开关电源广泛应用于计算机及外围设备、通信、自动控制、家用电器等领域,具有功耗低、效率高、体积小等显著优点,是目前最普遍应用于电子设备中的一种电源装置。
开关电源的突出缺点是由于功率开关管的高速开关动作,产生极强的电磁干扰(EMI)。EMI信号经传导和辐射会污染电磁环境,影响电网和发电系统的工作效率,干扰通信设备和电子产品,是公认的电力公害。为了抑制开关电源对外电磁噪声和外界对内电磁干扰,有必要在开关电源输入线上添加额外的EMI滤波器。
●电磁辐射干扰(采用磁屏蔽)
辐射干扰源主要来自于电源内部较高的开关频率生成的电流变化磁场,这些磁场造成干扰,并通过空间传播。不过由于电源一般有金属外壳作为屏蔽,因此尽管内部电路开关频率较高,但辐射到外界的干扰通常来说仍然是较少的。因此这部分的干扰控制相对比较容易。注意电源外壳上安装风扇以及散热孔的开口形状和位置,即可有效地控制辐射干扰。
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●传导干扰(采用EMI滤波)
任何电源线上传导的干扰信号,均可用差模和共模信号来表示。干扰信号从电源输入端注入到公共电网,形成传导骚扰。
电压电流的变化通过导线传输时有二种形态,我们将此称做“共模”和“差模”。设备的电源线、电话等的通信线、与其它设备或外围设备相互交换的通讯线路,至少有两根导线,这两根导线作为往返线路输送电力或信号。
差模干扰在两导线分别做为往返线路传输,属于对称性干扰;共模干扰是两根导线做去路,地线做返回路传输,属于非对称性干扰。
差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小;共模干扰幅度大、频率高,还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大。
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EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10kHz算起。开关电源的工作频率约为10kHz~100kHz。对开关电源产生的高频段EMI信号,只要选择适当的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器,就可以得到满意效果。
由于共模干扰占传导干扰中的绝大部分,因此大多数电源都没有在板上设置差模滤波电感,而仅使用差模滤波电容;对共模部分则一般设置1~2个共模扼流圈进行两级滤波。
第一级EMI滤波电路一般位于交流电源插头后部,负责第一级共模滤波,第二级EMI滤波电路位于电源电路板前级整流管附近,负责第二级共模滤波。
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原理:
共模电感是绕在同一铁心上的圈数相等、导线直径相等、绕向相反的两组线圈。共模电感本质上是一种匝数比为1:1的变压器。由L
=u/iI可知共模电感量也相应增加。而差模电流经过共模电感时情况则相反,磁通互相抵消,因此差模电感量很小,儿乎为零。理论上共模电感对于共模电流表现为高阻抗,对差模电流表现为零阻抗,主要用来抑制共模噪声干扰。共模电感由于同一铁心上的两组线圈的绕向相反,所以铁心不怕饱和,通常采用干扰抑制专用的铁氧体材料作为磁芯。
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差模电感是绕在一个铁心上的一个线圈。
差模电感就是单个电感,差模电感中流过的工作电流容易使磁通饱和,从而使该电感对差模噪声电流呈现不出电感而达不到滤波效果,因此差模电感的磁芯选择不易饱和的磁粉芯。
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●谐波干扰(采用PFC功率因素校正电路)
PFC的英文全称为“Power Factor
Correction”,意思是“功率因数校正”,功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。
基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度,当功率因素值越大,代表其电力利用率越高。
由于开关电源中整流电路等单元的存在,造成电源电流波形不是如电压一样的理想的同相正弦波,而是发生了波形畸变。如下图:
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这种失真的电流波形可以认为是由于电压波形同相的基波及谐波叠加在一起而形成,如上图。正是由于这种电流谐波分量的存在,才导致了开关电源功率因素的低下。谐波干扰虽然不会对电源本身的性能造成较大影响,但是由于会导致供电电网负荷(电流)增大,线路上的损耗增大,对于节省国家能源,减轻电力系统负担有重大的影响,因此“3C”认证中也对此项进行了考核。
为了抑制电流谐波分量,通过“3C”认证的电源中一般都设置了PFC(功率校正因素)电路。市场里的电源多半采用无源式PFC电路。无源式PFC(被动式PFC)电路一般通过在电路中串联大体积铁芯电感来实现。
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在少数电源中,还使用了能够更有效遏制谐波干扰,功率因素更高的有源PFC电路(主动PFC)。
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