小型開關(guān)電源的抗電磁干擾設(shè)計

劉翔

（合肥工業(yè)大學(xué) 教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽 合肥 230009）

文中的小型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)為單端反激式變換器，工作特性為高電壓、小功率5～150 W的電源，工作頻率在20 kH以上[1]。這種開關(guān)電源功率密度大，智能化程度高，體積小，重量輕，在工業(yè)、國防、家電上大量使用。但是，該類型開關(guān)電源由于其固有的結(jié)構(gòu)特性，它會產(chǎn)生干擾，注入電網(wǎng)并污染電網(wǎng)，影響鄰近的電子儀器及設(shè)備的正常工作，所以這種電源如果不采取一定的措施就無法應(yīng)用于一些精密的電子儀器中，因此降低該類型開關(guān)電源對外部環(huán)境的電磁干擾即EMI，是我們的一個重要的任務(wù)。

第二個我們必須解決的問題是其對工作環(huán)境的適應(yīng)性即抗干擾能力。由于該開關(guān)電源的工作環(huán)境是處于近千伏的電壓到幾伏的電壓信號，從高頻到低頻信號，還有開關(guān)電源的內(nèi)部電磁的分布相當(dāng)復(fù)雜，它的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部PCB布線，容易導(dǎo)致該系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，且容易受到外部的浪涌、靜電放電、電快速脈沖群的影響，使該開關(guān)電源不能精確地工作。

綜上所述，我們要求該開關(guān)電源必須滿足兩點要求：1）對周圍的電磁環(huán)境不造成污染，2）它在現(xiàn)實的電磁工作環(huán)境中不至于性能下降或發(fā)生故障。

1 開關(guān)電源的EMI

開關(guān)電源的干擾情況如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源的干擾類型Fig.1 Interference type of switching power supply

1）開關(guān)電源的工頻整流采用橋式整流[2]，如圖2所示，大濾波電容充放電，沒有PFC，輸入電流是一個時間短，峰值很高的周期性尖峰電流，這種畸變的電流含有豐富的高次諧波分量，它們注入電網(wǎng)，引起嚴(yán)重的諧波污染且整流二極管在反向恢復(fù)期間會引起高頻衰減而產(chǎn)生干擾，另外濾波電容的等效串聯(lián)電感也會產(chǎn)生干擾。

圖2 開關(guān)電源的電路簡圖Fig.2 Circuit diagram of switvhing power supply

2）開關(guān)管VT由于極短的導(dǎo)通時間及逆變回路中引線電感的存在，將產(chǎn)生很大的du/dt和很高的尖峰電壓；開關(guān)管在關(guān)斷時，關(guān)斷時間短，將產(chǎn)生很大的di/dt和很高的電流尖峰，開關(guān)電源的這種尖峰干擾通過輸入/輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導(dǎo)干擾，即傳導(dǎo)性EMI。而在輸入/輸出線傳播時，會在空間中產(chǎn)生電磁場，發(fā)生電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。開關(guān)電源中開關(guān)管的頻率越高，它產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也越強(qiáng)。

3）圖2中，高頻整流二極管VD5也是一個重要的高頻干擾源，它高速的通斷工作在很高的 du/dt、di/dt下會產(chǎn)生高頻干擾沿直流輸出線傳出去。

4）變壓器等磁性元件引起的EMI

①高頻變壓器初級L1、開關(guān)管VT和濾波電容C1構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路能產(chǎn)生較大的空間輻射。如果電容器C1濾波不足，高頻電流會以差模方式傳導(dǎo)到輸入交流電源中如圖 2中的 I1。

②高頻變壓器次級L2整流二極管VD5、濾波電容C2構(gòu)成高頻開關(guān)電流環(huán)路，會產(chǎn)生空間輻射，如果電容器濾波不足，高頻電流將會以差模形式混在輸出直流電壓上向外傳導(dǎo)如圖 2中 I2。

③高頻變壓器的初級和次級間存在分布電容，初級的高頻電壓通過這個分布電容直接 藕和到次級上去，在次級的兩根輸出線上產(chǎn)生同相位的共模噪聲[3]，如果兩根線對地阻抗不平衡，還會轉(zhuǎn)變成差模噪聲。

5）高頻工作下的元件都有高頻寄生特性，高頻工作時，導(dǎo)線變成了發(fā)射線，電容變成了電感，電感變成了電容，電阻變成了共振電路，會使其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響并使其頻率特性發(fā)生了相當(dāng)大的變化，變成開關(guān)電源中的輻射干擾源。

6）電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的EMI沿電源線進(jìn)入開關(guān)電源，主要以共模或差模兩種方式存在，其中能夠?qū)﹄娫丛斐蓳p壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波。

2 開關(guān)電源的EMI抑制技術(shù)

1）抑制開關(guān)電源的EMI，干擾源不可能消除，只有從減小干擾源的能量入手。

圖3 抑制浪涌的方法Fig.3 Method of suppresing surge

①在開關(guān)管VT兩端并接RC吸收電路，如圖3所示，對開關(guān)管高速通斷時的能量加以緩沖，吸收功率減少di/dt、du/dt。

②在二次回路中的高頻整流二極管VD5兩端并接RC吸收電路，如圖3所示，抑制浪涌電壓則采用整流二極管VD6串接帶可飽和磁芯的線圈，在通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小，正常工作不受影響，一旦電流反向時，磁芯線圈將產(chǎn)生很大的反電動勢有效抑制二極管VD5的反向浪涌電流。

2）針對傳導(dǎo)干擾EMI，我們設(shè)法在其的傳導(dǎo)路徑上設(shè)置障礙，吸收并阻止干擾。

①在開關(guān)電源的輸入端加電源濾波器，濾波器對高頻能量呈高阻抗，對工頻呈低阻抗，它不僅封鎖了共模干擾的傳播途徑，而且衰減了輸入回路中的差模干擾。濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法，在電源輸入端接上濾波器，既可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對開關(guān)電源的侵害。

圖4 二極管抑制電路Fig.4 Diode suppression circuit

圖5 能量反饋抑制電路Fig.5 Suppression circuit of energy feedback

②開關(guān)管高速通斷效率雖高，但帶來了高頻輻射和傳導(dǎo)噪聲，為此需對開關(guān)管產(chǎn)生的噪聲加以抑制，兩種常見的電路形式如下：圖4中，開關(guān)管截止瞬間變壓器初級線圈中存儲的能量通過二極管電阻回路釋放，避免在開關(guān)管兩端出現(xiàn)電壓尖峰。圖5中開關(guān)管截止瞬間，通過二極管將能量返回電源。

3）二極管整流橋產(chǎn)生的諧波及無功，一個方法是采取功率因數(shù)校正（PFC）電路來解決脈沖尖峰電流過大的問題和提高功率因數(shù)，而另一個方法是采取差模濾波器可以有效地抑制脈沖電流的峰值，從而降低電流諧波干擾。

4）尖峰干擾的抑制，功率開關(guān)管和二次繞組整流二極管的高速通斷造成了開關(guān)電源的尖峰干擾。采取易飽和，儲能能力弱的飽和電感，能有效抑制這種尖峰干擾。將飽和電感與整流二極管串聯(lián)，在電流開通的瞬間，它呈現(xiàn)高阻抗，抑制尖峰電流，而飽和后其電感量很小，損耗也小，如圖6所示：Q1導(dǎo)通，VD1導(dǎo)通，VD2截止，飽和電感Ls限制VD2中的反向恢復(fù)電流的幅值和變化率，可以有效地抑制高頻導(dǎo)通干擾的產(chǎn)生。Q1斷，VD1截止，VD2導(dǎo)通，Ls造成導(dǎo)通延時，會影響VD2的續(xù)流作用，會在VD2陽極產(chǎn)生負(fù)值尖峰電壓。所以增加輔助二極管VD3和電阻R1，為了克服輸出電壓中的尖峰，增加了第二級濾波，電感L和C2，如圖7中所示電感L只需很小的值就夠了，電容C2則是低電感的小電容。

圖6 抑制尖峰的電路Fig.6 Circuit of suppressing current peak

圖7 二級濾波電路Fig.7 Second filtering circuit

5）屏 蔽

電磁兼容設(shè)計要達(dá)到以下2個目的：a、通過優(yōu)化電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計將干擾源產(chǎn)生的電磁噪聲強(qiáng)度降低到能接受的水平。b、通過各種干擾抑制技術(shù)，將干擾源與被干擾電路之間的耦合減弱到能接受的程度。屏蔽技術(shù)是達(dá)到上述兩個目的、實現(xiàn)電磁干擾防護(hù)的最基本最重要的手段之一[4]。屏蔽技術(shù)通常可分為三大類：電場屏蔽（靜電場屏蔽及低頻交變電場屏蔽）、磁場屏蔽（直流磁場屏蔽和低頻交流磁場屏蔽）及電磁場屏蔽（高頻輻射電磁場的屏蔽）。

用導(dǎo)電率良好的材料對電場進(jìn)行屏蔽，屏蔽體必須完善并良好接地，否則金屬屏蔽體不起任何屏蔽作用。

磁場屏蔽的目的是消除或抑制直流或低頻交流磁場噪聲源與被干擾回路的磁耦合。采取高磁導(dǎo)率材料制成的磁場屏蔽體將需要磁屏蔽的電路或元件即磁場噪聲源封閉起來，由于高磁導(dǎo)率材料具有很低的磁阻，噪聲源的磁力線將封閉在此屏蔽體內(nèi)，或外界干擾磁場的磁力線被磁屏蔽體旁路，從而起到了磁屏蔽的作用。

而對于高頻磁場，采用非導(dǎo)磁的金屬屏蔽體將載流導(dǎo)體包圍起來，讓該屏蔽體中流過與中心載流導(dǎo)線電流大小相等、相位相反的電流，這樣在屏蔽體的外部，總的噪聲磁場強(qiáng)度變?yōu)榱?，達(dá)到了磁場屏蔽的目的，這樣屏蔽體應(yīng)為良導(dǎo)體如銅、鋁或銅鍍銀。

6）接地

在開關(guān)電源的電路系統(tǒng)設(shè)計中遵循“一點接地”原則，如果多點接地，會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過該環(huán)路時將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲，實際中很難實現(xiàn)“一點接地”。因此采用平面式或多點接地，降低地阻抗，消除分布電容的影響，采取一個導(dǎo)電平面作為參考地，將需接地的各部分就近接到該參考地上。在低頻和高頻共存的開關(guān)電源電路中，分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后，再連接到公共參考地上，從而有效地消除噪聲。

3 開關(guān)電源電路的EMC設(shè)計

3.1 輸入電路的電磁兼容設(shè)計

輸入濾波電路如圖8所示，F(xiàn)V1為瞬態(tài)電壓抑制二極管，RV1為壓敏電阻[5]，具有很強(qiáng)的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護(hù)后級元器件或電路免遭浪涌電壓的破壞，EMI濾波器必須良好接地，且接地線要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入線、輸出線之間屏蔽隔離，才能有效地切斷傳導(dǎo)干擾沿輸入線的傳播和輻射干擾沿空間傳播。L1及C1組成低通濾波電路，當(dāng)L1電感值較大時，還須增加VD1和R1形成續(xù)流回路，吸收后級斷開時L1儲存的能量，不然的話，L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會形成EMI。電感L1所選用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開環(huán)磁芯的漏磁場會形成EMI。C1的容量選較大為好，這樣可以減小輸入線上的紋波電壓，從而減小在輸入導(dǎo)線周圍形成的電磁場。

圖8 輸入濾波電路Fig.8 Input filtering circuit

圖9 開關(guān)電源EMI濾波器電路Fig.9 Switching power supply EMI filtering circuit

開關(guān)電源EMI濾波器基本電路[6]如圖9所示，CX1和CX2是差模電容，L1、L2共模電感是匝數(shù)相同，繞向相反且繞在同一磁環(huán)上的兩只獨立線圈，兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，共模電感對工頻電流不起任何阻礙作用，避免磁環(huán)達(dá)到飽和狀態(tài)，從而使兩只線圈的電感值保持不變，CY1和CY2是共模電容。

差模濾波元件和共模濾波元件分別對差模干擾和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。實際使用中，共模電感繞組由于繞制工藝間會存在電感差值，不過這種差值正好被利用做成差模電感。所以一般電路中不必再設(shè)置獨立的差模電感。共模電感的差值電感與電容CX1和CX2構(gòu)成一個Ⅱ型濾波器。這種濾波器對差模干擾有較好的衰減。

電容CY1和CY2是用來濾除共模干擾的。共模干擾的衰減在低頻時主要由電感器起作用，而在高頻時大部分由電容CY1和CY2起作用，CY1接于電源線和地線之間，需要其耐高壓、低漏電流特性，CY 一般在 2.2～33 μF，電容類型為瓷片電容。

差模電容CX接在兩根電源線之間，對一般的高頻干擾阻抗很低，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過它，它對工頻信號的阻抗很高，對工頻信號的傳輸毫無影響。CX電容選擇主要考慮耐壓值只要滿足功率線路的耐壓等級，能承受可預(yù)料的電壓沖擊即可，為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過大，一般在0.01～0.1 μF之間，電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

3.2 高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計

如圖10所示，VT為MOSFET的開關(guān)器件，在VT開通和斷開時，由于開關(guān)時間很短及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會產(chǎn)生較高的di/dt、du/dt形成EMI，在變壓器原邊兩端增加RCD構(gòu)成吸收電路[7]，或在開關(guān)管VT兩端并聯(lián)電容，縮短引線，減小圖中引線1－2，3－4的電感。電容C2、C3一般采用低感電容。另外，我們還采用軟開關(guān)技術(shù)，它也是改善開關(guān)器件電磁兼容特性的一個重要的方法，開關(guān)器件通斷會產(chǎn)生浪涌電流du/dt及尖峰電壓di/dt，這是開關(guān)管產(chǎn)生EMI及損耗的主要原因，軟開關(guān)技術(shù)使開關(guān)管在零電壓、零電流時進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換，可以有效地抑制EMI改善開關(guān)電源的電磁兼容特性[8]。

圖10 高頻逆變電路Fig.10 High frequency invert circuit

3.3 輸出整流電路的電磁兼容設(shè)計

輸出整流電路如圖11所示，VD6為整流二極管，VD7為續(xù)流二極管，這兩個二極管工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，所以它們是輸出整流電路的EMI源。R5、C12和R6、C13它們是高頻整流二極管VD6、VD7的吸收電路，可以吸收VD6、VD7開關(guān)時產(chǎn)生的電壓尖峰，改善開關(guān)電源的電磁兼容特性。減少高頻整流二極管數(shù)量即可減少EMI能量，因此在滿足同樣條件下，采用半波整流比采用全波整流和全橋整流產(chǎn)生的EMI要小。還有在輸出較低電壓的情況下，選用肖特基二極管產(chǎn)生的EMI也會比選用其它二極管小。

圖11 輸出整流電路Fig.11 Output rectifyin circuit

4 結(jié)束語

針對小功率開關(guān)電源的電磁干擾問題，文中采用了濾波、屏蔽、接地等方法。大量事實證明本文中的方案經(jīng)濟(jì)可靠地解決此類開關(guān)電源的抗干擾問題，不但提高了該類開關(guān)電源的性能，降低了它們的故障率，而且使它們的適用范圍更加廣泛。

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[8]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.