【導(dǎo)讀】電源是各種電子設(shè)備必不可少的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)電子系統(tǒng)的安全性和可靠性。單片開關(guān)電源集成電路由于其具有高集成度、高性價(jià)比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，顯示出了強(qiáng)大的生命力。隨之帶來的電磁兼容性問題也不容忽視，本文以真實(shí)案例為例講解工程師如何化解LinkSwitch帶來的電磁兼容性問題。
PI 公司于2002年9月推出的LinkSwitch(簡稱LNK)系列單片電源在正常工作時(shí)的開關(guān)頻率一般在42kHz,不僅對前級電路帶來很大的電磁兼容 問題，而且也對鄰近的某些電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。故必須對整個(gè)電路進(jìn)行電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)，使各個(gè)元件在復(fù)雜的電磁環(huán)境下都能正常運(yùn)行。
1 LNK的電磁兼容性問題
開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產(chǎn)生的高di/dt與高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。開關(guān)管的驅(qū) 動波形、MOSFET漏源波形等矩形波在脈沖邊緣時(shí)的高頻變化對開關(guān)電源的基本信號造成了干擾。圖1為由LNK構(gòu)成開關(guān)電源的電路模型。下面具體分析圖1 中噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。
圖1 LNK開關(guān)電源電路模型
1.1 電源線引入的噪聲
電源線噪聲是電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的，對外表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾分為共模(Common Mode—CM)干擾和差模(Differential Mode—DM)干擾。共模干擾定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差，差模干擾定義為任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。由于開關(guān)電 路寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)器件的高頻開通和關(guān)斷，使得開關(guān)電源在其輸入端產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾。圖2即為圖1的共模差模干擾的傳播途徑。在高頻情 況下，由于dv/dt很高，激發(fā)變壓器線圈間以及LNK的寄生電容，從而形成了共模干擾。如圖2的黑體虛線所示。在高頻情況下，在輸入輸出的濾波電容上產(chǎn) 生很高的di/dt，從而形成了差模干擾。如圖2的淡體虛線所示。
圖2 共模、差模干擾傳播途徑
1.2 變壓器產(chǎn)生的干擾
高頻變壓器是開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)能量儲存、隔離輸出、電壓變換的重要元件，在不考慮漏感以及開關(guān)動作時(shí)間時(shí)，高頻工作下的MOSFET產(chǎn)生的波形應(yīng)該是標(biāo) 準(zhǔn)的方波。但在實(shí)際變壓器制作時(shí)，繞組漏感是不可避免的。由于漏感存在，開關(guān)閉合時(shí)，原邊漏感將儲存一定的能量，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，儲存的能量得到釋放，使得 開關(guān)器件的兩端出現(xiàn)電壓關(guān)斷尖峰，與原來的直流高壓和感應(yīng)電壓疊加，可使MOSFET的漏極電壓超過700V(LNK系列的MOSFET的漏極擊穿電壓為 700V)，有可能影響開關(guān)的正常工作甚至損壞LNK。
1.3 輸出整流二極管的尖峰干擾
理想的二極管在承受反向電壓時(shí)截止，不會有反向電流通過。但實(shí)際二極管在承受反向電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)儲存的電荷在反向電場作用下被復(fù)合，形成反向恢復(fù) 電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感、引線電感以及二極管的結(jié)電容的影響下將產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻衰減振蕩，高頻衰減振蕩電 壓與關(guān)斷電壓疊加，將形成一個(gè)相當(dāng)大的關(guān)斷電壓尖峰。這個(gè)反向恢復(fù)噪聲也是開關(guān)電源的一個(gè)主要干擾源。
1.4 分布電容及寄生參數(shù)引起的干擾
開關(guān)電源的分布電容主要為開關(guān)電源與散熱器或外殼之間的分布電容、LNK的漏極與電源線之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布電容。以上的分布電容都可以傳輸共模干擾。
在高頻下，普通的電阻電容電感都將呈高頻寄生特性，這將對其正常工作產(chǎn)生影響。例如，高頻工作時(shí)，導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，這將使其變成一根發(fā)射線，即成了開關(guān)電源中的一個(gè)輻射干擾源。
2 EMC設(shè)計(jì)
圖3為未考慮EMC設(shè)計(jì)時(shí)的EMI仿真曲線，根據(jù)廣泛采用的GB9254中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線，可看出干擾強(qiáng)度超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)了，必須對電路進(jìn)行相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)。
圖3 未考慮EMC設(shè)計(jì)的EMI仿真曲線
EMC設(shè)計(jì)應(yīng)該從三個(gè)方面去考慮：
1) 減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號
2) 切斷干擾信號的傳播途徑
3) 增強(qiáng)敏感電路的抗干擾能力
2.1 輸入側(cè)濾波器設(shè)計(jì)
電源線干擾可以使用EMI濾波器濾除，EMI濾波器應(yīng)是一個(gè)只允許直流至工頻(50Hz，400Hz)通過的理想低通濾波器，即從直流至截止頻率的 通帶以最小衰減通過，一般以額定電流下的壓降表示;對電磁干擾的阻帶，給以盡可能高的衰減;通帶和阻帶之間的過濾帶應(yīng)盡量的陡。
圖4為常用EMI濾波器，圖5和圖6為其共模等效電路和差模等效電路。可推導(dǎo)出共模插入損耗和差模插入損耗(式中 為共模扼流圈由于兩個(gè)繞組不對稱引起的電感差值)為
2.2 變壓器尖峰電壓抑制
LNK 內(nèi)部集成的MOSFET在高速開關(guān)時(shí)，使高頻變壓器的原邊漏感儲存的能量釋放，產(chǎn)生的尖峰電壓與原來的方波疊加有可能影響開關(guān)的正常工作或直接損壞 LNK。一般為了抑制這種高壓尖峰，采用的是緩沖或鉗位的方法。如圖1中的起到的就是這種作用。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電容被充電，電容兩端的電壓“緩慢”上 升，抑制了開關(guān)管上的電壓變化和尖峰電壓的產(chǎn)生。而當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，由于電阻的存在，限制了開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的電流峰值。由于開關(guān)管工作頻率較高以及LNK內(nèi) 部的MOSFET的漏極擊穿電壓為700V故鉗位二級管故應(yīng)采用耐壓為600V以上的快速恢復(fù)二級管，鉗位電容 則應(yīng)采用 的金屬薄膜電容。
2.3 輸出整流二極管尖峰抑制
對輸出整流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)噪聲，可以通過在二極管兩端并聯(lián)RC緩沖器來抑制，也可以通過在二極管串聯(lián)一個(gè)飽和電感來抑制。并聯(lián)的RC緩沖器起 到一階濾波器的作用，根據(jù)需要濾除高頻噪聲。串聯(lián)的飽和電感在整流二極管導(dǎo)通時(shí)工作在飽和狀態(tài)下，相當(dāng)于導(dǎo)線;在整流二極管關(guān)斷反向恢復(fù)時(shí)，工作在電感特 性狀態(tài)下，可以阻礙電流的大幅度變化。
2.4 其他措施
1. 對整流電路采用無源功率因數(shù)校正法來降低諧波成分并提高功率因數(shù);
2. 對變壓器進(jìn)行屏蔽來減少其漏感帶來的輻射;
3. 對電路板進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，LinkSwitch應(yīng)盡量遠(yuǎn)離交流輸入端，盡量減小高頻變壓器初次回路所包圍的面積。
3 結(jié)語
抑制開關(guān)電源的干擾是開發(fā)應(yīng)用型開關(guān)電源的一個(gè)重要的課題。本文就不同的干擾源提出了針對性的解決方法，并就原電路的EMI仿真曲線重新設(shè)計(jì)了電路 的參數(shù)，改進(jìn)后的電路基本符合GB9254標(biāo)準(zhǔn)。文末提出的幾種工藝改進(jìn)的方法都能對開關(guān)電源的電磁干擾問題起到進(jìn)一步的作用,這些都對開關(guān)電源的電磁兼 容設(shè)計(jì)具有一定的參考意義.
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