开关电源电磁干扰与出现电感啸叫声音的解决方

2020-08-18 11:26字体:
  

  (英文:Switching Mode Power Supply),又称调换式、开合变换器,是一种高频化电能转换安装。其功效是将一个位准的电压,透过区别地势的架构转换为用户端所需求的电压或电流。是诈欺新颖电力电子时间,担任开合管开通和合断的时光比率,保护稳固输出电压的一种电源,大凡由脉冲宽度调制(PWM)担任IC和MOSFET组成。跟着电力电子时间的生长和改进,使得开合电源时间也正在连续地改进。目前,开合电源以小型、轻量和高效力的特质被寻常操纵险些一切的电子摆设,是当今电子音信资产飞速生长弗成欠缺的一种电源式样。

  开合电源存正在着共模搅扰和差模搅扰两种电磁搅扰地势。遵循理解的电磁搅扰源, 联络它们的耦合途径, 可能从EMI 滤波器、汲取电道、接地和障蔽等几个方面来压迫搅扰, 把电磁搅扰衰减到承诺限制之内。

  滤波是一种压迫传导搅扰的门径, 正在电源输入端接上滤波器可能压迫来自电网的噪声对电源自身的伤害, 也可能压迫由开合电源形成并向电网反应的搅扰。电源滤波器行动压迫电源线传导搅扰的紧张单位, 正在摆设或体例的电磁兼容策画中具有极其紧张的效率。电源进线 所示的EMI 滤波器电道。该电道可能有用地压迫交换电源输入端的低频差模骚扰和高频段共模骚扰。正在电道中, 跨接正在电源两头的差模电容Cx1、Cx2 ( 亦称X 电容) 用于滤除差模搅扰信号, 大凡采用陶瓷电容器或聚脂薄膜电容器, 电容值平时取0.1~ 0. 47F。而中央连线 ( 亦称Y 电容) 则用来短道共模噪声电流, 取值畛域平时为C1=C2 # 2 200 pF。压迫电感L1、L2 平时取100~ 130H, 共模扼流圈L 是由两股等同而且按同倾向绕制正在一个磁芯上的线圈构成, 平时恳求其电感量L#15~ 25 mH。当负载电流度过共模扼流圈时, 串联正在前哨上的线圈所形成的磁力线和串联正在零线上线圈所形成的磁力线倾向相反, 它们正在磁芯中彼此抵消。所以, 纵使正在大负载电流的情状下, 磁芯也不会饱和。而对待共模搅扰电流, 两个线圈形成的磁场是同倾向的, 会展示较大电感, 从而起到衰减共模搅扰信号的效率。

  开合电源形成EMI 的首要因由是电压和电流的快速蜕变, 于是必要尽或许地低落电道中电压和电流的蜕变率( du/ dt 和di/ dt ) 。采用汲取电道可以压迫EMI, 其根基道理便是正在开合合断时为其供给旁道, 汲取积累正在寄生漫衍参数中的能量, 从而压迫搅扰的爆发。可能正在开合管两头并联如图2( a) 所示的RC 汲取电道, 开合管或二极管正在开通和合断流程中, 管中形成的反向尖峰电流和尖峰电压, 可能通过缓冲的门径予以战胜。缓冲汲取电道可能淘汰尖峰电压的幅度和淘汰电压波形的蜕变率, 这对待半导体器件利用的安详性至极有好处。与此同时, 缓冲汲取电道还低落了射频辐射的频谱成份, 有益于低落射频辐射的能量。箝位电道首要用来防守半导体器件和电容器被击穿的损害。统筹箝位电道偏护效率和开合电源的效力恳求,TVS 管的击穿电压挑选为低级绕组感触电压的1. 5倍。当TVS 上的电压进步必定幅度时, 器件赶速导通, 从而将浪涌能量泄放掉, 并将浪涌电压的幅值局限正在必定的幅度。正在开合管漏极和输出二极管的正极引线上可串联带可饱和磁芯线圈或微晶磁珠, 材质大凡为钴, 当通过寻常电流时磁芯饱和, 电感量至极小。一朝电流要反向流落后, 它将形成至极大的反电势, 如此就能有用地压迫二极管的反向浪涌电流。

  压迫辐射噪声的有用门径便是障蔽。可能用导电机能精良的资料对电场举行障蔽, 用磁导率高的资料对磁场举行障蔽。为了防守变压器的磁场泄露, 使变压器首次级耦合精良, 可能诈欺闭合磁环变成磁障蔽,如罐型磁芯的漏磁通就分明比E 型的小良众。开合电源的毗连线, 电源线都应当使东西有障蔽层的导线,尽量防守外部搅扰耦合到电道中。或者利用磁珠、磁环等EMC 元件, 滤除电源及信号线的高频搅扰。可是, 要谨慎信号频率不行受到EMC 元件的搅扰, 也便是信号频率要正在滤波器的通带之内。全盘开合电源的外壳也必要有精良的障蔽性情, 接缝处要切合EMC法则的障蔽恳求。通过上述要领保障开合电源既不受外部电磁处境的搅扰也不会对外部电子摆设形成搅扰。

  正在策画高频变压器时必需把漏感减到最小。由于漏感越大, 形成的尖峰电压幅值越高, 漏极箝位电道的损耗就越大, 这势必导致电源效力低落。减小变压器的漏感平时采用淘汰原边绕组的匝数、增大绕组的宽度、减小各绕组之间的绝缘层等要领。

  变压器首要的寄生参数为漏感、绕组间电容、交叉耦合电容。变压器绕组间的交叉耦合电容为共模噪声流过全盘体例供给了通道。

  正在变压器的绕制流程中采用法拉第障蔽来减小交叉耦合电容。法拉第障蔽浅易来说便是用铜箔或铝箔包绕正在原边绕组和副边绕组之间, 变成一个外观障蔽层分隔区, 并接地, 其华夏边绕组和副边绕组交织绕制, 以减小交叉耦合电容。正在装置规程上大凡恳求散热器接地, 那么开合管漏极与散热器之间的寄生电容就为共模噪声供给了通道, 可能正在漏极和散热器之间加一铜箔或铝箔并接地以减小此寄生电容。

  开合电源必要珍贵地线的毗连, 地线负担着参考电平的重担, 希罕是担任电道的参考地, 如电流检测电阻的地电平易无分隔输出的分压电阻的地电平。

  ( 1) 摆设的信号接地。摆设的信号接地, 或许是以摆设中的一点或一块金属来行动信号的接地参考点,它为摆设中的一切信号供给了一个群众参考电位。如浮地和同化接地, 此外另有单点接地和众点接地。

  ( 2) 摆设接大地。正在工程试验中, 除严谨探讨摆设内部的信号接地外, 平时还将摆设的信号地, 机壳与大地连正在一齐, 以大地行动摆设的接地参考点。

  担任信号的地电平衰减应尽或许的小, 所以, 采用担任个别一点接地, 然后将群众毗连点再单点接至功率地。这种接地式样可能使噪声源和敏锐电道分袂。此外, 地线尽量铺宽, 对空缺区域可敷铜填满, 力图低落地电平偏差和EMI。

  正在安装中尽量采用外观贴装元器件, 使拼装密度更高, 体积更小, 重量更轻, 牢靠性更高, 高频性情好,减小电磁和射频搅扰。

  PCB 中带状线、电线、电缆间的串间是印刷电道板线道中存正在最难战胜的题目之一[ 7] 。开合电源的辐射骚扰与电流畅道中的电流巨细、通道的环道面积、以及电流频率的平方的乘积成正比, 所以PCB 的组织策画将直接联系到整机电磁兼容机能。正在策画开合电源印制电道板时, 必需从组织及走线的优化策画出手。

  1、 输入、输出端用的导线应尽量避免相邻平等。最好加线间地线, 免得爆发反应耦合;

  2、 印制板导线尽量采用宽线, 越发是电源线、 印制导线拐弯处大凡采用圆弧形;

  1、遵照电道的流程调度各个功效电道单位的名望, 使组织便于信号流畅, 并使信号尽或许连结一概的倾向。

  2、 以每个功效电道的主旨元件为核心, 环绕它来举行组织。元器件应平均、井然、紧凑地罗列正在PCB上, 尽量淘汰和缩短各元器件之间的引线、 正在高频下职业的电道, 要探讨元器件之间的漫衍参数。大凡电道应尽或许使元器件平等罗列。

  囊括未含浸凡立水(Varnish)。啸叫并惹起波形有尖刺,但大凡带载技能寻常,希罕解释:输出功率越大者啸叫越甚之,小功率者则发挥不必定分明。一款72W的充电器产物中就有过带载不良的体验,并正在此产物中挖掘对磁芯的材质有着端庄的恳求。(此款产物客户恳求较为端庄)填充一点,当变压器的策画欠佳也有或许职业时振动形成异响。

  2、 PWM IC接地走线失误:平时产物发挥为会有个别能寻常职业,但有个别产物却无法带载并有或许无法起振的阻滞,希罕是操纵某些低功耗IC时,更有或许无法寻常职业。

  3、光耦(Opto Coupler)职业电流点走线失误:当光耦的职业电流电阻的名望毗连正在次级滤波电容之前时也会有啸叫的或许,希罕是当带载越众时更甚。

  4、基准稳压(Regulator)IC TL431的接地线失误:同样的次级的基准稳压IC的接地和低级IC的接地相似有着相像的恳求,那便是都不行直接和变压器的冷地热地相毗连。倘使连正在一齐的后果便是带载技能降低而且啸啼声和输出功率的巨细呈正比。

  当输出负载较大,靠近电源功率极限时,开合变压器或许会进入一种不稳固形态:前一周期开合管占空比过大,导通时光过长,通过高频变压器传输了过众的能量;直流整流的储能电感本周期内能量未充隔离释,经PWM推断不才一个周期内没有形成令开合管导通的驱动信号或占空比过小;开合管正在之后的全盘周期内为截止形态,或者导通时光过短;储能电感历程众于一全盘周期的能量开释,输出电压降低,开合管下一个周期内的占空比又会大云云循环不息,使变压器爆发较低频率(有法则的间歇性全截止周期或占空比激烈蜕变的频率)的振动,发出人耳可能听到的较低频率的声响。同时,输出电压动摇也会较寻常职业增大。当单元时光内间歇性全截止周期数目抵达总周期数的一个可观比例时,以至会令原来职业正在超声频段的变压器振动频率低落,进入人耳可闻的频率畛域,发出锋利的高频“啸叫”。此时的开合变压器职业正在紧要的超载形态,光阴都有销毁的或许这便是很众电源销毁前“惨叫”的由来,置信有些用户也曾有过相像的通过。

  或者负载很轻时开合管也有或许显现间歇性的全截止周期,开合变压器同样职业正在超载形态,同样至极损害。针对此题目,可通过正在输出端预置假负载的门径治理,但正在极少“俭省”的或大功率电源中仍偶有爆发。当不带载或者负载太轻时,变压器正在职业时所形成的反电势不行很好的被汲取。如此变压器就会耦合良众杂波信号到你的1.2绕组。这个杂波信号囊括了很众区别频谱的交换分量。个中也有很众低频波,当低频波与你变压器的固有振荡频率一概时,那么电道就会变成低频自激。变压器的磁芯不会发作声响。咱们明确,人的听觉畛域是20--20KHZ。以是咱们正在策画电道时,大凡都加上选频回道。以滤除低频成份。从你的道理图来看,你最好是正在反应回道上加一个带通电道,以防守低频自激。或者是将你的开合电源做成固定频率的即可。

  置信群众碰到过这种情状,开合电源正在满载后乍然将电源短道测试,有功夫会听到电源有啸叫的情状;或者是正在设备电流偏护时,当电流调试到某一段位,会有啸叫,其啸叫的声响抑扬抑扬,甚是烦人,究其因由首要为以下:当输出负载较大,靠近电源功率极限时,开合变压器或许会进入一种不稳固形态:前一周期开合管占空比过大,导通时光过长,通过高频变压器传输了过众的能量;直流整流的储能电感本周期内能量未充隔离释,经PWM推断,不才一个周期内没有形成令开合管导通的驱动信号或占空比过小;开合管正在之后的全盘周期内为截止形态,或者导通时光过短;储能电感历程众于一全盘周期的能量开释,输出电压降低,开合管下一个周期内的占空比又会大

  云云循环不息,使变压器爆发较低频率(有法则的间歇性全截止周期或占空比激烈蜕变的频率)的振动,发出人耳可能听到的较低频率的声响。 同时,输出电压动摇也会较寻常职业增大。当单元时光内间歇性全截止周期数目抵达总周期数的一个可观比例时,以至会令原来职业正在超声频段的变压器振动频率低落,进入人耳可闻 的频率畛域,发出锋利的高频“哨叫”。此时的开合变压器职业正在紧要的超载形态,光阴都有销毁的或许这便是很众电源销毁前“惨叫”的由来,置信有些用户也曾有过相像的通过。 空载,或者负载很轻时开合管也有或许显现间歇性的全截止周期,开合变压器同样职业正在超载形态,同样至极损害。

  针对此题目,可通过正在输出端预置假负载的门径治理,但正在极少“俭省”的或大功率电源中仍偶有爆发。当不带载或者负载太轻时,变压器正在职业时所形成的反电势不行很好的被汲取。如此变压器就会耦合良众杂波信号到你的1.2绕组。

  这个杂波信号囊括了很众区别频谱的交换分量。个中也有很众低频波,当低频波与你变压器的固有振荡频率一概时,那么电道就会变成低频自激。变压器的磁芯不会发作声响。咱们明确,人的听觉畛域是20--20KHZ.以是咱们正在策画电道时,大凡都加上选频回道。以滤除低频成份。从你的道理图来看,你最好是正在反应回道上加一个带通电道,以防守低频自激。或者是将你的开合电源做成固定频率的即可。

  该电阻的效率是检测输出电流,当输出电流进步阀值时,将紧闭输出电流。遵循负载瞬态最大电流的恳求来调动限流电阻的取值,使最大输出电流不小于瞬态最大电流。

  C112为内部颠簸电道的频率调动电容,电容变小,则频率升高,大凡情状,输出方波频率等于该颠簸频率。频率越高输出纹波越小。

  L110电感量越大,则输出纹波越小,纹波的巨细还会影响到输出电压调动的灵巧度,纹波越小,灵巧度越高,输出电压越稳固。可是芯片的SE脚将显现错乱的窄脉冲开合电流波形,L110电感容易啸叫。纹波越大,输出灵巧度越低,输出电压稳固度低落,SE脚显现开合电流频率较稳固,L110电感不会啸叫。

  C115的ESR越小,则承诺流经电容的纹波电流越大,保障电容利用寿命的同时,纹波电压也越小。同样电容的容量越大,纹波电压也越小。

  R117为反应电阻,把输出方波叠加正在锯齿波上,可能低落电压调动灵巧度,稳固输出方波电流,避免电感啸叫。

  稳压电源电道输出的开合电流的频率靠近或落入音频畛域,或周期性方波群的周期频率靠近或落入音频畛域。周期性电流历程电感线圈,形成交变磁场,该电感线圈正在交变磁场效率下形成振动而发作声响。

  34063的输出稳压是以PWM式样达成的,芯片的最大占空比的局限以及输出电压,定夺了最低输入电压,而芯片的耐压定夺了最高输入电压,正在电压调动灵巧度妥善的情状下,输入电压变高,则输出方波脉宽变窄,即占空比变小,当输入电压高到某个数值时,占空比无法再小,为了接连稳压,区别的芯片有区别的惩罚式样,有的低落频率,有的则周期性的丢掉极少脉冲。

  周期性丢掉的脉冲群倘使周期频率靠近或落入音频畛域,就会爆发电感啸叫的情状,而倘使降频惩罚后的开合电流的频率靠近或落入音频畛域,也会惹起电感的啸叫。

  升高输出开合电流的频率。当“输入输出比”较大时,对待会周期性丢掉脉冲的芯片来讲,可调动如上图所示C112,低落频率,来获取更大的占空比调动畛域,避免显现周期性的方波群落入音频的畛域,从而避免电感的啸叫。

  调动R117反应电阻,即蜕变电压调动灵巧度,避免开合电流频率显现靠近或落入音频周期畛域内的周期性方波群。从而避免电感的啸叫。

  增添C111电容,低落电压调动灵巧度,避免开合电流频率显现靠近或落入音频周期畛域内的周期性方波群。从而避免电感的啸叫。

  正在纹波承诺畛域内,妥善加大纹波幅度,需要的线 电感革新工艺,减小振动啸叫,如恳求供应商加众浸漆工序等。

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