反激式功率因数校正电路的EMC设计解析

作者:365滚球 发布时间:2020-12-11 01:06

  )是指电子设备或系统在其电磁环境中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。随着电子产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的LSI,而使得这些装置比以往任何时候更容易受到电磁干扰的威胁。而与此同时,大功率家电及办公自动化设备的增多,以及移动通信、无线寻呼的广泛应用等,又大大增加了电磁骚扰源。这些变化迫使人们把电磁兼容作为重要的技术问题加以关注。特别是欧共体将产品的电磁兼容性要求纳入技术法规,强制执行89/336/EEC指令,即规定从1996年1月1日起电气和电子产品都必须符合EMC要求,并加贴CE标志后才能在欧共体市场上销售以来,促使了各国政府从国际贸易的角度,高度重视电磁兼容技术。

  开关电源具有体积小、重量轻、效率高的优点,且市场上已有开关电源集成控制模块,这使电源设计、调试简化了许多,所以,在大多数的电子设备(如计算机、电视机及各种控制系统)中得到了广泛的应用。然而,开关电源自身产生的各种噪声却使其成了一个很强的电磁骚扰源。这些骚扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强,对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁。因此,只有提高开关电源的电磁兼容性,才能使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求的场合被采用。

  (1)电子设备或系统内部的各个部件和子系统、一个系统内部的各台设备乃至相邻几个系统,在它们自己所产生的电磁环境及在他们所处的外界电磁环境中,能按原设计要求正常运行。换句话说,它们应具有一定的电磁敏感度,以保证它们对电磁干扰具有一定的抗扰度(Immunity of a Disturbance)。

  (2)该设备或系统自己产生的电磁噪声(Electromagnetic Noise-EMN)必须被限制在一定的电平,使由它所造成的电磁干扰不致对它周围的电磁环境造成严重的污染和影响其他设备或系统的正常运行。

  众所周知,构成电磁干扰有三个要素,即:骚扰源(噪声)、噪声的耦合途径及噪声接收器(被干扰设备)。因此,概括电磁兼容设计的任务就是要削弱骚扰源的能量,隔离或减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力。下面就以反激式(Flyback)电路为例,讨论小功率单级PFC电路的电磁兼容性设计。

  如图1所示,在小功率DC/DC变换器中,主要的骚扰源是电磁感应噪声和非线性开关过程噪声。这都是由于功率变换电路中的整流二级管和功率开关管在工作过程中所产生的电压和电流的跃变,并通过高频变压器、储能电感线圈以及电路中的元件布局和器件本身自带的寄生参数之间相互作用而造成的。

  换句话说,电路中产生的所有干扰问题的根源,就是功率开关管和高频整流二极管在快速的开断过程中所产生的di/dt和dv/dt。所以,在电路设计的初期,即进行电路方案的选择时就应着手考虑EMC问题。在各方面条件成熟和允许的情况下,对于主开关管的设计应采用软开关电路(例如中功率电路当中广为采用的移相全桥电路等),这样不但可以极大地减小开关管的开关损耗,而且有助于降低电路中的di/dt。而在开关频率的选择上也不是越高越好,而是应当选取合适的频率。还有,由开关管和高频二极管以及输出电容构成的回路应尽量地小,因为回路小寄生电感就小了。在开关管和高频二极管开通和关断的瞬间会产生很大的di/dt,如果寄生电感大了就会感应出很高的电压,这样就形成了一个大的骚扰源。另外,高频二极管在关断的时候会出现反向恢复的情况,这也是一个很大的骚扰源。我们必须注意削弱它,以免影响电路的正常工作,为此可以给高频二极管串一个小的电感,抑制高频二极管的反向恢复电流。但是这个电感不能大,因为在高频下di/dt很大,也会引入一个骚扰,因此必须折中。

  另一个产生电磁感应噪声的主要骚扰源是脉冲变压器。在反激式电路中,由于原副边绕组耦合系数不为1,变压器存在着一定的漏感Ls。当开关关断时,Ls所产生的反电势-Lsdi/dt会使开关管的漏源极之间的电压出现上冲。这是因为Ls上的能量——漏磁通不能通过变压器耦合到副边进行释放,因此,这部分能量同开关管的寄生电容Cs和输入电源Vin共同构成一个衰减的LC谐振,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲,除了造成干扰外,重者有可能击穿开关管。而且它还是一种传导性电磁干扰,既影响变压器的初级,还会使干扰传导返回配电系统,造成输入侧电网的电磁干扰,从而影响其它用电设备的安全和经济运行。

  和开关管一样,电路当中的脉冲变压器也存在高频率的di/dt变化,也会向空间辐射高频的电磁波,干扰其他的元器件和设备。为此也应当想法将变压器这些高频电磁波屏蔽掉。

  对于电磁场而言,电场分量和磁场分量总是同时存在的。所以,在屏蔽电磁场时,必须对电场与磁场同时加以屏蔽。高频电磁屏蔽的机理主要是基于电磁波穿过金属屏蔽体产生波反射和波吸收的机理。电磁波达到屏蔽体表面时,之所以会产生波反射,其主要原因是电磁波的波阻抗与金属屏蔽体的特征阻抗不相等,两者数值相差越大,反射引起的损耗就越大。反射波还和频率有关,频率越低,反射越严重。而电磁波在穿透屏蔽体时产生的吸收损耗则主要是由电磁波在屏蔽体中的感生涡流引起的。感生的涡流可以产生一个反磁场抵消原干扰磁场,同时,涡流在屏蔽体内流动产生热损耗。

  选择零电压开关、零电流开关谐振技术或其他软开关技术。在零电压谐振变换器中,功率开关上的电压波形为准正弦,dv/dt小;在零电流准谐振变换中,流过功率开关的电流为准正弦,di/dt小,这样就可以减小EMI电平。因为,干扰频谱窄,且集中在谐振频率附近,易于滤波器的设计。

  要特别注意降低功率开关的di/dt与dv/dt和减小整流二极管噪声的缓冲电路的设计。

  滤波是抑制干扰的一种有效措施,尤其是在对付传导干扰方面,具有明显的效果。欲削弱传导干扰,把EMI电平控制在有关EMC标准规定的极限电平以下。除抑制骚扰源以外,最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装EMI滤波器。在滤波电路中,选用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环,能够改善电路的滤波特性。EMI滤波器如图2所示。

  这种EMI滤波器既能抑制共模干扰又能抑制差模干扰。它是开关电源EMI滤波器的基本网络结构,其中L1和L2是绕在同一磁环上两只独立线圈,匝数相同,有相同方向的同名端,称之为共模电感线是独立的差模抑制电感,C1、C2和C3是电容器。如果把该滤波器一端接入干扰源,负载端接上被干扰设备,那么L1和C1,L2和C2就分别构成了两对独立端口间的低通滤波器,用来抑制电源线上存在的共模EMI信号,使之衰减,并被控制到很低的电平上。L3及L4形成的独立差模抑制电感和电容C3组成了一个低通滤波器,用来抑制电源线上存在的差模EMI信号。

  适当的设计或选择合适的滤波器,并正确地安装滤波器是抗干扰技术的重要组成部分,具体措施如下。

  1)在交流电输入端加装电源滤波器,其电路图如图2所示。其中L3,L4和C3用于抑制差模噪声,L1,L2,C1和C2用于抑制共模噪声。所有的电源滤波器都必须接地,因为滤波器的共模旁路电容必须在接地时才起作用。一般的接地方法除了将滤波器与金属外壳相接之外,还要用较粗的导线将滤波器外壳与设备的接地点相连,接地阻抗越小滤波效果越好。另外,滤波器应尽量安装在靠近电源入口处,避免干扰信号从输入端直接耦合到输出端。

  2)在电源输出端加输出滤波器。加装高频电容,加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量,可以抑制差模噪声。如果把多个电容并联,效果将会更好。

  2)输入滤波器应装在输入端口处,输出滤波器应装在输出端口处,并远离内部电磁发射很强的电感器、功率开关等。若可能的话,尽可能作为一个独立部件与电源合理连接。

  4)滤波器内部的元件,自身要进行良好的电磁屏蔽和接地处理,以免流过滤波器接地导线的短路电流造成有害电磁辐射。

  5)滤波电感的铁芯最好采用罐型或者环型,若用其他形状可加短路环或磁屏蔽。线圈采用单层或分段式绕法,小电流时可采用蜂房绕制的多层线圈。共轭线圈不能采取双线并绕,应是对称的两个独立线)应选用高频特性好的电容器。

  必须注意电路中的接地问题,因为公共阻抗耦合主要通过公共地阻抗进行。如果接地没有处理好,可能会对电路引入很大的地干扰,从而使电路不能正常工作。以Boost电路为例,如果

  的S极接地没有处理,也就是说G极、S极、PWM信号和地之间构成地回路很大的话,电路就不能正常工作,有时候PWM信号无法驱动MOSFET,这就是通过公共地阻抗给Boost电路引入了一个很大的干扰。因此,在使用通用板子来布电路的时候,必须注意这些细节,S极与地之间的导线要尽量短。使用通用板子时,尽量用粗一点线来作为地线,还有,能够连在一起的地应尽量连在一起,接地点尽量粗一点,还可以尽量加粗地线宽度,减少环路电阻。若地线很细或者接地点很小,接地电位则随电流的变化而变化,使抗噪声性能变坏。使用通用板子时,还必须注意功率电路的地对信号地的干扰。2.4 变压器的设计

  为了尽可能地减小变压器的电磁噪声,就要使其原边绕组和副边绕组的耦合系数尽可能接近1,从而减小漏磁通,达到减小漏感的目的。这就需要在变压器的设计上下功夫,使原边绕组和副边绕组尽可能地靠近,同时和

  也要尽量靠近,这样漏磁通就会减到最小。根据这个原则,最好的绕法就是原边和副边交叉并绕,这样能达到使漏电感最小的目的。但是在实际应用中,变压器还要考虑原副边之间的高压隔离,所以实际当中更多应用的是“三明治”的夹心绕法(如图3所示),即绕一层原边,绕一层副边,再绕一层原边,或者一层副边,一层原边,最后一层副边,这就能使原副边之间的耦合更好,减少漏感,减少由于漏感引起的电磁感应噪声。(设计导线线径的时候,除了应当考虑通过的电流大小和趋肤效应之外,还应当力争让导线将每层都铺平,而不要出现稀疏的两三匝的现象,只有这样,原副边的耦合效果才能进一步提高)。图4给出了实验波形图,从图4可知,用夹心绕法绕制的变压器,MOSFET上的振荡小了很多。

  为了减少变压器的辐射干扰,制作变压器的屏蔽层时,常采用的方法是在变压器的线包和磁芯外表面包上一层薄薄的铜皮。为了能减小原副边的分布电容,还可以在变压器的初、次级绕组之间加一层静电屏蔽。具体的作法是在绕制完初级绕组后,包上一层0.02~0.03mm厚的薄铜皮,铜皮的始端和末端必须有3~5mm长的重叠(重叠部分必须相互绝缘)。为了保证静电屏蔽达到预期的目标,关键是从工艺设计上减小漏电容Cs和接地阻抗Z的大小,如下图5所示。

  在设计电路时,通常骚扰源和受扰电路由于受到工作条件的限制而难以避免。这时,应尽量将相互关联的元器件摆放在一起,以避免因器件离的太远而造成印制线过长所带来的干扰;再者将输入信号和输出信号尽量放置在引线端口附近,以避免因耦合路径而产生的干扰。

  考虑到可能恶化电路运行状态的功率器件发热问题,可以给功率器件安装散热片,既能散热,又可以减小电磁噪声。为了使功率开关管和散热器能有良好的热传导,常在功率开关管与散热器之间抹上导热性能良好的绝缘硅胶(为了保证有良好的绝缘,常常还在中间垫绝缘

  ,防止散热片带电)。这些硅胶和绝缘垫片相当于在功率管和散热片之间串联了耦合电容Ck。因此,功率开关管在快速开断时产生的电磁噪声就会通过Ck耦合到散热片上面。从防止各个开关管之间的噪声相互串扰的角度来考虑,最好是每个功率管用一个独立的散热片,而不是几个功率开关管公用一个散热片。4 结语

  随着电子产品的电磁兼容性日益受到重视,抑制开关电源的EMI,提高电子产品的质量,使之符合有关标准,已经成为人们越来越关注的问题。本文对反激式功率因数校正电路的骚扰源进行了分析,同时给出了相应的解决方案,另外,还对此电路的电磁兼容的设计进行了详细的分析。

  图1所示为采用平均电流控制的boost型电路原理图,该电路由整流桥输出电压检测信号和电压误差放大器输....

  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....

  USB硬件EMC设计要点电磁兼容中信息技术类产品,特别是带有USB接口的设备往往都存在USB设备通讯....

  本文提供了两种常用晶振的简要处理方案,并简单列举了晶振使用时的一些注意事项和处理方法。

  随着新能源智能网联技术的发展,汽车设计中不再是常规的12V系统,一方面380V等高压出现,另一方面在....

  随着数字信号处理器(DSP)价格从几百美元降到3美元,DSP在价格敏感的家电(如洗衣机、冰箱、加热器....

  新型材料的出现和加工工艺水平的不断提高,以及高灵敏度CCD器件和电子学技术的飞速发展,使得高分辨率光....

  电子产品在共同的电磁环境中干扰其它设备和承受来自其它设备或环境中的干扰的特性。

  尽管从滤除高频噪声的角度看,电容的谐振是不希望的,但是电容的谐振并不是总是有害的。当要滤除的噪声频率....

  随着设备系统越来越趋向高速化和高集成度,电磁环境更加复杂。电子产品电磁兼容性能对于保证系统整体的可靠....

  静电问题是每个产品、单板都不能忽视的存在,那该如何解决ESD问题呢?向师傅请教,查找ESD标准,看E....

  PFC IC 分为两种,一种是非连续电流模式功因修正器(DCM PFC),适用于较低功率需求的功因修....

  用于LED照明的NCL30030组合功率因数校正和准谐振反激控制器的应用

  用于LED照明的NCL30030组合功率因数校正和准谐振反激控制器的典型应用。该组合IC集成了功率因数校正(PF...

  下面列举出四项很重要却常常被忽略的EMC设计指南。 设计指南1 设计指南1:最小化高频信号和电源环路....

  那么电容柜有什么作用?电容柜内的主要元件是补偿电容器,它主要起提高电网功率因数,提高变压器利用率的作....

  这是骚扰源能量降低基本的手法,也是最省心的,所以许多兄弟看到时钟就一顿猛操作,远场一看有点效果,都非....

  功率因数补偿控制器概述 功率因数补偿控制器选用目前国际先进的微处理器、集成电路和国内外专业厂家生产的....

  虽然不可控整流器电路简单可靠,但它们产生高峰值电流,使输入端电流波形发生畸变,使交流电网一侧的功率因....

  EMC是指电子系统在其目标环境中正常工作而不干扰其他系统的能力。全球不同地区都有EMC法规,用于确保....

  EMC整改六步法如下:第一步查找确认辐射源,第二步滤波,第三步吸波,第四步接地,第五步屏蔽,第六步能....

  请问有源功率因数校正与单级功率因数校正有关系吗? 在我看来单级功率因数校正是否包括有源功率因数校正技术呢,对不...

  目前业界很多公司都是在前期设计阶段没有考虑EMC方面问题,往往是在在产品样机出来再进行EMC摸底测试....

  当运行电压高于永磁电机的反电势点时,可根据感性无功功率的大小,加电容补偿,以提高功率因数。

  本规范重点在单板的 EMC设计上,附带一些必须的EMC知识及法则。在印制电路板设计阶段对电磁兼容考虑....

  有关提高永磁电机功率因数的方法,稳定系统电压,根据感性无功功率的大小,加电容补偿,以提高功率因数,或....

  当你遇到产品EMC问题而没有解决问题的思绪时,有经验的老员工常会问你两个问题:搞清楚噪声源是什么了吗....

  三相功率因数表主要应用于低压交流三相电力系统之中,主要作功率因数测量之用,特别是在感应动力用电较多的....

  EMC性能是交流稳压电源的一项重要指标要求。基于对交流稳压电源使用价值的要求,其EMC性能应当是除了....

  所需绘制的电路图如下,有几个地方我不知道怎么画,请私信我指导一下,万分感激。 ...

  功率因数影响(仅对铁磁电动系和三相功率表)。修理后的仪表除应做上述检定项目外,还应根据修理的部位决定....

  接地可视为所有的PCB设计的基础,大部分的EMI问题皆可藉由良好的接地来解决。

  随着现代工业的发展,电网中使用的感性负载也愈来愈多,如感应式电动机、变压器等。这些设备在工作时不但要....

  在产品的EMC设计中,对PCB和物理结构的EMC评估,是非常重要的一环,往往还具有决定性作用。一个比....

  目前业界很多公司都是在前期设计阶段没有考虑EMC方面问题,往往是在在产品样机出来再进行EMC摸底测试....

  PCB叠层EMC规划与设计思路的核心就是合理规划信号回流路径,尽可能减小信号从单板镜像层的回流面积,....

  有过电子产品开发经验的朋友,可能都有过深刻而痛苦的体会,辛辛苦苦设计好所有产品工作,等到做好样机时机....

  在PCB的EMC设计考虑中,首先涉及的便是层的设置;单板的层数由电源、地的层数和信号层数组成;在产品....

  屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个:一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域;....

  文中将分析EMC设计的3大规律:EMC费效比关系规律;高频电流环路面积S越大, EMI辐射越严重;环....

  常见的ESD试验等级为接触放电:1级——2KV;2级——4KV;3级——6KV;4级——8KV;空气....

  目前业界很多公司都是在前期设计阶段没有考虑EMC方面问题,往往是在在产品样机出来再进行EMC摸底测试....

  考虑到高密度LED显示屏将会逐步从专业室内领域过渡进入大众室内,加之人们对自身健康安全的需求日益增强....

  在讲提高功率因数意义之前先科普一下功率的相关知识。功率分为三种:有功功率、无功功率、视在功率。

  交流电有一个好处就是通过电磁感应可以用变压器来改变其电压,而且可以升高到几十万伏进行远距离传输以减小....

  石英晶振是石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称,它是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件,可分无....

  我们可以从以下几个方面分析功率因数补偿的原因:从阻抗角度分析:对于感性负载,其阻抗Z=R+L*j*w....

  交流电流过负载时,加在该负载上的交流电压与通过该负载的交流电流产生相位差,人们便从中引出功率因数这一....

  功率因数校正(PFC)是缓解电能质量问题的关键,因为更多的无功源将连接到电网中。本文介绍功率因数对电....

  在低频时,导线大致上只具有电阻的特性。但在高频时,导线就具有电感的特性。因为变成高频后,会造成阻抗大....

  PCB是电子产品最基本的部件,也是绝大部分电子元器件的载体。当一个产品的PCB设计完成后,可以说其核....

  接地设计尽管是EMC设计中最重要的方面通常处理的问题并不容易直观理解;其实每一个电路最终都要有一个参....

  开关电源及数字设备由于脉冲电流和电压具有很丰富的高频谐波,因此会产生很强的辐射。

  胡衡毅:大家好!我是村田电子的EMC工程师,我将利用这次机会和大家一起讨论,近场分析在EMC中有哪些应用? ...

  本文详细阐述了混合集成电路电磁干扰产生的原因,并结合混合集成电路的工艺特点提出了系统电磁兼容设计中...

  电子产品单板PCB对外产生的干扰既可能是差模干扰,也可能是共模干扰。产生干扰的原因是单板PCB上存在....

  电气化正在掀起汽车行业的风潮,很多人相信其将彻底改变未来的汽车产业。全球主要汽车制造商也在积极推动并....

  一、照明电路电流计算及熔丝刀闸的选择口诀:白炽灯算电流,可用功率除压求;日光灯算电流,功率除压及功率....

  过去,在正弦电流的网络里,人们习惯于通过并联电容器来改善功率因数。这是因为,在正弦电流网络里,功率因....

  电机控制系统作为新能源汽车的核心零部件,其产生的EMC干扰大小,直接影响着整车EMC性能,从实际经验....

  功率因数(Power Factor是衡量电气设备效率高低的一个系数。它的大小与电路的负荷性质有关, ....

  针对当前严峻的电磁环境,分析了电磁干扰的来源,通过产品开发流程的分解,融入电磁兼容设计,从原理图设计、PCB设...

  电磁兼容性元器件是解决电磁干扰发射和电磁敏感度问题的关键,正确选择和使用这些元器件是做好电磁兼容性设....

  功率因数(Power Factor)是衡量电气设备效率高低的一个系数。它的大小与电路的负荷性质有关,....

  功率因数(Power Factor是衡量电气设备效率高低的一个系数。它的大小与电路的负荷性质有关, 如白炽灯泡、电阻炉等电...

  什么是功率因数补偿,什么是功率因数校正: 功率因数补偿:在上世纪五十年代,已经针对...

  看了AN-639的应用手册,对功率因数的计算还是有些疑问 AN-639中这样描述 我想问下这个比例是如何确定的,他是...


365滚球
© 2013 北京格林吉能源科技有限公司.版权所有