CN104638905B - 一种降低开关电路电磁噪声的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种降低开关电路电磁噪声的方法，在线性阻抗稳定电路与任意一个开关电源之间均各自连接一个集成磁件，在任意一个集成磁件中设置电感器和平衡阻抗元件，电感器串联连接在线性阻抗稳定电路或与开关电源之间，利用模拟开关调节平衡阻抗元件的阻抗值，使平衡阻抗元件的阻抗值随时间跳变，另将一个平衡绕组与平衡阻抗元件连接，利用平衡绕组调整耦合电感器的端口特性，利用耦合电感器端口特性的变化调整经过耦合电感器的噪声信号的相位和幅度，在相位发生偏移时，开关电源产生的同频率的噪声源信号形成相位差，上述噪声源信号在线性阻抗稳定电路或者直流母线上相互抵销，从而降低开关电路电磁噪声。

Description

一种降低开关电路电磁噪声的方法和装置

技术领域:

本发明涉及电学领域，尤其涉及电磁兼容技术，特别是一种降低开关电路电磁噪声的方法和装置。

背景技术:

开关电源以其效率高、体积小、输出稳定性好的优点而得到广泛应用。但是，由于开关电源工作过程中的高频率、高di/dt和高du/dt，使电磁干扰问题非常突出，造成开关电路电磁噪声过大。

现有技术中，常见的抑制开关电路电磁噪声的措施主要有抑制干扰源的方法、滤波法、屏蔽法、在器件特性上进行改善的方法、采用合适的线路布局等。例如，可以通过随机调制开关电源的脉宽调制频率，将谐波能量分配到较宽的频率范围，进而减弱谐波幅值。还可以通过软开关技术降低开关管通断时的高du/dt和di/dt。对于任何设备而言，滤波也是很有效的解决电磁干扰的技术之一。滤波可以有效地削弱导线上的干扰信号，防止电路中的干扰信号传到导线上借助导线辐射。例如，在机箱上设置屏蔽，或者对局部电路加屏蔽装置。

通过这些方法处理，可以有效抑制电源对外界的干扰，但是当多个电源通过直流母线并联时，还是会导致总线的噪声信号超标。这是因为多个电源并联后，在总线上侦测到的噪声，将会是单个电源产生的噪声信号的叠加。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种降低开关电路电磁噪声的方法，所述的这种降低开关电路电磁噪声的方法要解决现有技术中多个开关电源通过直流母线并联而导致总线噪声信号超标的技术问题。

本发明提供了一种降低开关电路电磁噪声的方法，所述的开关电路中包括有一个线性阻抗稳定电路或者直流母线和两个以上数目的开关电源，其中，在所述的线性阻抗稳定电路或者直流母线与任意一个所述的开关电源之间均各自连接一个集成磁件，在任意一个所述的集成磁件中设置电感器和平衡阻抗元件，电感器串联连接在线性阻抗稳定电路或者直流母线与开关电源之间，利用一个模拟开关来调节所述的平衡阻抗元件的阻抗值，使平衡阻抗元件的阻抗值随时间跳变，另将一个平衡绕组与平衡阻抗元件连接，利用平衡绕组调整耦合电感器的端口特性，利用耦合电感器端口特性的变化调整经过耦合电感器的噪声信号的相位和幅度，在相位发生偏移时，开关电源产生的同频率的噪声源信号形成相位差，上述噪声源信号在线性阻抗稳定电路或者直流母线上相互抵销，从而降低开关电路电磁噪声。

进一步的，利用一个数字信号处理器产生混沌信号来控制所述的模拟开关的动作。

本发明还提供了一种实现上述降低开关电路电磁噪声的方法的装置，所述的这种装置包括一个E-E型磁芯，所述的E-E型磁芯包括两个边柱和一个中心柱，其中，所述的中心柱中设置有气隙，任意一个所述的边柱上均各自设置有一个电感线圈，所述的平衡绕组以“8”字型路径绕过两个边柱并避开中心柱，平衡绕组包括有一个第一引出端和一个第二引出端，平衡绕组的第一引出端从一个所述的边柱引出并与平衡阻抗元件的一端连接，平衡绕组的第二引出端与模拟开关的一端连接，模拟开关的另一端与平衡阻抗元件的另一端连接，模拟开关包括有一个控制端，所述的控制端与一个数字信号处理器的输出端连接。

进一步的，所述的平衡阻抗元件中包括有两个阻抗器件，所述的两个阻抗器件的一端共同连接到平衡绕组的第一引出端，所述的模拟开关包括两个金属氧化物半导体场效应晶体管，所述的两个金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极各自与所述的两个阻抗器件的另一端连接，两个金属氧化物半导体场效应晶体管的源极共同连接到平衡绕组的第二引出端，两个金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极分别与一个数字信号处理器中的两个输出端连接。

进一步的，所述的电感线圈均为对称式boost变换器中的分立的电感线圈。

本发明的工作原理是：本发明将对称式Boost变换器中的分立的两个功率电感耦合，将其分别绕制在同一个E-E磁芯的两个边柱上，磁芯的中心柱开有气隙。在E-E磁芯中绕制一个平衡绕组，平衡绕组以“8”字型绕过两个边柱，不经过中心柱，从其中一个边柱引出，引出端连接平衡阻抗。平衡绕组只占有很小的窗口面积，因此变换器的大小并未因为加入平衡绕组而产生变化。平衡绕组的加入使得耦合电感多了两个引出端子，不同的阻抗将被串联在这两个端子之间。在平衡绕组的两个引出端子接入带有模拟开关的随时间跳变的平衡阻抗。通过模拟开关对于接入两引出端子间阻抗的管理，耦合电感的端口特性将被有效调整，耦合电感的端口特性的变化，将会体现到经过耦合电感的噪声信号的相位和幅度上，如果相位发生偏移，各个电源产生的同频率的噪声源信号将会形成相位差，从而这些噪声可以在总线上相互抵销，达到解决总线噪声信号超标的问题。采用混沌信号调制阻抗。将两组阻抗分别和模拟开关MOS管串联，再将其相互并联后接入平衡绕组的引出端上。应用DSP产生混沌信号驱动MOS管，将两组阻抗随机接入平衡绕组中。该阻抗可以是电容、电阻或电感，或其组合网络。接入平衡绕组的阻抗会随着时间无规律变化，不同时间可能有不同的阻抗接入其中。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明采用混沌阻抗调制抑制电源母线电磁噪声，提高了变换器功率密度。通过调整平衡阻抗的大小和属性改变外端口特性，抑制总线噪声信号超标。在传统的电磁噪声抑制基础之上，结合本发明中的混沌阻抗调制抑制电源母线电磁噪声的技术，可以使直流总线的噪声进一步减少。

附图说明

图1是本发明中的电路结构的框图；

图2是本发明中的电路结构原理图；

图3为本发明中的耦合电感及平衡绕组的实现方式图；

图4为本发明中的混沌信号的示意图。

具体实施方式：

实施例1:

如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供了一种降低开关电路电磁噪声的方法，所述的开关电路中包括有一个线性阻抗稳定电路或者直流母线1和两个以上数目的开关电源2，其中，在所述的线性阻抗稳定电路或者直流母线1与任意一个所述的开关电源2之间均各自连接一个集成磁件3，在任意一个所述的集成磁件3中设置电感器和平衡阻抗元件，电感器串联连接在线性阻抗稳定电路或者直流母线1与开关电源2之间，利用一个模拟开关来调节所述的平衡阻抗元件的阻抗值，使平衡阻抗元件的阻抗值随时间跳变，另将一个平衡绕组4与平衡阻抗元件连接，利用平衡绕组4调整耦合电感器的端口特性，利用耦合电感器端口特性的变化调整经过耦合电感器的噪声信号的相位和幅度，在相位发生偏移时，开关电源2产生的同频率的噪声源信号形成相位差，上述噪声源信号在线性阻抗稳定电路或者直流母线1上相互抵销，从而降低开关电路电磁噪声。

进一步的，利用一个数字信号处理器5产生混沌信号来控制所述的模拟开关的动作。

本发明还提供了一种实现上述降低开关电路电磁噪声的方法的装置，所述的这种装置包括一个E-E型磁芯，所述的E-E型磁芯包括两个边柱和一个中心柱，其中，所述的中心柱中设置有气隙，两个边柱上分别设置有电感线圈L3和电感线圈L4，所述的平衡绕组4以“8”字型路径绕过两个边柱并避开中心柱，平衡绕组4包括有一个第一引出端和一个第二引出端，平衡绕组4的第一引出端从一个边柱引出并与平衡阻抗元件的一端连接，平衡绕组4的第二引出端与模拟开关的一端连接，模拟开关的另一端与平衡阻抗元件的另一端连接，模拟开关包括有一个控制端，所述的控制端与一个数字信号处理器5的输出端连接。

进一步的，所述的平衡阻抗元件中包括有一个阻抗器件Z1和一个阻抗器件Z2，阻抗器件Z1和阻抗器件Z2的一端共同连接到平衡绕组4的第一引出端，所述的模拟开关包括一个金属氧化物半导体场效应晶体管S1和一个金属氧化物半导体场效应晶体管S2，金属氧化物半导体场效应晶体管S1和金属氧化物半导体场效应晶体管S2的漏极各自与阻抗器件Z1和阻抗器件Z2的另一端连接，金属氧化物半导体场效应晶体管S1和金属氧化物半导体场效应晶体管S2的源极共同连接到平衡绕组4的第二引出端，金属氧化物半导体场效应晶体管S1和金属氧化物半导体场效应晶体管S2的栅极分别与一个数字信号处理器5中的两个输出端连接。

进一步的，电感线圈L3和电感线圈L4均为对称式boost变换器中的分立的电感线圈。

本发明的工作原理是：本发明将对称式Boost变换器中的分立的两个功率电感耦合，将其分别绕制在同一个E-E磁芯的两个边柱上，磁芯的中心柱开有气隙。在E-E磁芯中绕制一个平衡绕组4，平衡绕组4以“8”字型绕过两个边柱，不经过中心柱，从其中一个边柱引出，引出端连接平衡阻抗。平衡绕组4只占有很小的窗口面积，因此变换器的大小并未因为加入平衡绕组4而产生变化。平衡绕组4的加入使得耦合电感多了两个引出端子，不同的阻抗将被串联在这两个端子之间。在平衡绕组4的两个引出端子接入带有模拟开关的随时间跳变的平衡阻抗。通过模拟开关对于接入两引出端子间阻抗的管理，耦合电感的端口特性将被有效调整，耦合电感的端口特性的变化，将会体现到经过耦合电感的噪声信号的相位和幅度上，如果相位发生偏移，各个电源产生的同频率的噪声源信号将会形成相位差，从而这些噪声可以在总线上相互抵销，达到解决总线噪声信号超标的问题。采用混沌信号调制阻抗。将两组阻抗分别和模拟开关MOS管串联，再将其相互并联后接入平衡绕组4的引出端上。应用DSP产生混沌信号驱动MOS管，将两组阻抗随机接入平衡绕组4中。该阻抗可以是电容、电阻或电感，或其组合网络。接入平衡绕组4的阻抗会随着时间无规律变化，不同时间可能有不同的阻抗接入其中。

具体的，在本发明的实施例中，通过对称式boost变换器分立电感的耦合，加上平衡绕组4，通过在平衡绕组4引出端串联不同的阻抗来改变耦合电感的端口特性（由S参数描述），使得电源噪声信号的幅值与相位随着平衡阻抗的变化而变化，利用该特性使得各个电源产生的噪声信号形成相位差，从而能在直流母线上相互抵消。功率电感L3和L4绕在E-E磁芯的两个边柱上。平衡绕组4以“8”字型绕过两个边柱，不经过中心柱，从其中一个边柱引出，引出端连接平衡阻抗。在平衡绕组4的两个引出端子，我们接入带有模拟开关MOS管的随时间跳变的平衡阻抗。通过MOS管对于接入两引出端子间阻抗的管理，耦合电感的端口特性（由S参数描述）将被有效调整。耦合电感和平衡绕组4，以及平衡阻抗组成了改变耦合电感的端口特性调整部分。整个端口特性调整部分如图3所示。S参数的这种变化，将会体现到经过耦合电感的噪声信号的相位和幅度上，如果相位发生偏移，各个电源产生的同频率的噪声源信号将会形成相位差，从而这些噪声可以在总线上相互抵销，达到解决总线噪声信号超标的问题。

调制阻抗的方法是应用混沌信号。将两组阻抗分别和MOS管串联，再将其相互并联后接入平衡绕组4的引出端上。如图4所示，应用DSP产生在（0，1）之间随机分布的混沌波形。使用DSP芯片使其GPIO2引脚和GPIO4引脚分别触发MOS管。使得完成在x>0.5时，GPIO2置为高电平，触发MOS管S1使其导通，GPIO4为低电平，MOS管S2关断；在x<0.5时，GPIO4置为高电平，触发MOS管S2使其导通，GPIO2为低电平，MOS管S1关断，示意图如图2中的DSP模块。这样便实现了用混沌信号驱动两个MOS管，使平衡阻抗随着时间切换。简单来说，接入平衡绕组4的阻抗会随着时间无规律变化，不同时间可能有不同的阻抗接入其中。

Claims (5)

1.一种降低开关电路电磁噪声的方法，所述的开关电路中包括有一个线性阻抗稳定网络或者直流母线和两个以上数目的开关电源，其特征在于：在所述的线性阻抗稳定网络或者直流母线与任意一个所述的开关电源之间均各自连接一个集成磁件，在任意一个所述的集成磁件中设置电感器和平衡阻抗元件，电感器串联连接在线性阻抗稳定网络或者直流母线与开关电源之间，利用一个模拟开关来调节所述的平衡阻抗元件的阻抗值，利用一个数字信号处理器产生混沌信号来控制模拟开关的动作，使平衡阻抗元件的阻抗值随时间跳变， 另将一个平衡绕组与平衡阻抗元件连接，利用平衡绕组调整耦合电感器的端口特性，利用耦合电感器端口特性的变化调整经过耦合电感器的噪声信号的相位和幅度，在相位发生偏移时，开关电源产生的同频率的噪声源信号形成相位差，上述噪声源信号在线性阻抗稳定网络或者直流母线上相互抵销，从而降低开关电路电磁噪声。

2.如权利要求1所述的降低开关电路电磁噪声的方法，其特征在于：利用一个数字信号处理器产生混沌信号来控制所述的模拟开关的动作，使平衡阻抗元件的阻抗值随时间跳变，利用平衡绕组调整耦合电感器的端口特性，利用耦合电感器端口特性的变化调整流经耦合电感器的噪声信号的相位和幅度。

3.一种实现如权利要求1所述的降低开关电路电磁噪声的方法的装置，包括一个E-E型磁芯，所述的E-E型磁芯包括两个边柱和一个中心柱，其特征在于：所述的中心柱中设置有气隙，任意一个所述的边柱上均各自设置有一个电感线圈，所述的平衡绕组以“8”字型路径绕过两个边柱并避开中心柱，平衡绕组包括有一个第一引出端和一个第二引出端，平衡绕组的第一引出端从一个所述的边柱引出并与平衡阻抗元件的一端连接，平衡绕组的第二引出端与模拟开关的一端连接，模拟开关的另一端与平衡阻抗元件的另一端连接，模拟开关包括有一个控制端，所述的控制端与一个数字信号处理器的输出端连接，所述的平衡阻抗元件中包括有一个阻抗器件Z1和一个阻抗器件Z2。

4.如权利要求3所述的实现降低开关电路电磁噪声的方法的装置，其特征在于：所述的平衡阻抗元件中包括有两个阻抗器件，所述的两个阻抗器件的一端共同连接到平衡绕组的第一引出端，所述的模拟开关包括两个金属氧化物半导体场效应晶体管，所述的两个金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极各自与所述的两个阻抗器件的另一端连接，两个金属氧化物半导体场效应晶体管的源极共同连接到平衡绕组的第二引出端，两个金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极分别与一个数字信号处理器中的两个输出端连接。

5.如权利要求3所述的实现降低开关电路电磁噪声的方法的装置，其特征在于：所述的电感线圈均为对称式boost变换器中的分立的电感线圈。