工程師不可不知的開關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計(jì)（二）

一、開關(guān)電源EMI的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

　　開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對(duì)開關(guān)電源的干擾主要來自電網(wǎng)的抖動(dòng)、雷擊、外界輻射等。

　　1.開關(guān)電源的EMI源

　　開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對(duì)開關(guān)電源的干擾主要來自電網(wǎng)的抖動(dòng)、雷擊、外界輻射等。

　　(1)功率開關(guān)管

　　功率開關(guān)管工作在On-Off快速循環(huán)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，dv/dt和di/dt都在急劇變換，因此，功率開關(guān)管既是電場耦合的主要干擾源，也是磁場耦合的主要干擾源。

　　(2)高頻變壓器

　　高頻變壓器的EMI來源集中體現(xiàn)在漏感對(duì)應(yīng)的di/dt快速循環(huán)變換，因此高頻變壓器是磁場耦合的重要干擾源。

　　(3)整流二極管

　　整流二極管的EMI來源集中體現(xiàn)在反向恢復(fù)特性上，反向恢復(fù)電流的斷續(xù)點(diǎn)會(huì)在電感(引線電感、雜散電感等)產(chǎn)生高 dv/dt，從而導(dǎo)致強(qiáng)電磁干擾。

　　(4)PCB

　　準(zhǔn)確的說，PCB是上述干擾源的耦合通道，PCB的優(yōu)劣，直接對(duì)應(yīng)著對(duì)上 述EMI源抑制的好壞。

　　2.開關(guān)電源EMI傳輸通道分類

　　(一). 傳導(dǎo)干擾的傳輸通道

　　(1)容性耦合

　　(2)感性耦合

　　(3)電阻耦合

　　a.公共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電阻傳導(dǎo)耦合

　　b.公共地線阻抗產(chǎn)生的 電阻傳導(dǎo)耦合

　　c.公共線路阻抗產(chǎn)生的電阻傳導(dǎo)耦合

　　(二). 輻射干擾的傳輸通道

　　(1)在開關(guān) 電源中，能構(gòu)成輻射干擾源的元器件和導(dǎo)線均可以被假設(shè)為天線，從而利用電偶極子和磁偶極子理論進(jìn)行分析;二極管、電容、功率開關(guān)管可以假設(shè)為電偶極子，電 感線圈可以假設(shè)為磁偶極子;

　　(2)沒有屏蔽體時(shí)，電偶極子、磁偶極子，產(chǎn)生的電磁波傳輸通道為空氣(可以假設(shè)為自由空間);

　　(3)有屏蔽體時(shí)，考慮屏蔽體的縫隙和孔洞，按照泄漏場的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析處理。

　　3.開關(guān)電源EMI抑制的9大措施

　　在開關(guān)電源中，電壓和電流的突變，即高dv/dt和di/dt，是其EMI產(chǎn)生的主要原因。實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)技術(shù)措施主要基于以下兩點(diǎn)：

　　(1)盡量減小電源本身所產(chǎn)生的干擾源，利用抑制干擾的方法或產(chǎn)生干擾較小的元器件和電路，并進(jìn)行合理布局;

　　(2)通過接地、濾波、屏蔽 等技術(shù)抑制電源的EMI以及提高電源的EMS。

　　分開來講，9大措施分別是：

　　(1)減小dv/dt和di/dt(降 低其峰值、減緩其斜率)

　　(2)壓敏電阻的合理應(yīng)用，以降低浪涌電壓

　　(3)阻尼網(wǎng)絡(luò)抑制過沖

　　(4)采用軟恢復(fù)特 性的二極管，以降低高頻段EMI

　　(5)有源功率因數(shù)校正，以及其他諧波校正技術(shù)

　　(6)采用合理設(shè)計(jì)的電源線濾波器

　　(7)合理的接地處理

　　(8)有效的屏蔽措施

　　(9)合理的PCB設(shè)計(jì)

　　4.高頻變壓器漏感的控制

　　高頻變壓器的漏感是功率開關(guān)管關(guān)斷尖峰電壓產(chǎn)生的重要原因之一，因此，控制漏感成為解決高頻變壓器帶來的EMI首要面對(duì)的問題。

　　減小高頻變壓器漏感兩個(gè)切入點(diǎn)：電氣設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)!

　　(1)選擇合適磁芯，降低漏感。漏感與原邊匝數(shù)平方成正比，減小匝數(shù)會(huì)顯著降低漏感。

　　(2)減小繞組間的絕緣層?，F(xiàn)在有一種稱之為“黃金薄膜”的絕緣層，厚度20～100um，脈沖擊穿電壓可達(dá)幾千伏。

　　(3)增加繞組間耦合度，減小漏感。

　　5.高頻變壓器的屏蔽

　　為防止高頻變壓器的漏磁對(duì)周圍電路產(chǎn)生干擾，可采用屏 蔽帶來屏蔽高頻變壓器的漏磁場。屏蔽帶一般由銅箔制作，繞在變壓器外部一周，并進(jìn)行接地，屏蔽帶相對(duì)于漏磁場來說是一個(gè)短路環(huán)，從而抑制漏磁場更大范圍的 泄漏。

　　高頻變壓器，磁心之間和繞組之間會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，從而導(dǎo)致高頻變壓器在工作中產(chǎn)生噪聲(嘯叫、振動(dòng))。為防止該噪聲，需要對(duì)變 壓器采取加固措施：

　　(1)用環(huán)氧樹脂將磁心(例如EE、EI磁心)的三個(gè)接觸面進(jìn)行粘接，抑制相對(duì)位移的產(chǎn)生;

　　(2)用“玻璃珠”(Glass beads)膠合劑粘結(jié)磁心，效果更好。

二、半橋式開關(guān)電源變壓器參數(shù)計(jì)算方法

　　半橋式開關(guān)電源變壓器參數(shù)的計(jì)算

　　半橋式變壓器開關(guān)電源的工作原理與推挽式變壓器開關(guān)電源的工作原理是非常接近的，只是變壓器的激勵(lì)方式與工作電源的接入方式有點(diǎn)不同;因此，用于計(jì)算推挽式變壓器開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，只需稍微修改就可以用于半橋式變壓器開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的計(jì)算。

　　A)半橋式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)的計(jì)算

　　半橋式變壓器開關(guān)電源與推挽式開關(guān)電源一樣，也屬于雙激式開關(guān)電源，因此用于半橋式開關(guān)電源的變壓器鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，可從負(fù)的最大值-Bm，變化到正的最大值+Bm，并且變壓器鐵心可以不用留氣隙。半橋式開關(guān)電源變壓器的計(jì)算方法與前面推挽式開關(guān)電源變壓器的計(jì)算方法基本相同，只是直接加到變壓器初級(jí)線圈兩端的電壓僅等于輸入電壓Ui的二分之一。根據(jù)推挽式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)計(jì)算公式(1-150)和(1-151)式：

　　設(shè)直接加到半橋式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈兩端的電壓為Uab，且Uab =Ui/2 ，則上面(1-150)和(1-151)式可以改寫為：

　　上面(1-174)和(1-175)式就是計(jì)算半橋式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為變壓器初級(jí)線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為變壓器鐵心的導(dǎo)磁面積(單位：平方厘米)，Bm為變壓器鐵心的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位：高斯);Uab為加到變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電壓，Uab =Ui/2 ，Ui為開關(guān)電源的工作電壓，單位為伏;τ = Ton，為控制開關(guān)的接通時(shí)間，簡稱脈沖寬度，或電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間的寬度(單位：秒);

　　F為工作頻率，單位為赫芝，一般雙激式開關(guān)電源變壓器工作于正、反激輸出的情況下，其伏秒容量必須相等，因此，可以直接用工作頻率來計(jì)算變壓器初級(jí)線圈N1繞組的匝數(shù);F和τ取值要預(yù)留20%左右的余量。式中的指數(shù)是統(tǒng)一單位用的，選用不同單位，指數(shù)的值也不一樣，這里選用CGS單位制，即：長度為厘米(cm)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為高斯(Gs)，磁通單位為麥克斯韋(Mx)。

　　B)交流輸出半橋式開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算

　　半橋式變壓器開關(guān)電源如果用于DC/AC或AC/AC逆變電源，即把直流逆變成交流，或把交流整流成直流后再逆變成交流，這種逆變電源一般輸出電壓都不需要調(diào)整，因此電路相對(duì)比較簡單，工作效率很高。請(qǐng)參考圖1-36、圖1-38、圖1-39。

　　用于逆變的半橋式變壓器開關(guān)電源一般輸出電壓uo都是占空比等于0.5的方波，由于方波的波形系數(shù)(有效值與半波平均值之比)等于1，因此，方波的有效值Uo與半波平均值Upa相等，并且方波的幅值Up與半波平均值Upa也相等。所以，只要知道輸出電壓的半波平均值就可以知道有效值，再根據(jù)半波平均值，就可以求得半橋式開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比。

　　根據(jù)前面分析，半橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓uo，主要由開關(guān)電源變壓器次級(jí)線圈輸出的正激電壓來決定。因此，根據(jù)(1-158)、(1-159)、(1-161)等式其中一式就可以出半橋式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓的半波平均值。由此求得半橋式逆變開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比：

　　n =N2/N1 =2Uo/Ui = 2Upa/Ui —— 次/初級(jí)變壓比，D = 0.5時(shí) (1-176)

　　(1-176)式就是計(jì)算半橋式逆變開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1為變壓器初級(jí)線圈N1繞組的匝數(shù)，N2為變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù)，Uo輸出電壓的有效值，Ui為直流輸入電壓，Upa輸出電壓的半波平均值。

　　(1-176)式還沒有考慮變壓器的工作效率，當(dāng)把變壓器的工作效率也考慮進(jìn)去時(shí)，最好在(1-176)式的右邊乘以一個(gè)略大于1的系數(shù)。

　　C)直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算

　　直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開關(guān)電源，就是在DC/AC逆變電源的交流輸出電路后面再接一級(jí)整流濾波電路。請(qǐng)參考1-43、圖1-44、圖1-45。這種直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開關(guān)電源的控制開關(guān)K1、K2的占空比與DC/AC逆變電源一樣，一般都是0.5，因此，直流輸出電壓非調(diào)整式半橋開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比可直接利用(1-176)式來計(jì)算。即：

　　n =N2/N1 =2Uo/Ui = 2Upa/Ui —— 次/初級(jí)變壓比，D = 0.5時(shí) (1-176)

　　不過，在低電壓、大電流輸出的情況下，一定要考慮整流二極管的電壓降和變壓器的工作效率。

　　D)直流輸出電壓可調(diào)整式半橋開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算

　　直流輸出電壓可調(diào)整式半橋開關(guān)電源的功能就要求輸出電壓可調(diào)，因此，半橋式變壓器開關(guān)電源的兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2的占空比必須要小于0.5;因?yàn)榘霕蚴阶儔浩鏖_關(guān)電源正、反激兩種狀態(tài)都有電壓輸出，所以在同樣輸出電壓(平均值)的情況下，兩個(gè)控制開關(guān)K1、K2的占空比相當(dāng)于要小一倍。當(dāng)要求輸出電壓可調(diào)范圍為最大時(shí)，占空比最好取值為0.25。根據(jù)(1-140)和(1-145)式，并把輸入電壓Ui換成Uab可求得：

　　(1-177)、(1-178)式，就是計(jì)算直流輸出電壓可調(diào)整式半橋開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1為變壓器初級(jí)線圈N1繞組的最少匝數(shù)，N2為變壓器次級(jí)線圈的匝數(shù)，Uo為直流輸出電壓，Uab為加到變壓器初級(jí)線圈N1繞組兩端的電壓，Uab =Ui/2 ，Ui為開關(guān)電源的工作電壓。

　　同樣，在低電壓、大電流輸出的情況下，一定要考慮變壓器的工作效率以及整流二極管的電壓降和開關(guān)器件接通時(shí)的電壓降。

三、基本電子電路:開關(guān)電源講解

　　做硬件工程師的，幾乎都碰到過開關(guān)電源。網(wǎng)上的資料也很多。筆者也經(jīng)常接觸開關(guān)電源，從工程應(yīng)用實(shí)踐中自己總結(jié)了一些開關(guān)電源的心得。本文力求淺顯易懂。但愿對(duì)開關(guān)電源比較陌生的工程師能有所幫助。開關(guān)電源是一個(gè)很大的領(lǐng)域，本文的描述僅見一斑，有不當(dāng)之處，望以斧正之。