设计开关电源时防止电磁干扰(EMI)的三个技巧

发布时间:2024-12-13 阅读量:1686 来源: 我爱方案网 作者: bebop

开关电源具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、工作稳定、安全可靠以及稳压范围宽等优点,而被广泛应用于计算机、通信、电子仪器、工业自动控制、国防及家用电器等领域。但是开关电源瞬态响应较差、易产生电磁干扰,且EMI信号占有很宽的频率范围,并具有一定的幅度。这些EMI信号经过传导和辐射方式污染电磁环境,对通信设备和电子仪器造成干扰,因而在一定程度上限制了开关电源的使用。

EMI问题说大不大,但如果不能及时发现并解决,后期想整改就要额外耗费大量时间和资金成本。特别对于部分中小型企业来说,异常繁琐的EMI整改可能会带来BOM成本等不菲的开销,更甚者会阻碍后期的设计进度。
下文收集整理了三个有助于降低开关电源产生的EMI的设计技巧,帮助工程师轻松搞定开关电源EMI问题,并推荐能有效降低EMI的电子元器件。
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一、利用开关频率调制技术


频率控制技术是基于开关干扰的能量主要集中在特定的频率上,并具有较大的频谱峰值。如果能将这些能量分散在较宽的频带上,则可以达到降低于扰频谱峰值的目的。通常有两种处理方法:随机频率法和调制频率法。


随机频率法是在电路开关间隔中加人一个随机扰动分量,使开关干扰能量分散在一定范围的频带中。研究表明,开关干扰频谱由原来离散的尖峰脉冲干扰变成连续分布干扰,其峰值大大下降。


调制频率法是在锯齿波中加人调制波(白噪声),在产生干扰的离散频段周围形成边频带,将干扰的离散频带调制展开成一个分布频带。这样,干扰能量就分散到这些分布频段上。在不影响变换器工作特性的情况下,这种控制方法可以很好地抑制开通、关断时的干扰。


二、控制器件开关速度


在开关电源设计中为提高功率密度,通常会选择开关频率更高的MOSFET,通过提高开关速度显著减小输出滤波器体积,从而在单位体积内实现更高的功率等级。
但随着开关速度的提高,功率开关管通/断时的du/dt也会随之升高,而这恰恰就是导致EMI的主要原因之一。不仅如此,高du/dt还会对电机绕组的绝缘产生不利影响,加速漆包线、绝缘环等绝缘件的老化,对电机的绝缘设计带来了新的挑战。因此,控制器件开关速度进而减小功率开关管通/断的du/dt也成为了抑制开关电源干扰的一项重要措施。
MOSFET等效电路(图源:Mouser)

由此来看,如何选择MOSFET也是关键一步,快包平台提供的新洁能500v MOSFET产品就是很好的选择。

新洁能推出的500V MOS管产品系列涵盖导通电阻从110mohm至2200mohm多个产品规格。500V 电压平台还开发了具有快速恢复体二极管特性的F系列产品,该系列产品通过优化体二极管特性,减小反向恢复电荷和反向恢复时间,提升了体二极管反向恢复速度。在LLC等桥式电路中具有损耗低、可靠性高的性能优势。

Gen.4超结MOSFET 500V小电流产品可以用于非隔离照明电源等,也可以用于LLC 谐振电路中,替代以往的600V产品,更具成本优势。此外,500V产品由于具备更低的特征导通电阻,所以可以封装进更小的封装体积。比如可以在TO-252中封装导通电阻典型值110mohm的产品。

参数亮点

(图源新洁能)

三、保护敏感电路

开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器(EMI)、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成,而辅助电路包括了输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。

常见的电源保护方法包括防浪涌软启动电路;过压、欠压及过热保护电路;缺相保护电路;短路保护。下图就是典型的输入EMI抑制电路。当电网受到雷击时,产生高压经输入线导入开关电源设备时,由FS1、ZNR1、RTH1组成防雷浪涌电路进行保护。

输入EMI滤波电路图(图源:Mouser)
R1、R2、C2、C4、LF1、LF2组成的π型滤波电路,是输入滤波电路,主要是对电网串入的电磁噪声进行抑制,防止对开关电源干扰,同时也抑制开关电源内部产生的高频噪声干扰电网,弱化电网的电磁污染。

总结:


随着开关电源的体积越来越小、功率密度越来越大,EMI控制问题成为开关电源稳定性的一个关键因素。由上述分析可知,采用开关频率调制技术、控制器件开关启动速度及保护敏感电路等技巧,可以有效地抑制、消除干扰源及受扰设备之间的祸合和辐射,切断电磁干扰的传播途径,从而提高开关电源的电磁兼容性。


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