反激式功率因數(shù)校正電路的干擾分析及電磁兼容設(shè)計(jì)

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

關(guān)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(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)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(shí)候更容易受到電磁干擾的威脅。而與此同時(shí)，大功率家電及辦公自動(dòng)化設(shè)備的增多，以及移動(dòng)通信、無線尋呼的廣泛應(yīng)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(guān)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(qiáng)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(biāo)志后才能在歐共體市場(chǎng)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(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)，且市場(chǎng)上已有開關(guān)電源集成控制模塊，這使電源設(shè)計(jì)、調(diào)試簡(jiǎn)化了許多，所以，在大多數(shù)的電子設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)及各種控制系統(tǒng)）中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，開關(guān)電源自身產(chǎn)生的各種噪聲卻使其成了一個(gè)很強(qiáng)的電磁騷擾源。這些騷擾隨著開關(guān)頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強(qiáng)，對(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅。因此，只有提高開關(guān)電源的電磁兼容性，才能使開關(guān)電源在那些對(duì)電源噪聲指標(biāo)有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合被采用。

電磁兼容包括兩個(gè)方面的含義。

（1）電子設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)部件和子系統(tǒng)、一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的各臺(tái)設(shè)備乃至相鄰幾個(gè)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(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行。換句話說，它們應(yīng)具有一定的電磁敏感度，以保證它們對(duì)電磁干擾具有一定的抗擾度(Immunity of a Disturbance)。

（2）該設(shè)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(duì)它周圍的電磁環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

眾所周知，構(gòu)成電磁干擾有三個(gè)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(shè)備）。因此，概括電磁兼容設(shè)計(jì)的任務(wù)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(shè)備對(duì)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(jí)PFC電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)。

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(yīng)噪聲和非線性開關(guān)過程噪聲。這都是由于功率變換電路中的整流二級(jí)管和功率開關(guān)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(chǔ)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(guān)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(shè)計(jì)的初期，即進(jìn)行電路方案的選擇時(shí)就應(yīng)著手考慮EMC問題。在各方面條件成熟和允許的情況下，對(duì)于主開關(guān)管的設(shè)計(jì)應(yīng)采用軟開關(guān)電路（例如中功率電路當(dāng)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(guān)管的開關(guān)損耗，而且有助于降低電路中的di/dt。而在開關(guān)頻率的選擇上也不是越高越好，而是應(yīng)當(dāng)選取合適的頻率。還有，由開關(guān)管和高頻二極管以及輸出電容構(gòu)成的回路應(yīng)盡量地小，因?yàn)榛芈沸〖纳姼芯托×?。在開關(guān)管和高頻二極管開通和關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的di/dt，如果寄生電感大了就會(huì)感應(yīng)出很高的電壓，這樣就形成了一個(gè)大的騷擾源。另外，高頻二極管在關(guān)斷的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)的情況，這也是一個(gè)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(gè)小的電感，抑制高頻二極管的反向恢復(fù)電流。但是這個(gè)電感不能大，因?yàn)樵诟哳l下di/dt很大，也會(huì)引入一個(gè)騷擾，因此必須折中。

另一個(gè)產(chǎn)生電磁感應(yīng)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(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，Ls所產(chǎn)生的反電勢(shì)－Lsdi/dt會(huì)使開關(guān)管的漏源極之間的電壓出現(xiàn)上沖。這是因?yàn)長(zhǎng)s上的能量——漏磁通不能通過變壓器耦合到副邊進(jìn)行釋放，因此，這部分能量同開關(guān)管的寄生電容Cs和輸入電源Vin共同構(gòu)成一個(gè)衰減的LC諧振，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。這個(gè)尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖，除了造成干擾外，重者有可能擊穿開關(guān)管。而且它還是一種傳導(dǎo)性電磁干擾，既影響變壓器的初級(jí)，還會(huì)使干擾傳導(dǎo)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(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

和開關(guān)管一樣，電路當(dāng)中的脈沖變壓器也存在高頻率的di/dt變化，也會(huì)向空間輻射高頻的電磁波，干擾其他的元器件和設(shè)備。為此也應(yīng)當(dāng)想法將變壓器這些高頻電磁波屏蔽掉。

對(duì)于電磁場(chǎng)而言，電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量總是同時(shí)存在的。所以，在屏蔽電磁場(chǎng)時(shí)，必須對(duì)電場(chǎng)與磁場(chǎng)同時(shí)加以屏蔽。高頻電磁屏蔽的機(jī)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(jī)理。電磁波達(dá)到屏蔽體表面時(shí)，之所以會(huì)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(guān)，頻率越低，反射越嚴(yán)重。而電磁波在穿透屏蔽體時(shí)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(gè)反磁場(chǎng)抵消原干擾磁場(chǎng)，同時(shí)，渦流在屏蔽體內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生熱損耗。