低通滤波抗干扰电路的设计优化

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：低通滤波就是为了防电磁干扰。电压高、频带宽所产生的高次谐波含量高，要抑制电磁干扰，提高电源的工作效率，必须对产生电磁干扰的元器件进行精心设计。图1-30 反馈电路的4种基本类型开关电源的传导干扰是由输入电源传播的，会对所有的电子设备产生严重的干扰。当VT1导通时，二极管VD2、电感L2对主电路进行分流，使VD1上的电流为零，直至VT1截止。另外还有浮地，采用浮地的目的是将电路与公共接地系统可能引起的环流的公共导线隔离开。

低通滤波就是为了防电磁干扰。电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两大类。传导干扰是通过交流电源传播给用电设备的，它的干扰频率一般在30MHz以下，辐射干扰是通过空间大气层对物体的直射或斜射，它的辐射干扰频率为30～100MHz，甚至更高。

对于开关电源中的电磁干扰，我们要搞清楚干扰源来自哪里？干扰的通道和传播方式是什么？在开关电源中，电磁干扰主要来自功率开关管、整流二极管及高频变压器，当然还有一些非线性元器件及印制电路板元器件的布局和走线也不可忽视。功率开关管和高频变压器是处在高频环境下工作的。电压高、频带宽所产生的高次谐波含量高，要抑制电磁干扰，提高电源的工作效率，必须对产生电磁干扰的元器件进行精心设计。

开关管的负载是高频变压器的一次绕组电感。电感负载的特点是电路在开通和关闭瞬间将产生很大的反向电流，称为涌流。这种电流常在变压器一次绕组两端产生浪涌峰值电压。开关管在关断瞬间，由于一次绕组存在有漏感，有相当一部分电能不能传到二次侧，因此，这部分电能将在开关管的集电极或漏极形成尖峰电压，尖峰电压与开关管的关断电压叠加为浪涌电压，此电压对开关管造成严重危害，它还将通过导线由电路输出，形成传导干扰。同样，脉冲变压器的一、二次绕组在开关管的作用下，也将形成高频开关环路电流。这个环路电流将向空中辐射，形成辐射干扰。如果电路中的电容量不足，高频特性不好，高频阻抗高，这时高频电流将以差模方式传到交流电源电路中，形成传导干扰。另外二次整流的反向恢复电流比续流二极管的反向恢复电流小得多，但是，整流二极管的反向恢复电流所形成的干扰信强度大、频带宽、辐射面大，这些都是开关电源研发人员要认真对付的，防止这种干扰源的形成。

图1-30 反馈电路的4种基本类型

开关电源的传导干扰是由输入电源传播的，会对所有的电子设备产生严重的干扰。抑制传导干扰最有效的方法是在电路的输入、输出端加滤波器，还有加缓冲器、减少耦合回路、降低寄生振荡等方式。近年来随着新的电子器件不断出现，人们提出了一些新的抑制方法，包括有新的控制理论和新的无源缓冲电路等。

1.频率调制控制法

由于频率的变化而产生的干扰源的能量在开关频率下都集中在动态元器件上，要抑制这些动态元器件所产生的干扰频率，满足抑制EMI的标准，有一定的困难。开关频率、信号能量抑制是一种比较好的办法。能量调制分布在一个很宽的频带上，产生一系列的分立的边频带。这样将干扰频谱展开，干扰能量被分割成小段分布在各个频段上，经过频率调制，抑制开关电源的EMI被化解、吸收，使这一干扰源能量减小。

以前采用随机频率（Randomized Frequency）控制的主要出发点是在电路中加进一个随机扰动信号，使开关的时间间隔进行不规则变化，则开关噪声频谱由原来离散的尖脉冲变成连续分布频率噪声，这样噪声峰值大大下降。

2.无源缓冲电路

开关电源中的电磁干扰大多是由开关管产生的。其次，输出的整流二极管在导通时，其导通电流不仅将引起大量的开通损耗，还会产生大量的导通电磁干扰信号；在关断时，由于二极管极间电容的存在，同样产生电磁波信号。如果在电路上加进缓冲电路，不仅可以抑制二极管在开通和关断时的电磁干扰，而且具有电路简单、容易控制的特点，因而得到了广泛应用。但传统的缓冲电路结构复杂，很难控制，还可能产生高的电压、电流应力，对开关电源的使用寿命和工作可靠性造成不利。这种缓冲电路不能用于抑制电磁干扰。

图1-31所示是升压式DC/DC变换电路二极管反向恢复电流抑制电路，结构简单，可靠性高。

图1-31 升压式DC/DC变换电路二极管反向恢复电路

如图1-31a所示，VT₁导通后，二极管VD₁截止。由于VD₁上的电压很高，VD₁截止后靠反向尖峰电流加以恢复，反向恢复电流只能由特定的变换器才能抑制。图1-31b所示电路可以较好地解决这一问题。该电路在图1-31a所示电路的基础上增加了二极管VD₂和电感L₂，这两个元件与主电路电感L₁串联，又与主二极管VD₁并联。当VT₁导通时，二极管VD₂、电感L₂对主电路进行分流，使VD₁上的电流为零，直至VT₁截止。由于L₂的作用，VD₂上的反向恢复电流很小，近似于零。这种变换器电路最重要的特点是限制了主二极管的反向恢复电流。这种方法还可以用在输入、输出整流二极管对反向电流的抑制方面。图1-32就是这种方法的运用实例。主二极管的反向电流会对开关管造成很大的电流、电压应力，轻则增加电路的功率损耗，重则会使开关管损坏。图1-33所示是无损缓冲电路，它的工作原理是这样的：主开关管导通时，电流I_L分两部分，一部分流向二极管VD，即电流I_D；另一部分流向L₁，即电流I_L1。当开关管关断时，电流I_L1受VD₁、C₁的限制，利用L₁、C₁、C₂之间的谐振及能量转换，实现对主二极管VD的反向电流的限制，使开关管的损耗、EMI的量大大减少。同时VT导通时，C₁上的能量通过二极管VD₂转移到C₂上；VT关断时，C₂和L₁上的能量传递到负载。这种缓冲电路的损耗很小，效率很高，很有参考价值。

图1-32 输入、输出整流二极管电流抑制电路

图1-34所示是正激式无源补偿电路，利用磁性复位绕组，可以更加方便地进行补偿。补偿电容C_COMP与寄生电容C_PARA的容量大小一样。工作时变压器TR使C_PARA产生的干扰电流与C_COMP所产生的干扰电流大小相同、方向相反，两者叠加后相互抵消，消除了干扰电流。二极管VD₃不但可以保护开关管VT₁，还对TR产生电磁信号起到旁路作用。

图1-33 无损缓冲电路

图1-34 正激式无源补偿电路

3.接地方法

“接地”有两种：一种是设备接大地，另一种是设备仪器信号接地。两者的概念不一样，目的也不同。前一种要求设备接地的接地电阻必须小于0.05Ω，后一种地是设备仪器电位的基准点。另外还有浮地，采用浮地的目的是将电路与公共接地系统可能引起的环流的公共导线隔离开。浮地可以使不同电位间的配合变得容易，可以增强抗干扰性能，使设备稳定工作。

4.屏蔽方法

抑制开关电源产生辐射干扰以及外界对电源的干扰，采用屏蔽的方法是最有效的，也是最普遍的。屏蔽的材料除了电导率良好的金属材料外，还可用磁导率较高的磁性材料。脉冲变压器对磁通的泄漏是最容易发生的，有漏磁就会产生磁场干扰。对这一问题，可以利用闭合环形成磁屏蔽，使磁场在一个环形材料内循环，不向外界散射。另外，还可以对整个开关电源进行电场屏蔽。若用电场屏蔽，则外壳引出线一定要与地连接。磁场屏蔽与电场屏蔽是两个概念，屏蔽的方式有点不同。屏蔽还要考虑散热问题和通风问题，一般在屏蔽外壳上钻圆形通风孔，通风孔以多为好，但孔径要小，防止泄漏。屏蔽外壳的引入、引出线要采取滤波措施，否则不仅不起作用，还可能成为干扰磁场发射天线。如果进行磁场屏蔽，外壳则不需接地。

5.滤波方法

开关电源用得最多的电流处理方法是滤波，如低通滤波、电源滤波、高频滤波、纹波滤波……低通滤波就是将滤波电路安装在开关电源的进线与桥式整流电路之间，它可减少从电网引入的传导干扰噪声，对提高开关电源的可靠性起着十分重要的作用。

传导干扰就是电磁噪声干扰，是开关电源的主要隐患之一。传导干扰又分差模干扰和共模干扰两种。一般共模干扰比差模干扰所产生的电磁辐射能量要大。抑制电磁辐射的最有效方法是采用无源滤波。

低通滤波抗干扰电路的设计优化

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