反激式功率因數(shù)校正電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

引言

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×?。在開(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小；在零電流準(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(chēng)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(chēng)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。