工程師不可不知的開關電源關鍵設計（二）

一、開關電源EMI的一些設計經(jīng)驗

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

　　1.開關電源的EMI源

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

　　(1)功率開關管

　　功率開關管工作在On-Off快速循環(huán)轉換的狀態(tài)，dv/dt和di/dt都在急劇變換，因此，功率開關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)在漏感對應的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)在反向恢復特性上，反向恢復電流的斷續(xù)點會在電感(引線電感、雜散電感等)產(chǎn)生高 dv/dt，從而導致強電磁干擾。

　　(4)PCB

　　準確的說，PCB是上述干擾源的耦合通道，PCB的優(yōu)劣，直接對應著對上 述EMI源抑制的好壞。

　　2.開關電源EMI傳輸通道分類

　　(一). 傳導干擾的傳輸通道

　　(1)容性耦合

　　(2)感性耦合

　　(3)電阻耦合

　　a.公共電源內阻產(chǎn)生的電阻傳導耦合

　　b.公共地線阻抗產(chǎn)生的 電阻傳導耦合

　　c.公共線路阻抗產(chǎn)生的電阻傳導耦合

　　(二). 輻射干擾的傳輸通道

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

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

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

　　3.開關電源EMI抑制的9大措施

　　在開關電源中，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。實現(xiàn)開關電源的EMC設計技術措施主要基于以下兩點：

　　(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，并進行合理布局;

　　(2)通過接地、濾波、屏蔽 等技術抑制電源的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)壓敏電阻的合理應用，以降低浪涌電壓

　　(3)阻尼網(wǎng)絡抑制過沖

　　(4)采用軟恢復特 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

　　(6)采用合理設計的電源線濾波器

　　(7)合理的接地處理

　　(8)有效的屏蔽措施

　　(9)合理的PCB設計

　　4.高頻變壓器漏感的控制

　　高頻變壓器的漏感是功率開關管關斷尖峰電壓產(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首要面對的問題。

　　減小高頻變壓器漏感兩個切入點：電氣設計、工藝設計!

　　(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)會顯著降低漏感。

　　(2)減小繞組間的絕緣層。現(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，并進行接地，屏蔽帶相對于漏磁場來說是一個短路環(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發(fā)生相對位移，從而導致高頻變壓器在工作中產(chǎn)生噪聲(嘯叫、振動)。為防止該噪聲，需要對變 壓器采取加固措施：

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

　　(2)用“玻璃珠”(Glass beads)膠合劑粘結磁心，效果更好。

二、半橋式開關電源變壓器參數(shù)計算方法

　　半橋式開關電源變壓器參數(shù)的計算

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

　　A)半橋式開關電源變壓器初級線圈匝數(shù)的計算

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

　　設直接加到半橋式開關電源變壓器初級線圈兩端的電壓為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)式就是計算半橋式開關電源變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)的公式。式中，N1為變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數(shù)，S為變壓器鐵心的導磁面積(單位：平方厘米)，Bm為變壓器鐵心的最大磁感應強度(單位：高斯);Uab為加到變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓，Uab =Ui/2 ，Ui為開關電源的工作電壓，單位為伏;τ = Ton，為控制開關的接通時間，簡稱脈沖寬度，或電源開關管導通時間的寬度(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算變壓器初級線圈N1繞組的匝數(shù);F和τ取值要預留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)，磁感應強度為高斯(Gs)，磁通單位為麥克斯韋(Mx)。

　　B)交流輸出半橋式開關電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

　　半橋式變壓器開關電源如果用于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整，因此電路相對比較簡單，工作效率很高。請參考圖1-36、圖1-38、圖1-39。

　　用于逆變的半橋式變壓器開關電源一般輸出電壓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電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比。

　　根據(jù)前面分析，半橋式變壓器開關電源的輸出電壓uo，主要由開關電源變壓器次級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電源的輸出電壓的半波平均值。由此求得半橋式逆變開關電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比：

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

　　(1-176)式就是計算半橋式逆變開關電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1為變壓器初級線圈N1繞組的匝數(shù)，N2為變壓器次級線圈的匝數(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，當把變壓器的工作效率也考慮進去時，最好在(1-176)式的右邊乘以一個略大于1的系數(shù)。

　　C)直流輸出電壓非調整式半橋開關電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

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

　　n =N2/N1 =2Uo/Ui = 2Upa/Ui —— 次/初級變壓比，D = 0.5時 (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)直流輸出電壓可調整式半橋開關電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算

　　直流輸出電壓可調整式半橋開關電源的功能就要求輸出電壓可調，因此，半橋式變壓器開關電源的兩個控制開關K1、K2的占空比必須要小于0.5;因為半橋式變壓器開關電源正、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，兩個控制開關K1、K2的占空比相當于要小一倍。當要求輸出電壓可調范圍為最大時，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，就是計算直流輸出電壓可調整式半橋開關電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的公式。式中，N1為變壓器初級線圈N1繞組的最少匝數(shù)，N2為變壓器次級線圈的匝數(shù)，Uo為直流輸出電壓，Uab為加到變壓器初級線圈N1繞組兩端的電壓，Uab =Ui/2 ，Ui為開關電源的工作電壓。

　　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器件接通時的電壓降。

三、基本電子電路:開關電源講解

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