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解析PWM开关稳压电源尖峰干扰
http://www.dykf.com  2014-10-5  电源开发网
          ★★★

1 引言

  PWM(PulseWidthmodulation)型开关稳压电源具有体积小、效率高的优点,作为电源设备在许多领域得到了广泛的应用。但是,开关三极管的工作状态转换持续期短、频谱甚宽的尖峰干扰是其致命弱点,它不仅影响开关电源本身,而且还会干扰邻近的其它电子设备。

  开关稳压电源工作时开关三极管和续流二极管(亦可以是另一个开关三极管)总是交替地导通或者截止,图1中KQ和KD并非是理想器件,两种状态的转换需要一定的时间,这就产生了尖峰干扰。在状态转变过程中,该导通的开关没有完全导通,而该截止的开关却又没有截止的瞬间,电源到地有直接的通路,产生瞬态电流Is。该电流跟开关三极管导通时的电流Imax及截止时的电流Icmin的差值、开关KQ和KD同时导通的持续时间等因素有关。由于电路分布参数的影响,在波形上出现振铃振荡。

  2 功率开关管瞬时导通的持续时间对尖峰干扰的影响

  晶体管的开启和关断时间跟其截止频率成反比。开启、关断时间越短,开关速度就越快。同时导通的持续时间取决于KQ和KD所使用的器件的开关速度。用速度不同的开关器件比较,开关器件的速度越快,同时导通的持续时间越短,尖峰干扰越是宽度窄、幅度大。

  3 减小变压器漏感引起的电压尖峰

  变压器的漏感越大,电压尖峰越高,射频干扰也就越大。特别是变压器采取屏蔽后,由于耦合差,漏感也相应大一些。一般说,用环型磁芯绕制的变压器产生的漏感要比E型小些。另外,绕线工艺也很重要,较好的绕线方式是先绕初级总圈数的一半,再绕次级的全部圈数,最后再绕初级的剩余一半,即次级线圈在初级线圈的中间。这样初级线圈保持有较好的耦合,使变压器有较小的漏感。

  4 功率管的开关波形对尖峰干扰的影响与抑制

  开关波形Usr(t)的方正度影响尖峰干扰。矩形波的谐波幅度随频率增加而减小的速率为20dB十倍频程,梯形波则为40dB?十倍频程。有意识地改变矩形波的陡峭程度和两角的钝化程度可抑制高频分量、减小尖峰干扰。故要合理地选择开关三极管和续流二极管的开关速度。

  对开关三极管而言,有两种方法可减小尖峰干扰,即增大Vce的上升时间和减小Ic的下降时间。图2电路中,在确定了KQ之后,可从图3看出,增大KD的开启时间、减小关断时间可以减小尖峰干扰。

  在开关三极管的CE之间,或者在续流二极管的两端并联RC缓冲电路可使尖峰干扰明显减小。图3中,三极管T关断时,集电极电压上升,通过D和R1对C充电,使其上升速率变缓,选择充电常数CR1的值可以控制上升速率。T导通时,D截止,C对R1和R2放电,限制了导通瞬间的峰值电流。该缓冲电路改变了负载线的形状,减少了开关三极管的损耗。在续流二极管两端并上RC电路也同样有效。图3中,当用3DD11和2CK120C时,可并0.022LF左右的电容器(f=2kHz),该电容的容量有一最佳值,它的作用可以从图4看出。图4(a)是不加C的情况,将其在时间轴上放大后为图4(b)。并上缓冲电容后分别见图4(c)和(d)。

  5 在输入电网中,部噪声的抑制方法

  开关稳压电源中开关快速通断,didt很大,在供电系统的漏电感上产生幅度很大的瞬态压降,使输入电压源有一个时间很短的瞬时跌落,破坏电网的正常波形、形成干扰。输入电源中的干扰也会影响开关稳压电源。输入滤波器具有一定的隔离作用,通常采用P型LC平衡滤波器,对脉动干扰可以衰减20dB,尖峰干扰也能衰减6dB之多。电感量的计算式:

  式中E尖峰是尖峰干扰电压(Vp-p),f尖峰是尖峰干扰的频率(Hz)。还应考虑到流过电感的直流电流值,以免饱和。

  Isr是开关稳压电源的最大输入直流电流(A),Usr是输入直流电压(V)。用市电供电的电源系统,滤波器应装在一铝质密封小盒内,小盒放在机箱内,电源线进入孔的旁边,使电源线一进入机箱就到滤波小盒,然后再引出至电源开关、整流器。倘若在整流器之前采用变压器,则应在其初、次级加隔离。

  6 输出电容器对尖峰干扰的影响

  开关稳压电源的输出电容量大,需用电解电容器。普通电解电容的高频特性不好,存在着较大的等效电感和电阻,故阻抗大,尖峰噪音也大。高频电解电容器是具有优良高频特性的低电感器件,它对脉冲源及输出电压提供了很好的与接地回路的隔离,并提供良好的噪声滤波。

  目前有三种高频电解电容器,一种是四端电容器,它的高频特性良好,但是负载电流流过电容器内部使之发热,故电流要限制在10A以下;二是大型高频滤波电解电容器,它有承受大电流的能力但高频特性不及前者好;第三种是高频滤波电解电容器,优点是体积小。不改变电路的其它参数,假若用普通电解电容器时尖峰干扰为150mVp-p,而用四端电容则为50mVp-p。用一定容量的聚碳酸脂电容或高频陶瓷电容跟输出电解电容并联,可以进一步降低尖峰干扰。 开关稳压电源布线对尖峰干扰的抑制

  开关稳压电源工作时向空间辐射干扰。辐射噪音电平与辐射源的距离成反比。一般离5cm以外布线即可。若结构上不允许则应加屏蔽。电源输入线周围产生很强的电磁场,为减小输入线和输出线之间的电磁耦合,两者必须远离。

  流过开关大电流的导线应尽量短,并且不跟其它线交连。降压型开关稳压电源的续流二极管或者升压型的开关三极管的接地端应以最短的引线直接与输出电容的地端相连。图5表示了布线的影响,尖峰干扰通过环路I辐射,故构成这一环路的各段连线的感性耦合必须最小,电容器的引线要短,以减小引线电感。

  为减小输出线上的损耗和尖峰干扰,输出到负载的连线应短。图6画出了对三种不同长度的输出线,当负载电流为8A时,在负载端所测得的干扰波形。输出线长,尖峰干扰的幅度大、宽度也宽。相同长度的输出线,线径粗则尖峰干扰幅度大、宽度宽。用双绞线能有效地衰减电磁感应电势,表1说明对感应电势衰减的数值随扭距变短而增大。

  输出线的接法对尖峰干扰有很大的影响。用双绞线直接从输出电容器的高端和低端输出,可使正、反向的干扰电流抵消。否则干扰电流流经输出线,会在线上产生一个很大的尖峰干扰电压。当开关稳压电源供几个负载使用时,从输出电容分别用双绞线馈送到各负载为好。实际应用中馈线很长,带有长输出线的开关稳压电源,它的尖峰干扰较大。为此,可在输出端或在负载的输入端加设LC低通平衡滤波器。例如某开关稳压电源输出2m长的馈线到负载,在负载端的尖峰干扰为3Vp-p,若在负载侧加LC滤波器,则下降为100mVp-p。不接电感L,只加电容则尖峰干扰为1Vp-p,可见小电感L是必须的。

  8 结语

  综上所述,脉冲宽度调制开关稳压电源所产生的噪音的频谱很宽,从几赫兹到几十兆赫兹,根据本文所分析的因素,按照以上所讨论的方法,可以有效地抑制这些噪声中的尖峰干扰。

  对于个别电路,则采用其中的若干种进行组合,往往就可奏效。目前,要使开关稳压电源的噪音达到毫伏峰-峰数量级,尚有许多难处。但是,随着元件的进展、工艺水平的提高以及对噪音问题的认识深化,开关稳压电源的输出噪音是可能达到新水平的。

来源:火控雷达技术  作者:熊亚兰  点击:  录入:admin
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