開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設計（一）

論題：

?      傳統電源的優(yōu)劣性能。

?      開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾源。

?      電磁兼容性設計的介紹。

方案：

?      根據反饋回路信息控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合調整占空比獲得穩定電源輸出。

?      采用適當的EMI濾波器抑制共模騷擾。

?      通過(guò)緩沖和鉗位的方法克服反向尖峰電流和尖峰電壓。

?      新接地技術(shù)分離噪聲源和敏感電路。

       電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設備的技術(shù)指標及能否**可靠地工作。早年的線(xiàn)性穩壓電源因其優(yōu)良的穩壓性能、非常小的輸出紋波電壓等優(yōu)點(diǎn)而獲得了廣泛的應用。但是其必須使用笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行隔離，并且調整管功率損耗大，致使電源體積和重量大，效率低下。開(kāi)關(guān)電源采用更高開(kāi)關(guān)頻率的功率管替代工頻變壓器，并且采用軟開(kāi)關(guān)、功率因數補償等技術(shù)使得其體積小，重量輕，效率更高，在中、小功率的市場(chǎng)已經(jīng)代替了線(xiàn)性穩壓電源的地位。但是，干擾問(wèn)題卻隨之而來(lái)。由于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率比較高(幾十到幾百kHz)，開(kāi)關(guān)電源本身又是一個(gè)很強的功率源，因此，開(kāi)關(guān)電源對電網(wǎng)會(huì )造成污染。開(kāi)關(guān)電源向周?chē)臻g的輻射騷擾、開(kāi)關(guān)電源對同一電網(wǎng)中其他用電設備的高頻傳導干擾等電磁兼容方面的問(wèn)題成了阻礙開(kāi)關(guān)電源進(jìn)一步推廣發(fā)展的絆腳石。

         20世紀90年代中期以來(lái)，世界各國從保護環(huán)境和保護人的身體健康出發(fā)，先后發(fā)展了強制性產(chǎn)品認證，電子和電氣產(chǎn)品的電磁兼容性問(wèn)題受到了制造商和消費者的高度重視，產(chǎn)品的電磁兼容性也成了產(chǎn)品進(jìn)入世界市場(chǎng)大門(mén)的通行證，而開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性更是首當其沖。因此，只有在電源設計的過(guò)程中，嚴格地進(jìn)行電磁兼容性設計才能保證生產(chǎn)出滿(mǎn)足電磁兼容性要求的合格產(chǎn)品，使產(chǎn)品能夠在世界各國市場(chǎng)暢通無(wú)阻，被消費者接受。

          電磁兼容(EMC)是指電子設備或系統在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。其包括電磁干擾(EMI)和電磁敏感(EMS)兩方面的內容。EMI是指電器產(chǎn)品向外發(fā)出干擾。EMS是指電器產(chǎn)品抵抗電磁干擾的能力。一臺具備良好電磁兼容性能的設備應既不受周?chē)姶旁肼暤挠绊?，也不對周?chē)h(huán)境造成電磁干擾。電磁干擾的三個(gè)要素是干擾源、耦合途徑和敏感設備。因此，電磁兼容性設計的任務(wù)就可以概括為：削弱干擾源的能量，隔離和減弱噪聲耦合途徑及提高設備對電磁騷擾的抵抗能力。

         本文以電動(dòng)沖擊鉆的充電電源電路設計過(guò)程為例，討論開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾源和電磁兼容性設計內容。

開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾源

         本電源采用美國Power Integrate(PI)公司TOPSwitch GX246Y集成電源模塊。該模塊將高電壓功率MOSFET、脈寬調制控制、故障保護以及其他的控制電路集成在單片CMOS芯片上，屬于低成本、高靈活性的智能功率開(kāi)關(guān)，具有如下突出特點(diǎn)：

(1)外部可編程**限流；

(2)更寬的占空比使得輸出功率更大，輸入電容減??；

(3)具有欠壓、過(guò)壓保護功能；

(4)輸入電壓前饋技術(shù)縮小了*大占空比Dmax，抑制了脈動(dòng)紋波，并在輸入線(xiàn)電壓較高時(shí)限制Dmax；

(5)頻率抖動(dòng)功能減少了電磁干擾以及相應的濾波器損耗；

(6)l32 kHz的開(kāi)關(guān)頻率減少了變壓器的尺寸，從而減小了電源的尺寸；

(7)空載時(shí)可降低工作頻率，使輸出電路無(wú)需加假負載，降低了能量損耗。

利用PI公司提供的PI Expert軟件做成的電源模塊結構圖如圖1所示。

         該電路首先將工頻電流整流成為直流，再通過(guò)高頻變壓器把原邊的電壓耦合到副邊，輸出+18V/3A的電壓和電流。TOPSwitch GX246Y根據反饋回路信息控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，調整占空比，使電源獲得穩定可靠的輸出。

        此電路產(chǎn)生電磁干擾的*基本原因是其在工作的過(guò)程中產(chǎn)生了非常高的di/dt和du/dt。所產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了強烈干擾源。工頻整流濾波使用大容量電容充、放電，開(kāi)關(guān)管高頻通斷，輸出整流二極管的反向恢復都是屬于這種類(lèi)型干擾。另外，開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)波形，MOSFET漏源波形等開(kāi)關(guān)電源中的電壓、電流波形都是接近矩形波形狀的周期波，因此，其頻率都是MHz級別的，這些高頻信號對開(kāi)關(guān)電源的基本信號，特別是控制電路的信號造成干擾。

a、輸入整流電路的電磁干擾

          在輸入電路中，整流橋4個(gè)整流管(圖1中的EMI＆Rectify部分)只有在脈動(dòng)電壓超過(guò)輸入濾波電容上的電壓時(shí)才能導通，電流才從市電電源輸入，并對濾波電容充電。一旦濾波電容上的電壓高于市電電源的瞬時(shí)電壓，整流管便截止。所以，輸入電路的電流是脈沖性質(zhì)的，并且有著(zhù)豐富的高次諧波電流。這是因為整流電路的非線(xiàn)性特性，整流橋交流側的電流嚴重失真。

       忽略換流過(guò)程和電流脈動(dòng)的影響，整流電路交流側輸入電流in的第n次諧波電流的幅值Inm可表示為Inm=Ilm，式中：n=2k±l(k=l，2，3…)；Ilm為基波電流幅值，于是交流側電流in可表示為

       而直流側的諧波次數是n倍。所以，整流電路直流側高次諧波電流不僅使電路產(chǎn)生畸變功率，增加電路的無(wú)功功率，而且高頻諧波會(huì )沿著(zhù)傳輸線(xiàn)路產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾，危害電網(wǎng)**。

b、開(kāi)關(guān)電路

         開(kāi)關(guān)管負載為高頻變壓器初級線(xiàn)圈，是感性負載。在開(kāi)關(guān)管導通瞬間，初級線(xiàn)圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級線(xiàn)圈的兩端出現較高的浪涌尖峰電壓；在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)瞬間，由于初級線(xiàn)圈的漏磁通，致使一部分能量沒(méi)有從一次線(xiàn)圈傳輸到二次線(xiàn)圈，儲藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減震蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。如果尖峰有足夠高的幅度，那么很有可能把TOPwitch GX246Y內的開(kāi)關(guān)管擊穿。

c、高頻變壓器初次級之間分布電容引起的共模傳導騷擾

         高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源中實(shí)現能量?jì)Υ?、隔離、輸出、電壓變換的重要部件，可惜的是它的漏感和分布電容對電路的電磁兼容性性能帶來(lái)不可忽略的影響。漏感的影響在開(kāi)關(guān)電路的電磁干擾問(wèn)題上已經(jīng)討論。共模干擾是一種相對大地的干擾，所以不會(huì )通過(guò)變壓器“電生磁和磁生電”的機理來(lái)傳遞，而必須通過(guò)變壓器繞組間的耦合電容來(lái)傳遞。而在開(kāi)關(guān)電源的高頻變壓器初次級之間存在著(zhù)分布電容是個(gè)不爭的事實(shí)。用一個(gè)裝置電容(裝置對地的分布電容)來(lái)與整個(gè)開(kāi)關(guān)電源等效，就得到了如圖2所示的干擾通道。

      共模干擾通過(guò)變壓器的耦合電容，經(jīng)過(guò)裝置電容再返回大地，就得到一個(gè)由變壓器耦合電容與裝置電容構成的分壓器。共模電壓就按照分壓器中電容量的大小來(lái)分壓，分到的電壓為

式中：Z為繞組間的耦合阻抗；Z2為負載對地的等效阻抗；e1為初級干擾(共模電壓)；e2為次級干擾(共模電壓)。

脈沖變壓器初級線(xiàn)圈，開(kāi)關(guān)管和濾波電容構成的高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路可能會(huì )產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射騷擾。

d、副邊整流電路輸出

        開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，副邊整流電路的高速恢復二極管也處于高頻通斷狀態(tài)。由高頻變壓器次級線(xiàn)圈、整流二極管和濾波電容也構成了高頻開(kāi)關(guān)電流的環(huán)路。因此，同樣有可能對空間形成電磁輻射。

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       當二極管正向導通時(shí)，在P區和N區分別有少數載流子電子和空穴導電，當突然加反向電壓時(shí)，儲存電荷在反向電場(chǎng)作用下被復合，形成反向恢復電流，盡管電流非常小，但是這個(gè)轉變過(guò)程非常短暫，因此，di/dt相當可觀(guān)，就會(huì )在副邊整流電路中形成高頻衰減振蕩。它會(huì )對外界形成差模輻射，甚至導致整流二極管被擊穿。

電磁兼容性設計

       開(kāi)關(guān)電源存在著(zhù)共模干擾和差模干擾兩種電磁干擾形式，根據前面分析的電磁干擾源，結合它們的耦合途徑，可以從EMI濾波器、吸收電路、接地和屏蔽等幾個(gè)方面來(lái)抑制干擾，把電磁干擾衰減到允許限度之內。

a、采用交流輸入EMT濾波器

       采用適當的EMI濾波器，可以很有效地抑制交流電源輸入端的低頻段差模騷擾和高頻段共模騷擾。在EMI濾波器(如圖3所示)中，差模電容Cx用來(lái)短路差模噪聲電流，而中間連線(xiàn)接地的共模電容Cy則用來(lái)短路共模噪聲電流。共模扼流圈L(電感)是由兩股等同并且按同方向繞制在一個(gè)磁芯上的線(xiàn)圈組成。當負載電流流過(guò)共模扼流圈時(shí)，串聯(lián)在火線(xiàn)上的線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁力線(xiàn)和串聯(lián)在零線(xiàn)上線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁力線(xiàn)方向相反，它們在磁芯中相互抵消。因此，即使在大負載電流的情況下，磁芯也不會(huì )飽和。而對于共模干擾電流，兩個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，會(huì )呈現較大電感，從而起到衰減共模干擾信號的作用。

b、利用吸收及箝位電路

         開(kāi)關(guān)管或二極管在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，管中產(chǎn)生的反向尖峰電流和尖峰電壓，可以通過(guò)緩沖和鉗位的方法予以克服。緩沖吸收電路可以減少尖鋒電壓的幅度和減少電壓波形的變化率，這對于半導體器件使用的**性非常有好處。與此同時(shí)，緩沖吸收電路還降低了射頻輻射的頻譜成分，有益于降低射頻輻射的能量。箝位電路主要用來(lái)防止半導體器件和電容器被擊穿的危險。兼顧箝位電路保護作用和開(kāi)關(guān)電源的效率要求，TVS管的擊穿電壓選擇為初級繞組感應電壓的1.5倍。根據TopSwitch的使用指導，選擇RCD和TVS結合的方式來(lái)抑制電磁干擾，如圖4所示。

        當TVS上的電壓超過(guò)一定幅度時(shí)，器件迅速導通，從而將浪涌能量泄放掉，并將浪涌電壓的幅值限制在一定的幅度。在開(kāi)關(guān)管漏極和輸出二極管的正極引線(xiàn)上可串聯(lián)帶可飽和磁芯線(xiàn)圈或微晶磁珠，材質(zhì)一般為鈷(Co)，當通過(guò)正常電流時(shí)磁芯飽和，電感量很小。一旦電流要反向流過(guò)時(shí)，它將產(chǎn)生很大的反電勢，這樣就能有效地抑制二極管D2的反向浪涌電流。