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开关电源分析
测过的开关电源合照 电路板 滤波、整流 pwm芯片 测试中用到的阻性负载。左边四个22欧姆电阻并联,用于5V;中间两个56欧姆并联,用于24伏;右边一个56欧姆,用于36伏。 带宽限制为20M,交流输入,测到这个。令人沮丧的波形。可以看出开关频率为82K。 已经测试过能拿到的所有电源,只有MW D-60B没有这种纹波,很干净。其他的或轻或重,都有这种纹波。 电源地(E)与输出地短接测到的波形 这个我曾做过比较仔细的测试,包括双电源协同工作,纹波,负载能力…… 纹波在5V的时候一般都超过0.1V,双电源备份协同工作时一块不工作以后响应还是比较快的,肖特基整流二极管和电源模块的温度特性不好,随着温度的上升有很大的压降,50与56度竟有0.3-0.4V的压降,一共才5V啊。 . 包络的周期是100HZ。 推论是:桥式整流,二极管导通期间,产生震荡。通过2楼图中视野中心的Y电容注入大地(E)。 为了证实这一点,去掉两个Y电容,再测试,无论如何,波形干净得像公仆了! 问题是:Y电容能去掉吗? 试过在四个二极管上并联103电容,结果震荡更甚。 Y电容放在共模电感的前面和放在共模电感的后面,滤波效果大不一样的,具体怎么不一样我忘记了,好象Y电容放在共模电感的后面效果会更好一些,如果是两级复合式滤波可能会更好吧 串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声,共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。
EMI基本电路 上面的图有两个输入端、两个输出端和一个接地端,使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈(亦称共模电感)L、滤波电容C1~C4。L对串模干扰不起作用,但当出现共模干扰时,由于两个线圈的磁通方向相同,经过耦合后总电感量迅速增大,因此对共模信号呈现很大的感抗,使之不易通过,故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上,当有电流通过时,两个线圈上的磁场就会互相加强。
两级复合式EMI滤波器 上图是一种两级复合式EMI滤波器的内部电路,由于采用两级滤波,因此滤除噪声的效果更佳。针对现场存在重复频率为几千赫兹的快速瞬态群脉冲干扰的问题,国内外还开发出群脉冲滤波器,能对上述干扰起到抑制作用。
单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器 为减小体积、降低成本,单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器 图(a)与图(b)这样的电路一般在开关电源里很少见(整体效果不好). 图(c)中的L、C1和C2用来滤除共模干扰,C3和C4滤除串模干扰。R为泄放电阻,可将C3上积累的电荷泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性;断电后还能使电源的进线端L、N不带电,保证使用的安全性。 图(d)则是把共模干扰滤波电容C3和C4接在输出端。这个C3和C4就是Y电容, 通过用电流探头检测L线上的电流与纹波电压的关系,进一步明确了异常纹波与二极管导通的关系,最大的可能,是整流二极管导通期间引发震荡,通过Y电容注入大地。如果电路的GND与大地(E)联通,干扰便进入了系统。这与电源输出滤波单元无关。 去掉Y电容,异常纹波消失,能证实以上的推测。 EMI电路的作用,简单说是不许L、N线上的干扰进来,也阻止电源的杂波进入L、N 。有关标准中是否涉及:电源是否可以向大地(E)注入杂波? 如果电源会向大地注入杂波,由于在很多应用中,GND与大地(E)连通,而接地电阻也不会是0,这杂波必然会回到系统中。 (蓝色为L线电流示意,)。 从LZ的若干实验基本可以判断出以下结论:输出地线上的干扰主要是由于在整流桥导通阶段,原边线圈开关的时候,原边整流电路耦合电容上的纹波电压通过Y电容耦合到地线的。 要想减小这个纹波干扰,可以从整流去耦电路方面想办法,例如减小去耦电容的ESR(最直接的办法是加大电容,不过这是高压电容,成本上未必承受得起),或者是在整流后加一级Pi型LC滤波。 当然,把Y电容放到去耦电感之前,也应该能够减小这个干扰,不过这样一来,尽管内部干扰串进去的机会小了,可是外来干扰串进来的机会就大了,需要仔细权衡。最合适的做法应该是外部电源输入先经过一级共模电感,然后接Y电容,再接一级差模电感,再到整流桥。 嗯,补充一句,这个干扰应该不是什么振荡,就是变压器原边开关产生的。还有一个试验可以证明这个结论,测量不同负载下的输出纹波干扰,如果在轻载下干扰小,重载下干扰大,就更加能够证明上述分析。因为重载时原边线圈的开关电流更大,在耦合电容上会产生更大的纹波电压。 |
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