電源設(shè)計小貼士 47：解決隔離式開關(guān)的傳導性共模輻射問題

在《電源設(shè)計小貼士 40：非隔離式電源的共模電流》中，我們討論了開關(guān)級中大電壓擺動如何形成共模電流的問題，并介紹了它驅(qū)動電流進入電容到機架接地的過程。在這篇《電源設(shè)計小貼士》中，我們將繼續(xù)討論共模電流的問題。

在隔離式電源中，這種情況變得更加糟糕，因為隔離變壓器的次級繞組最終連接至機架接地。因此，存在相當大的初級到次級寄生電容。圖 1 顯示了一個這種情況的簡化示意圖。

圖 1 Q1 高壓開關(guān)驅(qū)動 C-STRAY 中共模電流

這是一種離線工作的隔離式反向結(jié)構(gòu)。110 伏到 220 伏 AC 輸入電源經(jīng)過整流，從而向功率級提供 100 伏到 400 伏DC。電源開關(guān)迅速開啟和關(guān)閉，在 Q1 漏極上產(chǎn)生 500 伏到 600 伏開關(guān)波形，其同時也施加于電源變壓器的初級繞組。這種開關(guān)電壓，在變壓器初級繞組到次級繞組之間的雜散電容中形成電流。該電流流經(jīng)負載的預(yù)設(shè)機架接地，或者只是以電容方式接地耦合。該電流必須完成噪聲返回通路，從而產(chǎn)生開關(guān)式電源。在沒有 C1 的情況下，它流回 AC 輸入電源，然后流入電源的輸入線，其很可能會超出 EMI 輻射規(guī)格。

由于其高電源阻抗，這種電流的濾波特別困難。變壓器的雜散電容大小級別為　100 pF，其典型電源開關(guān)頻率的阻抗為 10 千歐。只在電流通路中添加一個電感來減小這種電流的方法并不實際。例如，如果我們希望將電流減小 10 倍，其要求100 千歐的電抗(也即 0.1 亨)，且分布電容小于 10 pF，這并不現(xiàn)實。

電容器 C1 帶來了另一種解決方案。它為電流提供了一條本地返回通路。大多數(shù)共模電流通過該電容器在電源內(nèi)部回流，而不是通過 AC 輸入電源回流。另外，C1 還減小了系統(tǒng)的電源阻抗，這樣共模串聯(lián)電感 L1 就變得現(xiàn)實了。

在共模濾波器的設(shè)計過程中，一個關(guān)鍵因素是 C1 值的選擇。從電磁干擾 (EMI) 的角度來看，其值越大越好。更大的電容可獲得更小的 EMI 信號，且電源阻抗也更低。你可以利用電容的平方原則，估計 EMI 信號的減小程度。但是，高電容也意味著機架連線的線頻率電流更大。另外，這種電流還有一些安全限制，目的是減少觸電事故的發(fā)生機率。當電源機架連線斷裂時，人員進入電流通路便會發(fā)生觸電事故，如圖 2 所示。IEC Std 601-1 將這種電流的大小限制為 0.5 mA RMS，同時人們還在討論出臺更為嚴格的安全規(guī)定。輸入為 230 伏時，IEC 可有效地將 C1 值限制為 4700 pF。

圖 2 C1 可以成為一種觸電風險

總之，驅(qū)動寄生電容機架接地的高 dV/dt 電壓波形，會形成共模電流。這種電流特別難以濾波，原因是其存在高電源阻抗。濾波要求使用一個機架電容器，提供另一條本地返回通路，并降低阻抗。盡管從 EMI 濾波器的角度來看，電容越大越好，但是總電容受限于安全規(guī)定。