反激式功率因數(shù)校正電路的電磁兼容設(shè)計(jì)
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電磁兼容(EMC)是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。隨著電子產(chǎn)品越來(lái)越多地采用低功耗、高速度、高集成度的LSI電路,而使得這些裝置比以往任何時(shí)候更容易受到電磁干擾的威脅。而與此同時(shí),大功率家電及辦公自動(dòng)化設(shè)備的增多,以及移動(dòng)通信、無(wú)線尋呼的廣泛應(yīng)用等,又大大增加了電磁騷擾源。這些變化迫使人們把電磁兼容作為重要的技術(shù)問(wèn)題加以關(guān)注。特別是歐共體將產(chǎn)品的電磁兼容性要求納入技術(shù)法規(guī),強(qiáng)制執(zhí)行89/336/EEC指令,即規(guī)定從1996年1月1日起電氣和電子產(chǎn)品都必須符合EMC要求,并加貼CE標(biāo)志后才能在歐共體市場(chǎng)上銷(xiāo)售以來(lái),促使了各國(guó)政府從國(guó)際貿(mào)易的角度,高度重視電磁兼容技術(shù)。
開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn),且市場(chǎng)上已有開(kāi)關(guān)電源集成控制模塊,這使電源設(shè)計(jì)、調(diào)試簡(jiǎn)化了許多,所以,在大多數(shù)的電子設(shè)備(如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)及各種控制系統(tǒng))中得到了廣泛的應(yīng)用。然而,開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的各種噪聲卻使其成了一個(gè)很強(qiáng)的電磁騷擾源。這些騷擾隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強(qiáng),對(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅。因此,只有提高開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性,才能使開(kāi)關(guān)電源在那些對(duì)電源噪聲指標(biāo)有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合被采用。
電磁兼容包括兩個(gè)方面的含義。
1)電子設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)部件和子系統(tǒng)、一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的各臺(tái)設(shè)備乃至相鄰幾個(gè)系統(tǒng),在它們自己所產(chǎn)生的電磁環(huán)境及在他們所處的外界電磁環(huán)境中,能按原設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行。換句話說(shuō),它們應(yīng)具有一定的電磁敏感度,以保證它們對(duì)電磁干擾具有一定的抗擾度(Immunity of a Disturbance)。
2)該設(shè)備或系統(tǒng)自己產(chǎn)生的電磁噪聲(Electromagnetic Noise-EMN)必須被限制在一定的電平,使由它所造成的電磁干擾不致對(duì)它周?chē)碾姶怒h(huán)境造成嚴(yán)重的污染和影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
眾所周知,構(gòu)成電磁干擾有三個(gè)要素,即:騷擾源(噪聲)、噪聲的耦合途徑及噪聲接收器(被干擾設(shè)備)。因此,概括電磁兼容設(shè)計(jì)的任務(wù)就是要削弱騷擾源的能量,隔離或減弱噪聲耦合途徑及提高設(shè)備對(duì)電磁干擾的抵抗能力。下面就以反激式(Flyback)電路為例,討論小功率單級(jí)PFC電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)。
1 騷擾源的分析
如圖1所示,在小功率DC/DC變換器中,主要的騷擾源是電磁感應(yīng)噪聲和非線性開(kāi)關(guān)過(guò)程噪聲。這都是由于功率變換電路中的整流二級(jí)管和功率開(kāi)關(guān)管在工作過(guò)程中所產(chǎn)生的電壓和電流的躍變,并通過(guò)高頻變壓器、儲(chǔ)能電感線圈以及電路中的元件布局和器件本身自帶的寄生參數(shù)之間相互作用而造成的。
換句話說(shuō),電路中產(chǎn)生的所有干擾問(wèn)題的根源,就是功率開(kāi)關(guān)管和高頻整流二極管在快速的開(kāi)斷過(guò)程中所產(chǎn)生的di/dt和dv/dt。所以,在電路設(shè)計(jì)的初期,即進(jìn)行電路方案的選擇時(shí)就應(yīng)著手考慮EMC問(wèn)題。在各方面條件成熟和允許的情況下,對(duì)于主開(kāi)關(guān)管的設(shè)計(jì)應(yīng)采用軟開(kāi)關(guān)電路(例如中功率電路當(dāng)中廣為采用的移相全橋電路等),這樣不但可以極大地減小開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗,而且有助于降低電路中的di/dt。而在開(kāi)關(guān)頻率的選擇上也不是越高越好,而是應(yīng)當(dāng)選取合適的頻率。還有,由開(kāi)關(guān)管和高頻二極管以及輸出電容構(gòu)成的回路應(yīng)盡量地小,因?yàn)榛芈沸〖纳姼芯托×恕T陂_(kāi)關(guān)管和高頻二極管開(kāi)通和關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的di/dt,如果寄生電感大了就會(huì)感應(yīng)出很高的電壓,這樣就形成了一個(gè)大的騷擾源。另外,高頻二極管在關(guān)斷的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)的情況,這也是一個(gè)很大的騷擾源。我們必須注意削弱它,以免影響電路的正常工作,為此可以給高頻二極管串一個(gè)小的電感,抑制高頻二極管的反向恢復(fù)電流。但是這個(gè)電感不能大,因?yàn)樵诟哳l下di/dt很大,也會(huì)引入一個(gè)騷擾,因此必須折中。
另一個(gè)產(chǎn)生電磁感應(yīng)噪聲的主要騷擾源是脈沖變壓器。在反激式電路中,由于原副邊繞組耦合系數(shù)不為1,變壓器存在著一定的漏感Ls。當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí),Ls所產(chǎn)生的反電勢(shì)-Lsdi/dt會(huì)使開(kāi)關(guān)管的漏源極之間的電壓出現(xiàn)上沖。這是因?yàn)長(zhǎng)s上的能量--漏磁通不能通過(guò)變壓器耦合到副邊進(jìn)行釋放,因此,這部分能量同開(kāi)關(guān)管的寄生電容Cs和輸入電源Vin共同構(gòu)成一個(gè)衰減的LC諧振,疊加在關(guān)斷電壓上,形成關(guān)斷電壓尖峰。這個(gè)尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖,除了造成干擾外,重者有可能擊穿開(kāi)關(guān)管。而且它還是一種傳導(dǎo)性電磁干擾,既影響變壓器的初級(jí),還會(huì)使干擾傳導(dǎo)返回配電系統(tǒng),造成輸入側(cè)電網(wǎng)的電磁干擾,從而影響其它用電設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
和開(kāi)關(guān)管一樣,電路當(dāng)中的脈沖變壓器也存在高頻率的di/dt變化,也會(huì)向空間輻射高頻的電磁波,干擾其他的元器件和設(shè)備。為此也應(yīng)當(dāng)想法將變壓器這些高頻電磁波屏蔽掉。
對(duì)于電磁場(chǎng)而言,電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量總是同時(shí)存在的。所以,在屏蔽電磁場(chǎng)時(shí),必須對(duì)電場(chǎng)與磁場(chǎng)同時(shí)加以屏蔽。高頻電磁屏蔽的機(jī)理主要是基于電磁波穿過(guò)金屬屏蔽體產(chǎn)生波反射和波吸收的機(jī)理。電磁波達(dá)到屏蔽體表面時(shí),之所以會(huì)產(chǎn)生波反射,其主要原因是電磁波的波阻抗與金屬屏蔽體的特征阻抗不相等,兩者數(shù)值相差越大,反射引起的損耗就越大。反射波還和頻率有關(guān),頻率越低,反射越嚴(yán)重。而電磁波在穿透屏蔽體時(shí)產(chǎn)生的吸收損耗則主要是由電磁波在屏蔽體中的感生渦流引起的。感生的渦流可以產(chǎn)生一個(gè)反磁場(chǎng)抵消原干擾磁場(chǎng),同時(shí),渦流在屏蔽體內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生熱損耗。
2 電磁兼容的設(shè)計(jì)
電磁兼容性設(shè)計(jì)包括電路選擇、元器件的選擇、濾波、屏蔽、接地、布局等。
2.1 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)
選擇零電壓開(kāi)關(guān)、零電流開(kāi)關(guān)諧振技術(shù)或其他軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。在零電壓諧振變換器中,功率開(kāi)關(guān)上的電壓波形為準(zhǔn)正弦,dv/dt?。辉诹汶娏鳒?zhǔn)諧振變換中,流過(guò)功率開(kāi)關(guān)的電流為準(zhǔn)正弦,di/dt小,這樣就可以減小EMI電平。因?yàn)椋蓴_頻譜窄,且集中在諧振頻率附近,易于濾波器的設(shè)計(jì)。
要特別注意降低功率開(kāi)關(guān)的di/dt與dv/dt和減小整流二極管噪聲的緩沖電路的設(shè)計(jì)。
2.2 濾波
濾波是抑制干擾的一種有效措施,尤其是在對(duì)付傳導(dǎo)干擾方面,具有明顯的效果。欲削弱傳導(dǎo)干擾,把EMI電平控制在有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限電平以下。除抑制騷擾源以外,最有效的方法就是在開(kāi)關(guān)電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。在濾波電路中,選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環(huán),能夠改善電路的濾波特性。EMI濾波器如圖2所示。
這種EMI濾波器既能抑制共模干擾又能抑制差模干擾。它是開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其中L1和L2是繞在同一磁環(huán)上兩只獨(dú)立線圈,匝數(shù)相同,有相同方向的同名端,稱之為共模電感線圈或者共模線圈。L3與L4是獨(dú)立的差模抑制電感,C1、C2和C3是電容器。如果把該濾波器一端接入干擾源,負(fù)載端接上被干擾設(shè)備,那么L1和C1,L2和C2就分別構(gòu)成了兩對(duì)獨(dú)立端口間的低通濾波器,用來(lái)抑制電源線上存在的共模EMI信號(hào),使之衰減,并被控制到很低的電平上。L3及L4形成的獨(dú)立差模抑制電感和電容C3組成了一個(gè)低通濾波器,用來(lái)抑制電源線上存在的差模EMI信號(hào)。
適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)或選擇合適的濾波器,并正確地安裝濾波器是抗干擾技術(shù)的重要組成部分,具體措施如下。
1)在交流電輸入端加裝電源濾波器,其電路圖如圖2所示。其中L3,L4和C3用于抑制差模噪聲,L1,L2,C1和C2用于抑制共模噪聲。所有的電源濾波器都必須接地,因?yàn)闉V波器的共模旁路電容必須在接地時(shí)才起作用。一般的接地方法除了將濾波器與金屬外殼相接之外,還要用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼與設(shè)備的接地點(diǎn)相連,接地阻抗越小濾波效果越好。另外,濾波器應(yīng)盡量安裝在靠近電源入口處,避免干擾信號(hào)從輸入端直接耦合到輸出端。
2)在電源輸出端加輸出濾波器。加裝高頻電容,加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量,可以抑制差模噪聲。如果把多個(gè)電容并聯(lián),效果將會(huì)更好。
在使用濾器器的時(shí)候,我們還必須注意以下幾點(diǎn)。
1)濾波器必須有良好的屏蔽,屏蔽體與電源良好搭接。
2)輸入濾波器應(yīng)裝在輸入端口處,輸出濾波器應(yīng)裝在輸出端口處,并遠(yuǎn)離內(nèi)部電磁發(fā)射很強(qiáng)的電感器、功率開(kāi)關(guān)等。若可能的話,盡可能作為一個(gè)獨(dú)立部件與電源合理連接。
3)濾波器的輸入、輸出線不能交叉,應(yīng)采用屏蔽線或相互間設(shè)置屏蔽層。
4)濾波器內(nèi)部的元件,自身要進(jìn)行良好的電磁屏蔽和接地處理,以免流過(guò)濾波器接地導(dǎo)線的短路電流造成有害電磁輻射。
5)濾波電感的鐵芯最好采用罐型或者環(huán)型,若用其他形狀可加短路環(huán)或磁屏蔽。線圈采用單層或分段式繞法,小電流時(shí)可采用蜂房繞制的多層線圈。共軛線圈不能采取雙線并繞,應(yīng)是對(duì)稱的兩個(gè)獨(dú)立線圈。
6)應(yīng)選用高頻特性好的電容器。
2.3 接地
必須注意電路中的接地問(wèn)題,因?yàn)楣沧杩柜詈现饕ㄟ^(guò)公共地阻抗進(jìn)行。如果接地沒(méi)有處理好,可能會(huì)對(duì)電路引入很大的地干擾,從而使電路不能正常工作。以Boost電路為例,如果MOSFET的S極接地沒(méi)有處理,也就是說(shuō)G極、S極、PWM信號(hào)和地之間構(gòu)成地回路很大的話,電路就不能正常工作,有時(shí)候PWM信號(hào)無(wú)法驅(qū)動(dòng)MOSFET,這就是通過(guò)公共地阻抗給Boost電路引入了一個(gè)很大的干擾。因此,在使用通用板子來(lái)布電路的時(shí)候,必須注意這些細(xì)節(jié),S極與地之間的導(dǎo)線要盡量短。使用通用板子時(shí),盡量用粗一點(diǎn)線來(lái)作為地線,還有,能夠連在一起的地應(yīng)盡量連在一起,接地點(diǎn)盡量粗一點(diǎn),還可以盡量加粗地線寬度,減少環(huán)路電阻。若地線很細(xì)或者接地點(diǎn)很小,接地電位則隨電流的變化而變化,使抗噪聲性能變壞。使用通用板子時(shí),還必須注意功率電路的地對(duì)信號(hào)地的干擾。
2.4 變壓器的設(shè)計(jì)
為了盡可能地減小變壓器的電磁噪聲,就要使其原邊繞組和副邊繞組的耦合系數(shù)盡可能接近1,從而減小漏磁通,達(dá)到減小漏感的目的。這就需要在變壓器的設(shè)計(jì)上下功夫,使原邊繞組和副邊繞組盡可能地靠近,同時(shí)和磁芯也要盡量靠近,這樣漏磁通就會(huì)減到最小。根據(jù)這個(gè)原則,最好的繞法就是原邊和副邊交叉并繞,這樣能達(dá)到使漏電感最小的目的。但是在實(shí)際應(yīng)用中,變壓器還要考慮原副邊之間的高壓隔離,所以實(shí)際當(dāng)中更多應(yīng)用的?quot;三明治"的夾心繞法(如圖3所示),即繞一層原邊,繞一層副邊,再繞一層原邊,或者一層副邊,一層原邊,最后一層副邊,這就能使原副邊之間的耦合更好,減少漏感,減少由于漏感引起的電磁感應(yīng)噪聲。(設(shè)計(jì)導(dǎo)線線徑的時(shí)候,除了應(yīng)當(dāng)考慮通過(guò)的電流大小和趨膚效應(yīng)之外,還應(yīng)當(dāng)力爭(zhēng)讓導(dǎo)線將每層都鋪平,而不要出現(xiàn)稀疏的兩三匝的現(xiàn)象,只有這樣,原副邊的耦合效果才能進(jìn)一步提高)。圖4給出了實(shí)驗(yàn)波形圖,從圖4可知,用夾心繞法繞制的變壓器,MOSFET上的振蕩小了很多。
為了減少變壓器的輻射干擾,制作變壓器的屏蔽層時(shí),常采用的方法是在變壓器的線包和磁芯外表面包上一層薄薄的銅皮。為了能減小原副邊的分布電容,還可以在變壓器的初、次級(jí)繞組之間加一層靜電屏蔽。具體的作法是在繞制完初級(jí)繞組后,包上一層0.02~0.03mm厚的薄銅皮,銅皮的始端和末端必須有3~5mm長(zhǎng)的重疊(重疊部分必須相互絕緣)。為了保證靜電屏蔽達(dá)到預(yù)期的目標(biāo),關(guān)鍵是從工藝設(shè)計(jì)上減小漏電容Cs和接地阻抗Z的大小,如下圖5所示。
3 其他減少電磁干擾的方法
3.1 元器件的布局
在設(shè)計(jì)電路時(shí),通常騷擾源和受擾電路由于受到工作條件的限制而難以避免。這時(shí),應(yīng)盡量將相互關(guān)聯(lián)的元器件擺放在一起,以避免因器件離的太遠(yuǎn)而造成印制線過(guò)長(zhǎng)所帶來(lái)的干擾;再者將輸入信號(hào)和輸出信號(hào)盡量放置在引線端口附近,以避免因耦合路徑而產(chǎn)生的干擾。
3.2 散熱片的安裝
考慮到可能惡化電路運(yùn)行狀態(tài)的功率器件發(fā)熱問(wèn)題,可以給功率器件安裝散熱片,既能散熱,又可以減小電磁噪聲。為了使功率開(kāi)關(guān)管和散熱器能有良好的熱傳導(dǎo),常在功率開(kāi)關(guān)管與散熱器之間抹上導(dǎo)熱性能良好的絕緣硅膠(為了保證有良好的絕緣,常常還在中間墊絕緣墊片,防止散熱片帶電)。這些硅膠和絕緣墊片相當(dāng)于在功率管和散熱片之間串聯(lián)了耦合電容Ck。因此,功率開(kāi)關(guān)管在快速開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生的電磁噪聲就會(huì)通過(guò)Ck耦合到散熱片上面。從防止各個(gè)開(kāi)關(guān)管之間的噪聲相互串?dāng)_的角度來(lái)考慮,最好是每個(gè)功率管用一個(gè)獨(dú)立的散熱片,而不是幾個(gè)功率開(kāi)關(guān)管公用一個(gè)散熱片。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著電子產(chǎn)品的電磁兼容性日益受到重視,抑制開(kāi)關(guān)電源的EMI,提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量,使之符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題。本文對(duì)反激式功率因數(shù)校正電路的騷擾源進(jìn)行了分析,同時(shí)給出了相應(yīng)的解決方案,另外,還對(duì)此電路的電磁兼容的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
評(píng)論