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怎么减少3D打印机开关电源间的电磁干扰(一)

来源:   发布时间:2019-04-20   点击量:240

怎么减少3D打印机开关电源间的电磁干扰(一)

东莞3D打印机开关电源也叫交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。那么3D打印机开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备。

3D打印机开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换,这两个模式都有低耗散的特点,切换之间的转换会有较高的耗散,但时间很短,因此比较节省能源,产生废热较少。理想上,开关电源本身是不会消耗电能的。电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。开关电源的高转换效率是其一大优点,而且因为开关电源工作频率高,可以使用小尺寸、轻重量的变压器。

3D打印机开关电源中的电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。通常传导干扰比较好分析,可以将电路理论和数学知识结合起来,对电磁干扰中各种元器件的特性进行研究;但对辐射干扰而言,由于电路中存在不同的干扰源的综合作用,又涉及到电磁场理论,分析起来比较困难。

传导干扰可分为共模(CM)干扰和常模(DM)干扰。由于寄生参数的存在以及3D打印机开关电源中开关器件的高频开通与关断,开关电源在其输入端(即交流电网侧)产生较大的共模干扰和常模干扰。
变换器工作在高频情况时,由于dvldt很高,激发变压器绕组间以及开关管与散热片间的寄生电容,从而产生共模干扰。
根据共模干扰产生的原理,实际应用时常采用以下几种抑制方法:
(1)优化电路元器件布置,尽量减少寄生、糯合电容。
(2)延缓开关的开通、关断时间,但这与开关电源高频化的趋势不符。
(3)应用缓冲电路,减缓dv/dt的变化率。变换器中的电流在高频情况下作开关变化,从而在输人、输出的滤波电容上产生很高的dv/dt,即在滤波电容的等效电感或阻抗上感应出干扰电压,这时就会产生常模干扰。故选用高质量的滤波电容(等效电感或阻抗很低)可以降低常模干扰。

辐射干扰又可分为近场干扰[测量点与场源距离<λ/6(λ为干扰电磁波波长)]和远场干扰(测量点与场源距离>λ/6)。由麦克斯韦电磁场理论可知,导体中变化的电流会在其周围空间产生变化的磁场,而变化的磁场又产生变化的电场。两者都遵循麦克斯韦方程式。而这一变化电流的幅值和频率决定了产生电磁场的大小以及其作用范围。在辐射研究中天线是电磁辐射源,在3D打印机开关电源电路中,主电路中的元器件、连线都可以认为是天线,可以应用电偶极子和磁偶极子理论来分析。分析时,二极管、开关管、电容等可看成电偶极子;电感线圈可以认为是磁偶极子,再以相关的电磁场理论进行综合分析就可以了。

需要注意的是,不同支路的电流相位不一定相同,在磁场计算时这一点尤其重要。相位不同,一是因为干扰从干扰源传播到测量点存在时延作用(也称迟滞效应);二是因为元器件本身的特性导致相位不同。如电感中电流相位比其他元器件要滞后。迟滞效应引起的相位滞后是信号频率作用的结果,仅在频率很高时作用才较明显(如GHz级或更高);对于功率电子器件而言,频率相对较低,故迟滞效应作用不是很大。

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