蔽层以抑制共模传导EMI 的原理。给出了具体的设计方法,并应用于具体产品的设计中。试验 测试 表明,屏蔽层的设置可以有效地抑制高频开关电源的共模传导EMI。由此进一步研究了屏蔽层在其他类型开关电源中应用的可行性。     0 引言     电磁兼容( Electromagnetic Compatibility,EMC)是指电子设备或系统在电磁环境下能正常工作,且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。它包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感(EMS) 两方面。由于开关电源中存在很高的d
[电源管理]
<font color='red'>开关电源</font><font color='red'>变压器</font>屏蔽层抑制共模EMI的研究
一种智能高频开关电源监控模块的设计
自90年代以来,国家电信部门对通信设备的网络化管理要求逐步加快,要求组成通信网络的各种设备都必须具备智能化和通信的能力,电源设备也不例外 。计算机技术的应用,使通信电源成为集计算技术、控制技术、通信技术于一体的高科技产品,使产品的性能、功能大大提高,从而可实现系统的自动测试、自动诊断、自动控制,实现电源系统的遥信、遥测、遥控 。因此,高频开关电源也进入了智能化控制阶段。本文设计实现了一种智能高频开关电源的的监控模块。    1.高频开关电源的原理及其特点 智能化高频开关电源具有高度灵活组合、自主监控的特点,尤其是在通信领域,因其具有体积小、噪声低、维护方便又可被纳入通信系统的计算机监控系统等特点,所以运用十分广泛
[应用]
抑制开关电源电磁干扰设计要点及方法
随着 开关电源 的小型化,开关就要高频化,这种高频化,其基波本身也就构成了一个干扰源,发出一种更强的传导干扰波,此外通过改进元器件达到高频化的同时,也会因辐射干扰波而导致一种超标准值的杂散的信号。这些信号构成了电磁干扰(EMI),被干扰对象是无线电通信。开关 电源 工作在高频开关状态,内部会产生很高的电流、电压变化率,导致开关电源产生较强的电磁干扰。电磁干扰信号不仅对电网造成污染,还直接影响到其他用电设备甚至电源本身的正常工作,而且作为辐射干扰闯入空间,造成电磁污染,制约着人们的生产和生活。    1 开关电源电磁干扰的抑制   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,抑制电磁干扰应从这三方面人手。抑制干扰源、消
[电源管理]
常用的直流开关电源保护电路
随着科学技术的发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,因此直流开关电源开始发挥着越来越重要的作用,并相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了直流开关电源。同时随着许多高新技术,包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术等技术的发展,开关电源技术在不断地创新,这为直流开关电源提供了广泛的发展空间。但是由于开关电源中控制电路比较复杂,晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差,在使用过程中给用户带来很大不便。为了保护开关电源自身和负载的安全,根据了直流开关电源的原理和特点,设计了过热保护、过电流
[电源管理]
常用的直流<font color='red'>开关电源</font>保护电路
变压器技术参数
变压器选型使用范围及其特点 用途: 1.在各种电气设备中,往往需要不同的电压电源。例如,我们在日常生活中的照明用电,都是220V,或者110V;机床、粉碎机等机器的电动机用电为380V;而安全照明用电是36V;城市工业供电线路的电压高达)6kV和10kV。 2.现代化的工业企业,广泛地采用了电力作为能源,电能都是由水电站和发电厂的发电机直接转化出来的。发电机发出来的电根据输送距离将按照不同的电压等级输送出去,就需要有一种专门改变电压的设备,这种设备叫做“ 变压器”。 3.变压器是电力系统中最重要的电气设备之一,它能将电压由低变高或由高变低。由电工基础知识可知,当输送同一电功率时,其功率损耗与电压的二次方成反比,电压损失与电压成反比
[模拟电子]
以89C51单片机为控制核心的开关电源优化设计
引言   开关电源是利用现代电力电子技术控制功率开关管(MOSFET,IGBT)开通和关断的时间比率来稳定输出电压的一种新型稳压电源。从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,计算机、程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。利用单片机控制的开关电源,可使开关电源具备更加完善的功能,智能化进一步提高,便于实时监控。其功能主要包括对运行中的开关电源进行检测、自动显示电源状态;可以通过按键进行编程控制;可以进行故障自诊断,对电源功率部分实现自动监测;可以对电源进行过压、过流保护;可以对电池充放电进行实时控制。   开关电源的系统结构   通信用-48V开关电源结构图如图1所示:
[电源管理]
小广播
最新电源管理文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved