低共模噪聲隔離DC-DC變換器的設(shè)計(jì)

潘成飛 游勇 陳紅亮

摘 ?要：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中通常采用隔離開關(guān)電源給浮置測(cè)量電路供電，然而對(duì)于被測(cè)信號(hào)接地的情況，變壓器初次級(jí)間的噪聲對(duì)測(cè)量電路而言是一個(gè)共模干擾源，影響測(cè)量精度。為提高測(cè)量精度，對(duì)初次級(jí)間共模噪聲產(chǎn)生的機(jī)理、共模噪聲在測(cè)量回路中形成干擾的原因進(jìn)行分析，得到降低共模噪聲的思路。最后設(shè)計(jì)一款隔離電源，使用平衡對(duì)稱指數(shù)規(guī)律變化的波形驅(qū)動(dòng)變壓器，以降低驅(qū)動(dòng)電壓和漏感電動(dòng)勢(shì)的dV/dt，采用全橋驅(qū)動(dòng)和全波整流的對(duì)稱拓?fù)洳⒔Y(jié)合單層繞組抵消初次級(jí)間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的泄漏電流。試驗(yàn)表明采取這些措施后共模噪聲遠(yuǎn)低于常規(guī)不控制變壓器dV/dt的方波驅(qū)動(dòng)方案。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;共模噪聲;驅(qū)動(dòng)波形;漏感電動(dòng)勢(shì)

中圖分類號(hào)：TM46 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）16-0022-04

Abstract：The isolation switch power supply is usually used in the data acquisition system to supply power to the floating measurement circuit. However，when the measured signal is grounded，the noise between the primary stages of the transformer is a common mode interference source to the measurement circuit，affecting the measurement accuracy. In order to improve the measurement accuracy，this paper analyzes the mechanism of common mode noise in the first stage and the reason of common mode noise in the measurement loop，and obtains the idea of reducing common mode noise. Finally，an isolated power supply is designed，which uses the waveform of balanced symmetric exponential law to drive the transformer，so as to reduce the driving voltage and the dV/dt of the leakage induced electromotive force. The symmetric topology of full bridge drive and full wave rectification is adopted，and the single-layer winding is combined to offset the leakage current generated by the initial induced electromotive force between stages. The results show that the common mode noise is much lower than that of the conventional square wave drive scheme without controlling transformer dV/dt.

Keywords：switching power supply;common mode noise;drive waveform;leakage electromotive force

0 ?引 ?言

測(cè)量對(duì)地存在共模電壓的信號(hào)，要求測(cè)量設(shè)備的輸入端對(duì)地隔離，使被測(cè)信號(hào)與大地沒有電流回路，以保證人身和設(shè)備安全、測(cè)量結(jié)果正確。對(duì)浮置測(cè)量電路供電通常有電池、工頻變壓器、隔離開關(guān)電源三種方案。隔離開關(guān)電源體積小效率高，是目前采用較多的方案，但其共模噪聲較大。當(dāng)測(cè)量接地的信號(hào)源時(shí)，共模噪聲電流在測(cè)量回路阻抗上形成壓降，造成干擾。特別是對(duì)于微弱信號(hào)并且共模噪聲頻率在信號(hào)的頻帶內(nèi)時(shí)，嚴(yán)重影響測(cè)量精度。電池供電理論上沒有共模電壓，但是需要更換維護(hù)，工頻變壓器也可達(dá)到很好的效果，但體積大，都不適用于插卡式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

一些隔離DC-DC電源在初次級(jí)跨接大的電容短路共模噪聲，然而對(duì)于浮置測(cè)量電路是不可取的，降低了輸入的共模抑制比和交流隔離度。使用雙層屏蔽可以降低共模噪聲，但對(duì)于CAT II 600V及以上的測(cè)量應(yīng)用，在提供幾瓦特功率的小型磁芯內(nèi)，初次級(jí)屏蔽間的絕緣距離達(dá)不到安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本文分析了隔離開關(guān)電源共模噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，特別是通常被忽略的次級(jí)漏感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的共模噪聲。指出采用平衡對(duì)稱指數(shù)規(guī)律變化的驅(qū)動(dòng)波形，能夠在減緩初次級(jí)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的dV/dt和次級(jí)漏感電動(dòng)勢(shì)的dV/dt的同時(shí)，不至于使次級(jí)二極管電流峰值因數(shù)增加過多。最后設(shè)計(jì)一款用于插卡式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低共模噪聲隔離電源，實(shí)驗(yàn)證明比方波和梯形波驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的共模噪聲低。

1 ?隔離電源共模噪聲對(duì)測(cè)量電路的影響

測(cè)量設(shè)備與被測(cè)信號(hào)構(gòu)成的測(cè)量回路如圖1所示。Vcm是變壓器初次級(jí)共模電動(dòng)勢(shì)，Ciso是初次級(jí)繞組雜散電容。若被測(cè)信號(hào)接地或與地的阻抗較低，共模電壓在地回路中產(chǎn)生電流。從測(cè)量電路的輸入看，其測(cè)量的信號(hào)為被測(cè)信號(hào)與連接線阻抗上的噪聲電壓疊加，而測(cè)量系統(tǒng)認(rèn)為疊加的電壓就是信號(hào)電壓，從而產(chǎn)生誤差。

特別是被測(cè)信號(hào)供電和測(cè)量設(shè)備供電就近連到同一市電線路上時(shí)，其地回路并不長(zhǎng)，阻抗低，容易受影響。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)如果對(duì)10MHz帶寬隔離數(shù)據(jù)采集卡供電的幾瓦特開關(guān)電源不加以改進(jìn)處理的話，在滿量程100mV下，探頭輸入和測(cè)量地都連接到大地，其噪聲峰峰值達(dá)到10mV，影響是非常嚴(yán)重的。

2 ?隔離電源共模噪聲形成的機(jī)理

2.1 ?初次級(jí)繞組電壓產(chǎn)生共模電壓

假設(shè)初次級(jí)繞組均為單層線圈，如圖2所示。N匝線圈相當(dāng)于把自感電動(dòng)勢(shì)分成N分串聯(lián)，從接地端到電源端，線圈對(duì)初級(jí)地的電位逐漸升高。每一匝初級(jí)線圈對(duì)整個(gè)次級(jí)繞組有一個(gè)雜散電容，最終效果等效于在這個(gè)單層線圈中間位置串聯(lián)一個(gè)總雜散電容到次級(jí)地，即共模噪聲源模型是電動(dòng)勢(shì)為初級(jí)電壓一半，內(nèi)阻為總雜散電容的電壓源[1]。同理，次級(jí)繞組互感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的共模電壓等效于電動(dòng)勢(shì)為次級(jí)電壓一半，內(nèi)阻為總雜散電容的電壓源。

初次級(jí)繞組電壓產(chǎn)生的兩個(gè)共模電壓分量疊加可能減少也可能增加，與匝數(shù)比、繞線方式、拓?fù)涞扔嘘P(guān)系，但一般情況不可能完全抵消。

2.2 ?變壓器漏感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生共模電壓

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)變壓器次級(jí)漏感電動(dòng)勢(shì)也會(huì)產(chǎn)生共模噪聲。圖3是下圖6中初級(jí)繞組A點(diǎn)對(duì)初級(jí)地，以及次級(jí)繞組C點(diǎn)對(duì)次級(jí)地的波形，可見Q1從導(dǎo)通過渡到截止過程剛開始的階段，A點(diǎn)電壓線性下降，即初級(jí)繞組電壓線性降低。此時(shí)次級(jí)繞組電壓并沒有馬上跟隨降低，而是延遲了94ns才開始降低。在二極管D1陰極串入0.1Ω電阻取樣電流波形，發(fā)現(xiàn)此階段D1電流從正常值逐漸降低到0，如圖4所示。說明漏感能量在轉(zhuǎn)移到輸出端。

用示波器測(cè)量次級(jí)地對(duì)初級(jí)地的共模電壓，由于示波器探頭相當(dāng)于開路，次級(jí)再連接任何設(shè)備都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。所以共模電壓與D1電流，C點(diǎn)波形無(wú)法同時(shí)測(cè)量，可以A點(diǎn)為基準(zhǔn)分別測(cè)量，單獨(dú)測(cè)量的共模電壓波形如圖5所示。可見在A點(diǎn)電壓開始下降的階段，產(chǎn)生了一個(gè)共模電壓CM，與C點(diǎn)延遲時(shí)間的位置對(duì)應(yīng)。

輸出濾波電容保持輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定，次級(jí)繞組互感電動(dòng)勢(shì)與初級(jí)自感電動(dòng)勢(shì)變化是一致的，馬上跟隨初級(jí)電壓降低的，而此時(shí)D1還有電流，說明互感電動(dòng)勢(shì)降低的同時(shí)漏感電動(dòng)勢(shì)從0開始線性增大，增大的量等于互感電動(dòng)勢(shì)減少的量，直到次級(jí)繞組電流為降為0，漏感能量放完，然后漏感與二極管結(jié)電容形成減幅振蕩。次級(jí)漏感是分布參數(shù)，是次級(jí)每一匝產(chǎn)生漏磁通疊加的效果，與次級(jí)互感電動(dòng)勢(shì)對(duì)初級(jí)的作用產(chǎn)生共模電壓的原理是一樣的。

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，帶中心抽頭的次級(jí)用全波整流輸出正負(fù)電源，當(dāng)正負(fù)電源的負(fù)載相等時(shí)，漏感電動(dòng)勢(shì)得到一定程度的抵消。然而在實(shí)際的測(cè)量電路中正電源需要給FPGA和ADC供電，電流比負(fù)電源大。

3 ?隔離開關(guān)電源共模噪聲改善方法

3.1 ?繞組屏蔽

在初次級(jí)繞組間使用雙層屏蔽，靠近初級(jí)的屏蔽接初級(jí)地，靠近次級(jí)的屏蔽接次級(jí)地，降低了初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的互容[2]。但是對(duì)用于CAT II 600V及以上測(cè)量應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集板卡雙層屏蔽并不現(xiàn)實(shí)，使用三重絕緣線并無(wú)意義，雙層屏蔽銅箔間是薄弱環(huán)節(jié)，要滿足安全標(biāo)準(zhǔn)中隔離距離要求所需的磁芯尺寸比正常大較多。不過在實(shí)踐中，單獨(dú)使用單層屏蔽接初級(jí)地，對(duì)降低共模電壓也有一定效果，同時(shí)初次級(jí)繞組都使用三重絕緣線，也可達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 ?減緩開關(guān)切換斜率

減緩開關(guān)切換斜率，也就是降低繞組的dV/dt，對(duì)降低干擾是非常有效的[3]。開關(guān)管損耗會(huì)增大，按圖6的電路，在開關(guān)切換過程，次級(jí)電壓低于輸出電壓時(shí)整流二極管截止，在繞組電壓平頂階段才有開關(guān)電流。所以在開關(guān)緩慢切換過程，開關(guān)管不需對(duì)次級(jí)提供能量，導(dǎo)致的效率降低可以接受。

3.3 ?合適的拓?fù)浜屠@線方式抵消共模電壓

初級(jí)使用對(duì)稱驅(qū)動(dòng)的拓?fù)洌鐜е行牟孱^的全橋，中心抽頭通過電容交流接初級(jí)地，并且初次級(jí)都為單層繞制，寬度一致。繞組兩端對(duì)中心抽頭是互為反相的等幅交變電壓。根據(jù)章節(jié)2.1的分析，初級(jí)中心抽頭分開的兩部分繞組對(duì)次級(jí)產(chǎn)生的共模電動(dòng)勢(shì)大小相等方向相反，由于初次級(jí)繞組單層等寬，初級(jí)兩個(gè)繞組對(duì)次級(jí)雜散電容大體相等，初級(jí)電壓對(duì)次級(jí)產(chǎn)生的共模電壓在一定程度上得到抵消。同樣地，次級(jí)繞組采用帶有中心抽頭的全波整流，產(chǎn)生的共模電壓在一定程度上得到抵消。

3.4 ?外部補(bǔ)償共模噪聲

文獻(xiàn)[4]給出了一種無(wú)源補(bǔ)償方法，使用一個(gè)電容和一個(gè)補(bǔ)償繞組產(chǎn)生與共模電流反相的補(bǔ)償電流，但是沒有調(diào)節(jié)元件，變壓器一旦做好就不能再進(jìn)一步細(xì)致調(diào)節(jié)補(bǔ)償效果。這里提出直接利用次級(jí)繞組進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆桨福m用于次級(jí)帶中心抽頭的整流拓?fù)?。可用電位器取樣次?jí)兩端電壓，用一個(gè)容量與變壓器初次級(jí)電容大體相等的電容連接初級(jí)地和電位器抽頭。一般小功率變壓器雜散電容十幾皮法以下，所加的電容對(duì)測(cè)量電路的交流隔離度影響不大。

次級(jí)繞組兩端對(duì)初級(jí)地的電壓互為反相，電位器抽頭在中心位置附近存在一個(gè)零點(diǎn)，在零點(diǎn)往次級(jí)其中一端調(diào)，加在電容上的電壓增大;在零點(diǎn)往次級(jí)另一端調(diào)，加在電容上的電壓也增大，但相位相反?？僧a(chǎn)生一個(gè)與原共模電壓相位相反幅值相等的補(bǔ)償電壓加在電容上，抵消初次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的共模電壓。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)此方法對(duì)高dV/dt驅(qū)動(dòng)波形邊沿產(chǎn)生的干擾抑制效果不明顯，對(duì)波形平頂階段產(chǎn)生的共模電壓是明顯的。同時(shí)要求電位器分壓的等效電阻遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率下的容抗。

4 ?低共模噪聲隔離電源的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上產(chǎn)生共模電壓的原因和改善方法，設(shè)計(jì)了一款隔離開關(guān)電源，如圖6所示。

FPGA及其自帶存儲(chǔ)空間、DAC構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形。兩個(gè)運(yùn)放驅(qū)動(dòng)分別驅(qū)動(dòng)兩組互補(bǔ)跟隨器，增益分別為5和-5倍。驅(qū)動(dòng)波形平頂階段互補(bǔ)跟隨器接近飽和區(qū)，在不犧牲開關(guān)速度的情況下盡量降低損耗。經(jīng)過調(diào)試，信號(hào)發(fā)生單元輸出峰峰值為2.7V，偏置1.35V的方波，可在半橋輸出得到0.7～12.7V的電壓。兩半橋輸出加到變壓器初級(jí)電壓幅值為12V。

采用帶中心抽頭全橋拓?fù)?，中心抽頭交流接初級(jí)地。次級(jí)采用全波整流，得到正負(fù)電源。開關(guān)頻率為200kHz，變壓器用EP13磁芯，初級(jí)用Φ0.40mm漆包線雙線繞5匝，次級(jí)用Φ0.3mm漆包線雙線繞10T，初次級(jí)都是單層線圈。

用示波器測(cè)量共模電壓，探頭夾子接初級(jí)地，探頭針尖連接次級(jí)地。因?yàn)樘筋^相當(dāng)于開路，極易受空間50Hz電場(chǎng)影響造成波形基線漂移，所以整個(gè)電源放在接初級(jí)地的金屬機(jī)箱內(nèi)。正電源接39Ω電阻，負(fù)電源接220Ω電阻，實(shí)測(cè)電源輸出電壓±11.3V。編程信號(hào)發(fā)生單元，分別輸出上升時(shí)間100ns方波、上升時(shí)間500ns方波、平衡對(duì)稱的指數(shù)波，頻率均為200kHz，測(cè)試這幾種情況的共模電壓波形和峰峰值。共模噪聲測(cè)試結(jié)果如表1所示。

其中指數(shù)波是這樣的：0～π/2（0～1.25μs）階段電壓與1.35V電源對(duì)時(shí)間常數(shù)為180ns，電容初始電壓為0的RC串聯(lián)電路進(jìn)行充電時(shí)的電容電壓一致。π/2～π（1.25～2.5μs）階段是0～π/2波形的鏡像，負(fù)半周π～2π階段為0～π波形的反相，輸出幅值1.35V，偏置1.35V。

可見降低驅(qū)動(dòng)波形dV/dt可降低共模噪聲，由于次級(jí)漏感的影響，要進(jìn)一步減少噪聲，需要較低的dV/dt，但會(huì)導(dǎo)致平頂階段時(shí)間減少，次級(jí)二極管導(dǎo)通角降低，峰值電流增大。而采用指數(shù)波形，如圖7中A為變壓器初級(jí)引腳波形，過渡過程是圓滑的，變壓器初級(jí)電壓變換極性的過程，先緩慢再快速過零然后緩慢達(dá)到另一個(gè)峰值，剛開始緩慢的斜率降低了漏感電動(dòng)勢(shì)dV/dt，以稍快的斜率過零使次級(jí)二極管導(dǎo)通時(shí)間不至于過短導(dǎo)致峰值電流增大。圖7中CM為共模電壓波形，對(duì)降低共模噪聲取得了較好的效果。

板卡上每路隔離電源都用圖6方案顯得成本過高，體積較大。實(shí)際上每路隔離測(cè)量電路功率不大，一般5W以內(nèi)，將信號(hào)發(fā)生單元、驅(qū)動(dòng)共用，放置在機(jī)箱電源中，隔離變壓器在每個(gè)板卡上，并聯(lián)連接到驅(qū)動(dòng)輸出端。

5 ?結(jié) ?論

分析了隔離數(shù)據(jù)采集板卡的隔離電源共模噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，提出了降低共模噪聲的方法。根據(jù)這些思路設(shè)計(jì)了一款隔離電源方案，使用平衡對(duì)稱指數(shù)波驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)表明共模噪聲比通用的沒有斜率控制的方案低得多，從而提高了測(cè)量電路的性能。采用集中驅(qū)動(dòng)的方式避免成本和體積過多增加，具有實(shí)用性。

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作者簡(jiǎn)介：潘成飛（1987.06-），男，漢族，廣東肇慶人，技術(shù)經(jīng)理，本科，研究方向：精密測(cè)量?jī)x器。