小功率開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾的分析

摘要： 針對便攜式小功率開關(guān)電源領(lǐng)域中， 由于受體積和成本壓力限制而無法增加電磁兼容專用濾波器， 導(dǎo)致電源電磁兼容性較差的問題， 首先分析了開關(guān)電源機理和傳導(dǎo)干擾信號的種類和來源； 然后對“整流濾波電路設(shè)計、高頻變壓器和鉗位二極管選型、線路板布局”等方面問題進行了研究， 得出了在不增加額外電路的情況下， 將傳導(dǎo)干擾抑制在標準限值范圍的改進措施； 最后對一5W的小功率開關(guān)電源產(chǎn)品進行整改， 將其傳導(dǎo)干擾強度降低11 dBuV 并通過認證。研究結(jié)果表明， 該措施對抑制小功率開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾信號是有效的。

0 引 言

20世紀90年代， 隨著單芯片控制開關(guān)電源的問世， 開關(guān)電源式適配器也以強勁的發(fā)展勢頭超越了工頻變壓器式適配器。這個現(xiàn)象在充電電池用的便攜式充電器領(lǐng)域更是明顯的得以體現(xiàn)。雖然開關(guān)電源的電磁兼容性很差， 但是因為其具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、集成度大、性價比高、外圍電路簡單等優(yōu)點， 仍然被工程師們所青睞。隨之而來也產(chǎn)生了許多電磁兼容（ EMC）問題。針對這些問題， 工程師們設(shè)計了很多解決EMC干擾的專用濾波器。而在便攜式充電器領(lǐng)域， 雖然EMC 濾波器能有效地解決小功率開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾問題， 但是因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)僅只能容納小功率開關(guān)電源本身， 同時企業(yè)也無法承受增添EMC濾波器所帶來的成本上的增加， 所以要解決小功率開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾就只能從電源內(nèi)部開始。因此尋求一些不采用EMC 專用濾波器又能改善電源電磁兼容性能的措施有著重要的意義。

通常分析EMC問題都要從干擾源、耦合路徑及敏感設(shè)備上尋找解決的方法， 但是在電源領(lǐng)域， 耦合路徑與敏感設(shè)備都是未知的， 所以只能通過分析干擾源（即電源）來解決[ 3] .本研究通過分析小功率開關(guān)電源產(chǎn)品的通用機理和干擾信號的來源， 尋求一些能夠有效抑制小功率電源傳導(dǎo)干擾信號的通用措施。

1 開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾分析

在國際電磁認證方面以及國家3C 認證中， 電源設(shè)備的傳導(dǎo)干擾是一個必測的指令程序。尤其是對小功率電源適配器的測試， 由于功率較小， 輻射干擾信號的強度較弱， 不會超過標準限值， 因此測試結(jié)果幾乎僅取決于傳導(dǎo)干擾幅值。

1. 1 小功率開關(guān)電源的通用機理分析

目前， 小功率開關(guān)電源的基本原理按電路結(jié)構(gòu)分為串并聯(lián)式和直流變換式， 相關(guān)的框圖如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源原理框圖

市電經(jīng)過一次整流濾波后變成直流電壓， 送到開關(guān)逆變電路。逆變電路將直流變成幾百赫茲到幾千赫茲的高頻矩形波， 高頻矩形波通過高頻變壓器耦合到二次線圈以得到小電壓交流電， 此交流電經(jīng)過二次整流濾波后輸出以驅(qū)動負載。同時， 該輸出經(jīng)過誤差放大電路采樣取得的輸出電壓值又回饋給脈沖控制電路。脈沖控制電路將回饋的電壓值與基準電壓值比對后得出一個脈沖占空比的相應(yīng)改變動作。在開關(guān)動作過程中會產(chǎn)生很強的噪聲， 它們通過電源線以共?；蛘卟钅７绞较蛲鈧鲗?dǎo)。此外， 開關(guān)電源也是一個敏感的器件， 因此由電網(wǎng)侵入的外部噪聲傳遞到內(nèi)部電子電路過程中也會產(chǎn)生干擾。所以在設(shè)計一款開關(guān)電源之初就應(yīng)該考慮到電磁干擾。

1. 2 傳導(dǎo)干擾信號分析

傳導(dǎo)干擾信號主要分為： 差模信號和共模信號。

差模傳導(dǎo)干擾信號是由開關(guān)電源和交流輸入之間的環(huán)流所造成的。這意味著差模電流將經(jīng)過電源進線流入開關(guān)電源， 經(jīng)過中線流出開關(guān)電源進入電網(wǎng)。在開關(guān)電源中， 大部分的差模傳導(dǎo)干擾是由功率晶體管集電極電流波形的基波和諧波造成的。

共模傳導(dǎo)干擾信號是由共模電流造成的。共模電流， 即同時在相線和中線上流動的相位相同、幅度相等的電流， 其并不在交流電源中流通， 也不在電源輸入之間形成環(huán)流。共模傳導(dǎo)一般起始于開關(guān)芯片或功率管的外殼， 經(jīng)過其與地的寄生電容耦合， 再由高頻導(dǎo)納和輸入電源線返回。

2 抑制傳導(dǎo)干擾措施

本研究先對影響電源傳導(dǎo)干擾的主要電路進行分析， 再提出針對整流電路設(shè)計、高頻變壓器選擇、鉗位二極管選擇以及線路板布局等方面問題的改進措施。

2. 1 整流電路濾波器

在開關(guān)電源中， 工頻交流電流經(jīng)過整流橋后， 不再是單一頻率點的交流電流， 而是單向的脈動直流電流，其波形如圖2所示， 利用傅里葉變換可得：

式中Im ——峰值電流。

從上式可以看出， I 除了一直流分量之外， 還包含一系列的高頻諧波的交流分量（如圖2 所示波形）。這樣不但影響了電源線上的電流， 并使電流發(fā)生畸變， 同時也產(chǎn)生射頻干擾。

缺少一次整流濾波電路的測試結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出， 這個超標的頻率點不是單一的而是覆蓋了整個頻段。為了濾除這些干擾， 將電流的畸變減小到最小， 就需要在整流過后增加一級濾波電路。

其中以LC—Ⅱ 型濾波電路在小功率電源中最為常用。

該濾波電路既可以抑制干擾信號的共模成分， 也可以抑制干擾信號的差模成分。

2. 2 高頻變壓器的選擇

一個小功率開關(guān)電源最關(guān)鍵的部件就是高頻變壓器。它在完成電平變換、電氣隔離的同時， 由于本身的電感結(jié)構(gòu)， 會帶來大量的高次諧波。它的漏感也是形成尖峰干擾的重要原因。脈沖寬度調(diào)制開關(guān)電源的工作頻率通常為20 kHz~ 400 kHz。這樣就可以將激勵源看成周期性的信號， 又由于磁芯的非線性特性及磁芯飽和， 諧波將出現(xiàn)在磁場和電流中。這些諧波會極大地增強電磁干擾。抑制其電磁干擾（ EM I）干擾的主要措施有： ① 可以選擇形狀偏長的變壓器磁芯， 盡量減少所有繞組的線包層數(shù)， 從而減小變壓器的漏感和繞組本身的分布電容；②將變壓器的初級繞組繞在最里層， 以便獲得最短的每匝線包導(dǎo)線長度， 減小初級繞組的分布電容；③ 功率管的漏級連接初級繞組起始部分， 減小開關(guān)電源高頻變壓器電磁噪聲發(fā)射。

2. 3 鉗位電路上二極管的選擇

在小功率開關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計中， 對高頻變壓器原邊繞組一般需要在并聯(lián)的鉗位回路里面串聯(lián)一個快恢復(fù)的二極管來保證對原邊繞組的充電和放電。同時， 該二極管還可以起到抑制三極管或者功率開關(guān)管開關(guān)過程中出現(xiàn)的電壓尖峰， 從而抑制了電壓尖峰引起電流急劇變化而產(chǎn)生的射頻干擾的作用。在為該鉗位二極管選型時主要根據(jù)可能出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓極性來選用單向極性管或雙向極性管。同時， 管子的最大鉗位電壓應(yīng)低于被保護功率管的耐受水平， 而管子的功率通常由抑制暫態(tài)過電壓時可能吸收的最大功率決定。

2. 4 線路板布局

在小功率開關(guān)電源中， 由于結(jié)構(gòu)的不一樣， 線路板的外形也是各不一樣； 同時體積較小， 器件選型時對參數(shù)的要求較為苛刻。所以對整體的布局要求盡可能地按照電路原理中電流的流向來安排， 并使同類元器件的方向盡量保持一致。這樣的布局不但有利于電流或信號的流通， 同時也便于在生產(chǎn)過程中檢查、調(diào)試以及檢修。而針對變壓器體積小， 引腳與引腳之間空隙不大， 初級和次級的距離較小， 在線路板空間允許的情況下， 將初級和次級之間的線路板挖空。這樣比直接線路板連接會增加爬電距離2~ 3倍。

2. 5 地線回路設(shè)計

在小功率開關(guān)電源中， 功率管的導(dǎo)通和截止瞬間，電壓和電流變化尤其劇烈， 以至于產(chǎn)生了嚴重干擾信號。但產(chǎn)品一般不增加屏蔽器件， 甚至有些產(chǎn)品的功率管都不加散熱片， 其產(chǎn)生的熱量通過線路板直接散發(fā)， 其產(chǎn)生的干擾信號幅度明顯增加， 因此更要合理處理好地線回路的設(shè)計。合理的地線回路主要是通過對電流流向的分析來選擇， 依據(jù)有： ①地線中的電流是否通過了與此電流無關(guān)的其他電路或?qū)Ь€； ②有沒有其他器件或電路中的電流流入了該電路的地線。同時，因小功率的電源功率較小， 一般考慮以單點接地為主要設(shè)計思路。

3 應(yīng)用案例分析

一鎳氫電池充電器產(chǎn)品， 額定功率5W.在其出廠前， 用實驗室設(shè)備（人工電源網(wǎng)絡(luò)為PMM L2??16A,EM I接收機為PMM9010） 對其進行預(yù)測試， 采用的測試標準為GB55014,，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 預(yù)測試結(jié)果

從圖4中可以看出在2 MH z頻率點附近最大超出為5 dBuV.為保證能夠順利通過認證機構(gòu)的實驗室測試， 一般要求預(yù)測試結(jié)果比標準限制低2 dBuV,希望盡量能夠比標準限值低6 dBuV.所以從圖4可知該產(chǎn)品的預(yù)測試結(jié)果并不理想。初步分析測試圖，可能性最大的原因是開關(guān)管工作時產(chǎn)生的干擾把2MH z頻率點附近的噪聲電平底部懸空， 從而把傳導(dǎo)干擾的電平抬高。而在傳導(dǎo)發(fā)射測試中， 1 MH z~2MH z的頻率信號干擾是由共模電流產(chǎn)生的占主要分量[ 10] .所以初步定性為電流回路對參考地形成的干擾信號。為了能夠一次性解決問題以達到標準限值要求， 把可能出現(xiàn)問題的地方都加以改進， 本研究提出了解決方案： ①按照上述措施對線路板進行重新布局， 原始布局如圖5（ a）所示， 圖中布局雖然按照主電流流向排布， 但缺乏考慮各個子路之間的相互關(guān)系。重新布局如圖5（ b）所示， 在無法改變PCB板的結(jié)構(gòu)下， 盡可能地將器件排列整齊， 方向一致， 同時增大開關(guān)管與變壓器之間距離。② 變壓器初級增加并聯(lián)旁路濾波電容， 并聯(lián)電容值為1 000 pF /1 kV, 用來降低干擾信號對共模電流回路產(chǎn)生的影響。

圖5 線路板布局對比

圖6 初步整改測試結(jié)果

從圖6測試的結(jié)果分析可知， 在2MHz附近干擾信號幅值相對原先的最大降幅為5 dBuV, 但是在0. 8MHz~1MH z頻率領(lǐng)域干擾幅度有所增加， 峰值較為靠近標準限值。雖然預(yù)測試的結(jié)果已經(jīng)低于標準限值， 但是為了能一次性通過認證就必須留出余量。再次改進具體措施為： ① 在整流后的LC-Ⅱ型濾波器的電感上并聯(lián)2. 2 k電阻， 用以防止濾波電感的磁飽和現(xiàn)象， 同時也相當于增加了一條濾波旁路；② 將鉗位二級管由1N 5819換成1N4007, 利用二極管自身的壓降變大和恢復(fù)速度變慢來抑制開關(guān)管尖峰引起的電流變化。

最后測試結(jié)果如圖7（ a）所示。

圖7 預(yù)測試與檢測機構(gòu)測試結(jié)果對比圖

從預(yù)測試的結(jié)果圖7（ a）中可以明顯地看出干擾信號幅值都比標準限值都要低6 dBuV 以上， 這樣基本能確保一次性通過認證機構(gòu)專用實驗室的檢測。由寧波進出口檢驗檢疫局EMC 實驗室提供的測試結(jié)果如圖7（ b）所示。該結(jié)果表明產(chǎn)品已經(jīng)順利通過測試。

整改過程一般是在產(chǎn)品設(shè)計后進行的， 而類似的小功率開關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計最好是在產(chǎn)品設(shè)計之初就可將電磁兼容問題（主要包括元件選型以及線路板布局和地線回路設(shè)計）考慮進去。這樣不但縮短產(chǎn)品開發(fā)時間， 也能有效確保通過認證測試。

4 結(jié)束語

本研究通過分析小功率開關(guān)電源的通用機理和傳導(dǎo)干擾信號的信號源， 得出了針對“整流濾波器電路設(shè)計、變壓器材料和參數(shù)的選擇、鉗位二極管選擇以及線路板的布局和地線回路的設(shè)計”方面問題的改進措施。同時通過該措施的指導(dǎo)， 為一5W 小功率開關(guān)電源產(chǎn)品進行整改， 并將其傳導(dǎo)干擾信號強度降低了11 dBuV而且通過了認證。隨著時間的推移， 高頻小功率開關(guān)電源會更多地滲透到各種電子電器領(lǐng)域， 由此帶來的電磁干擾問題也會越來越突出。所以抑制傳導(dǎo)干擾將成為小功率開關(guān)電源電磁兼容性問題中一個比較重要的方面。如果能在產(chǎn)品設(shè)計之初， 能夠?qū)⒁种齐姶鸥蓴_方法考慮進去， 在產(chǎn)品輸出過程中， 引進預(yù)測試方案， 這樣不但能夠減少由電磁干擾所帶來的危害， 而且可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期， 避免反復(fù)整改帶來的損失。

研究結(jié)果表明， 該研究結(jié)果對小功率開關(guān)電源設(shè)計及傳導(dǎo)干擾信號抑制上有一定的指導(dǎo)作用， 在實際產(chǎn)品設(shè)計上有一定的實際意義。