反激式功率因數(shù)校正電路的干擾分析及電磁兼容設計

通過反激式功率因數(shù)校正電路說明了單級功率因數(shù)校正電路中的電磁兼容問題，分析了單級功率因數(shù)校正電路中騷擾的產(chǎn)生機理，給出了電磁兼容的設計，最后提出了其他幾種減少電磁干擾的方法。

關鍵詞：電磁干擾；電磁兼容；功率因數(shù)校正

0 引言

電磁兼容（EMC）是指電子設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(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候更容易受到電磁干擾的威脅。而與此同時，大功率家電及辦公自動化設備的增多，以及移動通信、無線尋呼的廣泛應用等，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)問題加以關注。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標志后才能在歐共體市場上銷售以來，促使了各國政府從國際貿(mào)易的角度，高度重視電磁兼容技術(shù)。

開關電源具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點，且市場上已有開關電源集成控制模塊，這使電源設計、調(diào)試簡化了許多，所以，在大多數(shù)的電子設備（如計算機、電視機及各種控制系統(tǒng)）中得到了廣泛的應用。然而，開關電源自身產(chǎn)生的各種噪聲卻使其成了一個很強的電磁騷擾源。這些騷擾隨著開關頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強，對電子設備的正常運行構(gòu)成了潛在的威脅。因此，只有提高開關電源的電磁兼容性，才能使開關電源在那些對電源噪聲指標有嚴格要求的場合被采用。

電磁兼容包括兩個方面的含義。

（1）電子設備或系統(tǒng)內(nèi)部的各個部件和子系統(tǒng)、一個系統(tǒng)內(nèi)部的各臺設備乃至相鄰幾個系統(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，能按原設計要求正常運行。換句話說，它們應具有一定的電磁敏感度，以保證它們對電磁干擾具有一定的抗擾度(Immunity of a Disturbance)。

（2）該設備或系統(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它周圍的電磁環(huán)境造成嚴重的污染和影響其他設備或系統(tǒng)的正常運行。

眾所周知，構(gòu)成電磁干擾有三個要素，即：騷擾源（噪聲）、噪聲的耦合途徑及噪聲接收器（被干擾設備）。因此，概括電磁兼容設計的任務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備對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PFC電路的電磁兼容性設計。

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噪聲和非線性開關過程噪聲。這都是由于功率變換電路中的整流二級管和功率開關管在工作過程中所產(chǎn)生的電壓和電流的躍變，并通過高頻變壓器、儲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。

圖1 反激式功率因數(shù)校正電路圖

換句話說，電路中產(chǎn)生的所有干擾問題的根源，就是功率開關管和高頻整流二極管在快速的開斷過程中所產(chǎn)生的di/dt和dv/dt。所以，在電路設計的初期，即進行電路方案的選擇時就應著手考慮EMC問題。在各方面條件成熟和允許的情況下，對于主開關管的設計應采用軟開關電路（例如中功率電路當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關管的開關損耗，而且有助于降低電路中的di/dt。而在開關頻率的選擇上也不是越高越好，而是應當選取合適的頻率。還有，由開關管和高頻二極管以及輸出電容構(gòu)成的回路應盡量地小，因為回路小寄生電感就小了。在開關管和高頻二極管開通和關斷的瞬間會產(chǎn)生很大的di/dt，如果寄生電感大了就會感應出很高的電壓，這樣就形成了一個大的騷擾源。另外，高頻二極管在關斷的時候會出現(xiàn)反向恢復的情況，這也是一個很大的騷擾源。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小的電感，抑制高頻二極管的反向恢復電流。但是這個電感不能大，因為在高頻下di/dt很大，也會引入一個騷擾，因此必須折中。

另一個產(chǎn)生電磁感應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。當開關關斷時，Ls所產(chǎn)生的反電勢－Lsdi/dt會使開關管的漏源極之間的電壓出現(xiàn)上沖。這是因為Ls上的能量——漏磁通不能通過變壓器耦合到副邊進行釋放，因此，這部分能量同開關管的寄生電容Cs和輸入電源Vin共同構(gòu)成一個衰減的LC諧振，疊加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰。這個尖峰噪聲實際上是尖脈沖，除了造成干擾外，重者有可能擊穿開關管。而且它還是一種傳導性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會使干擾傳導返回配電系統(tǒng)，造成輸入側(cè)電網(wǎng)的電磁干擾，從而影響其它用電設備的安全和經(jīng)濟運行。

和開關管一樣，電路當中的脈沖變壓器也存在高頻率的di/dt變化，也會向空間輻射高頻的電磁波，干擾其他的元器件和設備。為此也應當想法將變壓器這些高頻電磁波屏蔽掉。

對于電磁場而言，電場分量和磁場分量總是同時存在的。所以，在屏蔽電磁場時，必須對電場與磁場同時加以屏蔽。高頻電磁屏蔽的機理主要是基于電磁波穿過金屬屏蔽體產(chǎn)生波反射和波吸收的機理。電磁波達到屏蔽體表面時，之所以會產(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，頻率越低，反射越嚴重。而電磁波在穿透屏蔽體時產(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)生一個反磁場抵消原干擾磁場，同時，渦流在屏蔽體內(nèi)流動產(chǎn)生熱損耗。