小功率反激電源傳導(dǎo)與輻射抑制

開關(guān)電源的出現(xiàn)給電力電子行業(yè)帶來的全新的變革，促進(jìn)了產(chǎn)品的小型化，集成化，能源利用高效化，不過也帶來了相對(duì)于傳統(tǒng)電源致命的弱勢(shì)—電磁干擾。小功率反激電源作為市場(chǎng)上最為成熟的電源之一，在電力電子行業(yè)占據(jù)相當(dāng)大的比重。目前介紹開關(guān)電源電磁兼容的文章很多，不過考慮到市場(chǎng)化，小功率反激電源只用一級(jí)EMI濾波，無散熱片，還有很重要的一點(diǎn)，要考慮可生產(chǎn)性。這與單純的電磁兼容研究有很大區(qū)別，本文將從工程和生產(chǎn)的角度出發(fā)來闡述小功率反激電源EMI抑制方法。

1 主要測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

目前世界各個(gè)國家和組織都對(duì)電子產(chǎn)品的EMI限值做出相應(yīng)的規(guī)定，比較典型的標(biāo)準(zhǔn)有：美國聯(lián)邦通信委員會(huì)的FCC第15部分；國際電工技術(shù)委員會(huì)中TC77的IEC61000部分；國際無線電干擾特別委員會(huì)CISPR的CISPR22（信息技術(shù)設(shè)備）；歐盟的EN55022（信息技術(shù)設(shè)備）；中國的 GB9254-1998（信息技術(shù)設(shè)備）是從CISPR的CISPR22轉(zhuǎn)換而來的。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)A類設(shè)備和B類設(shè)備分別作了相應(yīng)的要求，如下表 [1]：

表1 A類傳導(dǎo)限值。

表2 B類傳導(dǎo)限值。

注：A類設(shè)備：用于貿(mào)易，工業(yè)，商業(yè)環(huán)境的設(shè)備；B類設(shè)備：用于居住環(huán)境的設(shè)備。

2 抑制措施

電磁干擾(Electro Magnetic Interference)，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)上的信號(hào)耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號(hào)耦合到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò)。差模干擾和共模干擾是主要的傳導(dǎo)干擾形態(tài)，而功率變換器的傳導(dǎo)干擾以共模干擾為主。差模噪聲主要由大的di/dt與雜散電容引起；共模噪聲則主要由較高的dv/dt與雜散電感相互作用而產(chǎn)生的高頻振蕩引起。

形成電磁干擾的條件有三：A：向外發(fā)送電磁干擾的源—噪聲源 B：傳遞電磁干擾的途徑—噪聲耦合和輻射 C：承受電磁干擾（對(duì)噪聲敏感）的客體—受擾設(shè)備

2.1 EMI濾波器的選擇選用

圖1是開關(guān)電源常用的一級(jí)EMI 濾波器的電路。圖中的L1為共模扼流圈，Cx、CY1、CY2為安規(guī)電容，對(duì)于小型開關(guān)電源來講，由于體積的限制，很多時(shí)候會(huì)將CY1、CY2會(huì)省略掉的，甚至連L1也會(huì)省去。圖中 共模扼流圈L1的兩個(gè)線圈匝數(shù)相等，方向相同，這兩個(gè)電感對(duì)于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是方向相反、互相抵消的，因而不起作用；而對(duì)于共模干擾信號(hào)，兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同，有相互加強(qiáng)的作用，每一線圈電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍，從而得到一個(gè)高阻抗，起到良好的抑制作用。共模電感兩邊感量不相等形成的差模電感L2一起與Cx電容組成一個(gè)低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模干擾信號(hào)。CY1與CY2的存在是給共模噪聲提供旁路，同時(shí)與共模電感一起，組成LC低通濾波器。共模噪聲的衰減在低頻時(shí)主要由電感起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及CY2起作用。同時(shí)，在安裝與布線時(shí)應(yīng)當(dāng)注意:濾波器應(yīng)盡量靠近設(shè)備入口處安裝, 并且濾波器的輸入和輸出線必須分開，防止輸入端與輸出端線路相互耦合，降低濾波特性。濾波器中電容器導(dǎo)線應(yīng)盡量短，以防止感抗與容抗在某頻率上形成諧振。

圖1 一級(jí)EMI 濾波器電路。

濾波器的抑制作用是用插入損耗來度量的。插入損耗A用分貝（dB）表示，分貝值愈大， 說明抑制噪聲干擾的能力愈強(qiáng),如式（1）所示：

工程設(shè)計(jì)時(shí)通過測(cè)量計(jì)算出需要設(shè)定的插入損耗值，得出轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)，然后根據(jù)轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)電感電容參數(shù)，如式（2）：

不過注意，不是所有的濾波器都能使電磁干擾減小，有的還會(huì)更嚴(yán)重。因?yàn)闉V波器會(huì)產(chǎn)生諧振,從而產(chǎn)生插入增益。插入增益不僅不會(huì)使干擾減小,而且還使干擾增強(qiáng)。這通常發(fā)生在濾波器的源阻抗和負(fù)載阻抗相差很大時(shí)，插入增益的頻率在濾波器的截止頻率附近。解決插入增益的方法：一個(gè)是將諧振頻率移動(dòng)到?jīng)]有干擾的頻率上，另一個(gè)使增加濾波器的電阻性損耗(降低Q值)。比如在差模電感上并聯(lián)電阻,或在差模電容上串聯(lián)電阻。

2.2 輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，第一是能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換，第二是減小高頻諧波與共模干擾。 實(shí)際電路等效為電容、等效電感、等效電阻的串聯(lián)。在高頻情況下，大電容的等效寄生參數(shù)起主要作用，無法給高頻傳導(dǎo)噪聲提供有效衰減。這時(shí)候可以選擇 型濾波，將一個(gè)大電容和一個(gè)小電容并聯(lián)起來使用，大電容抑制低頻干擾、小電容抑制高頻干擾。不過，將大容量電容和小容量電容并聯(lián)起來的方法，會(huì)在某個(gè)頻率上出現(xiàn)旁路效果很差的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诖箅娙莸闹C振頻率和小電容的諧振頻率之間，大電容呈現(xiàn)電感特性(阻抗隨頻率升高增加)，小電容呈現(xiàn)電容特性,實(shí)際是一個(gè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在會(huì)在某個(gè)頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致其阻抗最大，這時(shí)電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際已經(jīng)失去旁路作用。如果剛好在這個(gè)頻率上有較強(qiáng)的干擾，就會(huì)出現(xiàn)干擾問題。

2.3 緩沖電路的應(yīng)用

開關(guān)電源的干擾按噪聲源種類分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。輸入電流中的高次諧波在電路中采用共模扼流圈來抑制，而對(duì)于尖峰干擾，除了在源頭上減小漏感，選擇快恢復(fù)二極管來減小尖峰外，最常見的就是開關(guān)管加RCD箝位電路與輸出二極管加RC吸收電路。RCD箝位電路用于抑止由于變壓器初級(jí)漏感在開關(guān)管關(guān)斷過程中產(chǎn)生的電壓尖峰。RC吸收電路用于抑制二極管關(guān)斷時(shí)變壓器次級(jí)漏感與二極管反向恢復(fù)引起的電壓尖峰。不過這些緩沖電路是通過消耗功率來達(dá)到抑制目的，因此需要根據(jù)實(shí)際需求選擇使用。

2.4盡量縮小高頻環(huán)路面積

一般小功率反激電源有四部分需要注意環(huán)路面積：

A：初級(jí)開關(guān)環(huán)路（MOS管，變壓器，輸入電容）

B：次級(jí)開關(guān)環(huán)路（變壓器，輸出二極管，輸出電容）

C：RCD環(huán)路（R，C，D，MOS管，變壓器）

D：輔助電源環(huán)路（變壓器，二極管，電容）

因?yàn)椴钅ｋ娏髁鬟^導(dǎo)線環(huán)路時(shí)，將引起差模輻射如式（3）表示[2]：

同時(shí)，由于接地電路中存在電壓降，某些部位具有高電位的共模電壓，當(dāng)外接電纜與這些部位連接時(shí)，就會(huì)在共模電壓激勵(lì)下產(chǎn)生共模電流，從而產(chǎn)生共模輻射干擾如式（4）表示[2]：

所以，在高頻環(huán)路上，在滿足可靠性的情況下，高頻電流回路越小越好，以減小引起差模輻射的環(huán)路面積。并且環(huán)路的導(dǎo)線應(yīng)當(dāng)盡量地短，以減小引起共模輻射的環(huán)路導(dǎo)線長度。

2.5優(yōu)化地線設(shè)計(jì)

由于地線存在阻抗，地線電流流過地線時(shí),就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓。細(xì)而長的導(dǎo)線呈現(xiàn)高電感,如式（5）[2]，其阻抗隨頻率的增加而增加：

在設(shè)計(jì)小功率電源電路時(shí),往往運(yùn)用單點(diǎn)接地與浮地，將地線作為所有電路的公共地線,因此地線上的電流成份很多,電壓也很雜亂，這時(shí)候就需要注意相對(duì)減小高頻回路地線的長度，以減小共模噪聲。

2.6屏蔽的應(yīng)用

在小功率反激電源中，變壓器是一個(gè)很大的噪聲源。它作為噪聲產(chǎn)生源[3]：

A：功率變壓器原次邊存在的漏感，漏電感將產(chǎn)生電磁輻射干擾。

B：功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流，在周圍形成高頻電磁場(chǎng)，產(chǎn)生輻射干擾。

C：變壓器漏感的存在使得在開關(guān)管開關(guān)瞬間，形成電壓尖峰，產(chǎn)生電磁干擾。

作為傳播途徑：隔離變壓器初次級(jí)之間存在寄生電容，高頻干擾信號(hào)通過寄生電容耦合到次邊。 對(duì)于變壓器的漏感，可以通過三明治繞法等改變工藝結(jié)構(gòu)改善，也可以