开关电源的电磁兼容性研究

论文摘要

21世纪伴随着科学技术的发展,特别是通讯技术的发展,在提高人们生活质量和水平的同时,也使得我们的电磁环境越来越复杂。电磁污染已和水与空气受到的污染一样,正在引起人们极大的关注。如何抑制电磁干扰,合理利用频谱资源,净化电磁环境,是人类在未来生存中获得持续发展空间所必须采取的措施。本课题是天津市自然科学基金资助项目,本论文研究工作主要是围绕着开关电源进行的,重点在于研究了开关电源电磁干扰的机理及其采取的有效抑制措施。论文的主要内容包括以下几个方面：1.系统地调研和分析了电磁兼容的概念、电磁兼容的研究内容及其国内外的研究现状和研究领域,对电磁兼容做了进一步的认识。对电磁干扰机理进行了深入的研究。从电磁干扰三要素着手,讨论和分析了常见电磁干扰源的特性及其耦合途径,并重点阐述了传导耦合、共阻抗耦合、感应耦合和辐射耦合的特性。解决传导耦合常采用屏蔽或者滤波的方法；解决公共阻抗耦合一般采用多点接地的方法；而感应耦合则多采用屏蔽、改变导线方向性和接地方法解决；辐射耦合也多采用接地方法把辐射耦合过来的能量屏蔽掉；为解决实际产品中的干扰问题提供了理论依据和分析方法。2.从理论上给出了谐波平衡有限元法分析高频开关电源的电磁兼容性,谐波平衡有限元法不同于传统的时域有限元法和瞬态分析法,谐波平衡有限元法运用正弦函数的线性合成来生成解,并用正弦函数的系数表示波形。它结合有限元法直接在频域解电磁场的稳态响应。实验证明谐波平衡有限元法通常比传统的时域方法更有效。3.对开关电源印制电路板的布局布线进行了分析,根据已经提出的“耦合系数”的概念,实时估算印刷线路间分布电容的大小,在设计时可及时对印制电路板进行修改、改进,能有效减小印制电路板的传导干扰。对无源EMI滤波器的电路原理和有源EMI滤波器的几种拓扑电路进行了研究。研究了具有前馈式的有源EMI滤波器,无感应电流检测装置的有源EMI滤波器和用于三相逆变电机的有源EMI滤波器。解决了随着开关电源开关频率的提高,EMI噪声污染越来越严重的问题。对电磁屏蔽的原理及应用和接地的几种方式：单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电磁兼容简介
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 电磁兼容国际和国内标准
• 1.4 论文研究内容
• 第二章 电磁干扰（EMI）原理
• 2.1 电磁干扰源
• 2.2 电磁干扰的耦合途径
• 2.3 开关电源EMI产生机理
• 2.4 小结
• 第三章 开关电源电磁兼容的模拟与仿真
• 3.1 开关电源变压器中的谐波分析
• 3.1.1 应用于磁路的谐波平衡分析的概念
• 3.1.2 由电流源产生的磁场的谐波平衡有限元法
• 3.1.2.1 由电流源激励产生的磁场的谐波平衡有限元矩阵方程
• 3.1.2.2 电流源激励的开关电源的磁场分析
• 3.1.2.3 电压源激励的非线性磁场系统的谐波平衡有限元法
• 3.2 用于开关电源的高频同轴变压器的屏蔽及耦合效应
• 3.2.1 带屏蔽的高频同轴变压器结构
• 3.2.2 基于边界元法的数值模拟
• 3.3 小结
• 第四章 采用TOPSWITCH-GX系列单片开关电源控制器的设计实例
• 4.1 TOPSWITCH-GX器件简介
• 4.2 TOPSWITCH-GX单片开关电源的电磁兼容设计
• 4.2.1 采用TOPSwitch-GX的开关电源在印制电路板上的设计
• 4.2.2 采用TOPSwitch-GX的开关电源的其他EMI抑制措施
• 4.3 小结
• 第五章 开关电源的电磁兼容抑制技术
• 5.1 实验环境及设备
• 5.2 印制电路板
• 5.2.1 印制电路板设计中的电磁干扰问题
• 5.2.1.1 电磁耦合干扰
• 5.2.1.2 串音干扰
• 5.2.1.3 电磁辐射干扰
• 5.2.2 印制电路板的干扰抑制
• 5.2.2.1 印制电路板的布局布线
• 5.2.2.2 印制电路板的设计
• 5.3 滤波器技术
• 5.3.1 滤波器的工作原理
• 5.3.2 滤波器的分类
• 5.3.3 开关电源的滤波器设计
• 5.3.3.1 EMI滤波电路的典型设计
• 5.3.3.2 无源EMI滤波器在开关电源中的应用
• 5.3.3.3 有源EMI滤波器在开关电源中的应用
• 5.4 屏蔽设计
• 5.4.1 屏蔽工作原理
• 5.4.2 屏蔽效能
• 5.4.3 屏蔽技术
• 5.5 接地设计
• 5.5.1 接地的方式
• 5.5.2 接地阻抗
• 5.6 其他技术
• 5.6.1 软开关技术
• 5.6.2 开关频率调制技术
• 5.6.3 优化功率开关管的驱动电路设计
• 5.7 改进实例
• 5.8 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢