工程师不可不知的开关电源关键设计(三)

牵涉到开关电源技术设计或分析成为电子工程师的心头之痛已是不争的事实,由于广大工程师网友对前两期的热烈反响,电子发烧友再接再厉推出《工程师不可不知的开关电源关键设计》系列三和工程师们一起分享,请各位继续关注后续章节。

  一、开关电源的电磁兼容性技术分析

  1 引言

  电磁兼容是一门新兴的跨学科的综合性应用学科。作为边缘技术,它以电气和无线电技术的基本理论为基础,并涉及许多新的技术领域,如微波技术、微电子技术、计算机技术、通信和网络技术以及新材料等。电磁兼容技术应用的范围很广,几乎所有现代化工业领域,如电力、通信、交通、航天、军工、计算机和医疗等都必须解决电磁兼容问题。其研究的热点内容主要有:电磁干扰源的特性及其传输特性、电磁干扰的危害效应、电磁干扰的抑制技术、电磁频谱的利用和管理、电磁兼容性标准与规范、电磁兼容性的测量与试验技术、电磁泄漏与静电放电等。

  电磁兼容的英文名称为Electromagnetic Compatibility,简称EMC。所谓电磁兼容是指设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。这里包含两层意思,即它工作中产生的电磁辐射要限制在一定水平内,另外它本身要有一定的抗干扰能力。这便是设备研制中所必须解决的兼容问题。电磁兼容技术涉及的频率范围宽达0 GHz ~400GHz,研究对象除传统设备外,还涉及芯片级,直到各种舰船、航天飞机、洲际导弹甚至整个地球的电磁环境。

  电磁兼容三要素是干扰源(骚扰源)、耦合通路和敏感体。切断以上任何一项都可解决电磁兼容问题,电磁兼容的解决常用的方法主要有屏蔽、接地和滤波。

  2 电磁兼容技术名词

  (1)电磁兼容性

  电磁兼容性是指设备或者系统在其电磁环境中能正常工作,且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

  (2)电磁骚扰

  电磁骚扰是指任何可能引起设备、装备或系统性能降低或者对有生命或者无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可引起设备、传输通道或系统性能的下降。它的主要要素有自然和人为的骚扰源、通过公共地线阻抗/内阻的耦合、沿电源线传导的电磁骚扰和辐射干扰等。电子系统受干扰的路径为:经过电源,通过信号线或控制电缆、场渗透,经过天线直接进入;通过电缆耦合,从其他设备来的传导干扰;电子系统内部场耦合;其他设备的辐射干扰;电子设备外部耦合到内部场;宽带发射机天线系统;外部环境场等。

  (3)电磁环境

  电磁环境是一种明显不传送信息的时变电磁现象,它可能与有用信号叠加或组合。

  (4)电磁辐射

  电磁辐射是指电磁波由源发射到空间的现象。“电磁辐射”一词的含义有时也可引申,将电磁感应现象也包含在内。RFI/EMI可以通过任何一种设备机壳的开口、通风孔、出入口、电缆、测量孔、门框、舱盖、抽屉和面板以及机壳的非理想连接面等进行辐射。RFI/EMI也可由进入敏感设备的导线和电缆进行辐射,任何一个良好的电磁能量辐射器也可以作为良好的接收器。

  (5)脉冲

  脉冲是指在短时间内突变,随后又迅速返回至其初始值的物理量。

  (6)共模干扰和差模干扰

  电源线上的干扰有共模干扰和差模干扰两种方式。共模干扰存在于电源任何一相对大地或电线对大地之间。共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰。这是载流导体与大地之间的干扰。差模干扰存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模干扰也称常模干扰、横模干扰或对称干扰。这是载流导体之间的干扰。共模干扰提示了干扰是由辐射或串扰耦合到电路中的,而差模干扰则提示了干扰是源于同一条电源电路。通常这两种干扰是同时存在的,由于线路阻抗的不平衡,两种干扰在传输中还会相互转化,所以情况十分复杂。干扰经长距离传输后,差模分量的衰减要比共模大,这是因为线间阻抗与线-地阻抗不同的缘故。出于同一原因,共模干扰在线路传输中还会向邻近空间辐射,而差模则不会,因此共模干扰比差模更容易造成电磁干扰。不同的干扰方式要采取不同的干扰抑制方法才有效。判断干扰方法的简便方法是采用电流探头。电流探头先单独环绕每根导线,得出单根导线的感应值,然后再环绕两根导线(其中一根是地线),探测其感应情况。如感应值是增加的,则线路中干扰电流是共模的;反之则是差模的。

  (7)抗扰度电平和敏感性电平

  抗扰度电平是指将某给定的电磁骚扰施加于某一装置、设备或者系统并使其仍然能够正常工作且保持所需性能等级时的最大骚扰电平。也就是说,超过此电平时该装置、设备或者系统就会出现性能降低。而敏感性电平是指刚刚开始出现性能降低的电平。所以,对某一装置、设备或者系统而言,抗扰度电平与敏感性电平是同一数值。

  (8)抗扰度裕量

  抗扰度裕量是指装备、设备或者系统的抗扰度电平限值与电磁兼容电平之间的插值。

  3 开关电源的电磁兼容性

  开关电源因工作在高电压大电流的开关工作状态下,引起电磁兼容性问题的原因是相当复杂的。从整机的电磁性讲,主要有共阻抗耦合、线间耦合、电场耦合、磁场耦合及电磁波耦合几种。共阻耦合主要是骚扰源与受骚扰体在电气上存在的共同阻抗,通过该阻抗使骚扰信号进入受骚扰体。线间耦合主要是产生骚扰电压及骚扰电流的导线或PCB线因并行布线而产生的相互耦合。电场耦合主要是由于电位差的存在,产生感应电场对受骚扰体产生的场耦合。磁场耦合主要是指在大电流的脉冲电源线附近,产生的低频磁场对骚扰对象产生的耦合。电磁场耦合主要是由于脉动的电压或电流产生的高频电磁波通过空间向外辐射,对相应的受骚扰体产生的耦合。实际上,每一种耦合方式是不能严格区分的,只是侧重点不同而已。

  在开关电源中,主功率开关管在很高的电压下,以高频开关方式工作,开关电压及开关电流均接近方波,从频谱分析知,方波信号含有丰富的高次谐波。该高次谐波的频谱可达方波频率的1000次以上。同时,由于电源变压器的漏电感及分布电容以及主功率开关器件的工作状态非理想,在高频开或关时,常常产生高频高压的尖峰谐波震荡。该谐波震荡产生的高次谐波,通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。用于整流及续流的开关二极管,也是产生高频骚扰的一个重要原因。因整流及续流二极管工作在高频开关状态,二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响,使之工作在很高的电压及电流变化率下,且产生高频震荡。整流及续流二极管一般离电源输出线较近,其产生的高频骚扰最容易通过直流输出线传出。开关电源为了提高功率因数,均采用了有源功率因数校正电路。同时,为了提高电路的效率及可靠性,减少功率器件的电应力,大量采用了软开关技术。其中零电压、零电流或零电压/零电流开关技术应用最为广泛。该技术极大的降低了开关器件所产生的电磁骚扰。但是,软开关无损吸收电路多数利用L、C进行能量转移,利用二极管的单向导电性能实现能量的单向转换,因此,该谐振电路中的二极管成为电磁骚扰的一大骚扰源。

  开关电源一般利用储能电感及电容器组成L、C滤波电路,实现对差模及共模骚扰信号的滤波。由于电感线圈的分布电容,导致了电感线圈的自谐振频率降低,从而使大量的高频骚扰信号穿过电感线圈,沿交流电源线或直流输出线向外传播。滤波电容器随着骚扰信号频率的上升,引线电感的作用导致电容量及滤波效果不断的下降,甚至导致电容器参数改变,也是产生电磁骚扰的一个原因。

  4 电磁兼容性的解决方法

  从电磁兼容的三要素讲,要解决开关电源的电磁兼容性问题,可从三个方面入手:第一,减小骚扰源产生的骚扰信号;第二,切断骚扰信号的传播途径;第三,增强受骚扰体的抗骚扰能力。在解决开关电源内部的兼容性时,可以综合利用上述三个方法,以成本效益比及实施的难易性为前提。因而,开关电源产生的对外骚扰,如电源线谐波电流、电源线传导骚扰、电磁场辐射骚扰等只能用减小骚扰源的方法来解决。一方面,可以增强输入/输出滤波电路的设计,改善APFC电路的性能,减小开关管及整流、续流二极管的电压、电流变化率,采用各种软开关电路拓扑及控制方式等;另一方面,加强机壳的屏蔽效果,改善机壳的缝隙泄漏,并进行良好的接地处理。而对外部的抗骚扰能力(如浪涌、雷击)应优化交流电输入及直流输出端口的防雷能力。通常,对1.2/50µs开路电压及8/20µs短路电流的组合雷击波形,因能量较小,通常采用氧化锌压敏电阻与气体方电管等的组合方法来解决。对于静电放电,通常在通信端口及控制端口的小信号电路中,采用TVS管及相应的接地保护、加大小信号电路与机壳等的电距离来解决或选用具有抗静电骚扰的器件。快速瞬变信号含有很宽的频谱,很容易以共模的方式传入控制电路内,采用与防静电相同的方法并减小共模电感的分布电容、加强输入电路的共模信号滤波(加共模电容或插入损耗型的铁氧体磁环等)来提高系统的抗扰性能。

  减小开关电源的内部骚扰,实现其自身的电磁兼容性,提高开关电源的稳定性及可靠性,应从以下几个方面入手:①注意数字电路与模块电路PCB布线的正确分区;②数字电路与模拟电路电源的去耦;③数字电路与模拟电路单点接地、大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻骚扰,减小地环地影响,布线时注意相邻线间的间距及信号性质,避免产生串扰,减小输出整流回路及续流二极管回路与支流滤波电路所包围的面积,减小变压器的漏电、滤波电感的分布电容,运用谐振频率高的滤波电容器等。

  5 滤波器结构

  滤波是一种抑制传导干扰的方法。例如,在电源输入端接上滤波器,可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害,也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元,在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。它不仅可以抑制传输线上的传导干扰,同时对传输线上的辐射发射也具有显著的抑制效果。在滤波电路中,选用穿心电容、三端电容、铁氧体磁环,能够改善电路的滤波特性。进行适当的设计或选择合适的滤波器,并正确的安装滤波器是抗干扰技术的重要组成部分。在交流电输入端加装的电源滤波器电路如图1所示。图中Ld、Cd用于抑制差模噪声,一般取Ld为100 mH -700mH,Cd取1µF -10µF。Lc、Cc用于抑制共模噪声,可根据实际情况加以调整。

  所有电源滤波器都必须接地(厂家特别说明允许不接地的除外),因为滤波器的共模旁路电容必须在接地时才起作用。一般的接地方法是除了将滤波器与金属外壳相接之外,还要用较粗的导线将滤波器外壳与设备的接地点相连。接地阻抗越低,滤波效果越好。

  滤波器尽量安装在靠近电源入口处。滤波器的输入及输出端要尽量远离,避免干扰信号从输入端直接耦合到输出端。

  如在电源输出端加输出滤波器、加装高频电容、加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的容量,则可以抑制差模噪声。如果把多个电容并联,则效果会更好。

  几种滤波器的构成如图2所示。在图2(a)中,阻抗Z=1/(ωC1),高频区域用陶瓷电容、聚酯薄膜电容并联,其滤波效果更好。图2(b)中,噪声能通过电容旁路到地线上,这种滤波器连接时应使接地阻抗尽量小。图2(c)中,C1、C2对不对称噪声有良好的滤波效果,C3对对称噪声有良好的滤波效果,连接时应使电容器的引线及接地线尽量短。图2(d)为常用的噪声滤波电路,L1、L2对噪声呈现高阻抗,而C1则对噪声呈现低阻抗。当L1、L2采用共模电感结构时,对对称和非对称噪声都有较好的滤波效果。图2(e)适用于共模噪声进行滤波,应注意的是其接地阻抗同样应尽量小。

  图3是对共模噪声和差模噪声都有效的滤波器电路。其中,L1、L2、C1为抑制差模噪声回路,L3、C2、C3构成抑制共模噪声回路。L1、L2的铁心应选择不易磁饱和的材料及M-F特性优良的铁心材料。C1使用陶瓷电容或聚酯薄膜电容,应有足够的耐压值,其容量一般取0.22µF -0.47µF。L3为共模电感,对共模噪声具有较高的阻抗、较好的抑制效果。

  6 EMI滤波器选用与安装

  开关电源EMI滤波器中的4只电容器用了两种不同的下标“x”和“y”,不仅说明了它们在滤波网络中的作用,还表明了它们在滤波网络中的安全等级。无论是选用还是设计EMI滤波器,都要认真的考虑Cx和Cy的安全等级。在实际应用中,Cx电容接在单相电源线的L和N之间,它上面除加有电源额定电压外,还会叠加L和N之间存在的EMI信号峰值电压。因此,要根据EMI滤波器的应用场合和可能存在的EMI信号峰值,正确选用适合安全等级的Cx电容器。Cy电容器是接在电源供电线L、N与金属外壳(E)之间的,对于220V、50Hz电源,它除符合250V峰值电压的耐压要求外,还要求这种电容器在电气和机械性能方面具有足够的安全裕量,以避免可能出现的击穿短路现象。

  EMI滤波器是具有互异性的,即把负载接在电源端还是负载端均可。在实际应用中,为达到有效抑制EMI信号的目的,必须根据滤波器两端将要连接的EMI信号源阻抗和负载阻抗来选择该滤波器的网络结构和参数。当EMI滤波器两端阻抗都处于失配状态时,即图4中Zs≠Zin、ZL≠Zout时,EMI信号会在其输入和输出端产生反射,增加对EMI信号的衰减。其信号的衰减A与反射Γ的关系为:A=–10Lg(1-|Γ|2)。

  在使用开关电源滤波器时,要注意滤波器在额定电流下的电源频率。在安装滤波器时,要特别注意滤波器的输入导线与输出导线的间隔距离,不能把它们捆在一起走线,否则EMI信号很容易从输入线上耦合到输出线上,这将大大降低滤波器的抑制效果。

  7 结语

  在开关电源设计中,为了少走弯路和节省时间,应充分考虑并满足抗干扰性的要求,避免在设计完成后去进行抗干扰的补救措施。

二、基于UC3845的反激式开关电源设计

  引言

  反激式开关电源以其结构简单、元器件少等优点在自动控制及智能仪表的电源中得到广泛的应用。开关电源的调节部分通常采用脉宽调制(PWM)技术,即在主变换器周期不变的情况下,根据输入电压或负载的变化来调节功率MOSFET管导通的占空比,从而使输出电压稳定。脉宽调制的方法很多,本文中所介绍的是一种高性能的固定频率电流型脉宽集成控制芯片UC3845。该芯片是专为离线的直流至直流变换器应用而设计的。其主要特点是具有内部振荡器、高精度误差比较器、逐周电流取样比较、启动电流小、大电流图腾柱输出等,是驱动MOSFET的理想器件。

  1 UC3845简介

  UC3845芯片为SO8或SO14管脚塑料表贴元件。专为低压应用设计。其欠压锁定门限为8.5v(通),7.6V(断);电流模式工作达500千赫输出开关频率;在反激式应用中最大占空比为0.5;输出静区时间从50%~70%可调;自动前馈补偿;锁存脉宽调制,用于逐周期限流;内部微调的参考源;带欠压锁定;大电流图腾柱输出;输入欠压锁定,带滞后;启动及工作电流低。

  芯片管脚图及管脚功能如图1所示。

  图1 UC3845芯片管脚图

  1脚:输出/补偿,内部误差放大器的输出端。通常此脚与脚2之间接有反馈网络,以确定误差放大器的增益和频响。

  2脚:电压反馈输入端。此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(2.5 V)进行比较,调整脉宽。

  3脚:电流取样输入端。

  4脚:R T/CT振荡器的外接电容C和电阻R的公共端。通过一个电阻接Vref通过一个电阻接地。

  5脚:接地。

  6脚:图腾柱式PWM输出,驱动能力为土1A.

  7脚:正电源脚。

  8脚:V ref,5V基准电压,输出电流可达50mA.

  2 设计方法

  如图2为基于U C3845反激式开关电源的电路图,虚线框内为UC3845内部简化方框图。

  1)启动电压和电容的选择

  交流电源115VAC经整流、滤波后为一个纹波非常小的直流高压Udc,该电压根据交流电源范围往往可得到一个最大Udcmax, 一 和最小电压Udcmin 。

  当直流输入电压大于1 44V以上时,U C3845应启动开始工作,启动电阻应由线路直流电压和启动所需电流来确定。

  根据UC3845的参数分析可知,当启动电压低于8.5V时,UC3845的整个电路仅消耗lmA的电流,即UC3845的典型启动电压为8.5V,电流为1mA.加上外围电路损耗约0.5mA,即整个电路损耗约1.5mA.在输入直流电压为最小电压 Ddcmmn时,启动电阻Rin的计算如下:

  图2 基于UC3845反激式开关电源的电路图

  启动过程完成后,UC3845的消耗电流会随着MOSFET管的开通增至100mA左右。该电流由启动电容在启动时储存的电荷量来提供。此时,启动电容上的电压会发生跌落到7.6V以上,要使UC3845fj~保持工作,反馈绕组L 应能及时提供馈电电压。如电压低于7.6V欠压比较器动作,PWM输出低电平。自馈电时间由UC3845的开关周期决定,取U C3845的振荡频率 54kHz.启动电容的容量可由下式计算得到:

 2)反馈绕组的匝数计算

  Ns=Np(Vcc+0.8)(1一Dmax)/(UdcminiDmax ),NP其中为变压器初级匝数。

  3)滤波

  为滤除供电端的高频信号,Vcc对地接一个瓷片电容,在PCB布线时要注意,不能有电感成分的介入,以免产生干扰,引成电路不稳定。

  4)占空比D

  UC3845会根据输入电压的变化来调整其工作的占空比。根据UC3845的参数要求,设UC3845对应最低直流电压输入时最大占空比Dmax=0.5.

  当输入直流电压在144V和177V范围内,UC3845的占空比的范围为:

  5)调制频率f

  振荡器OSC的频率由定时元件RT和CT选择值决定。电容CT由参考电压V ref(=5V)通过电阻R充电,充至2.8V,再由内部电流宿放电到1.2V,形成锯齿波脉冲信号,如图3.不管在大RT 小CT还是大CT小RT,振荡器充电时锁存器置位输入方波为低电平,放电时输入方波为高电平。
  当锁存器置位输入方波为高电平时,或非门输出始终为低电平,封锁PWM,这段时问由内部振荡器OSC放电过程时间决定。在锁存器置位输入方波下降沿同时,如或非门其他三个输入信号输入无效电平时,或非门输出为高电平,MOSFET管导通。

  其他三个输入信号分别为:一个为电流取样比较器输出,一个为误差放大器输出,一个为输入欠压比较器输出。
  为滤除参考端的高频信号,V 对地接一个瓷片电容,在PCB布线时要注意,不能有电感成分的介人,以免产生干扰,引成电路振荡打隔。

  OSC振荡频率f=1.8/(RtCt), 当取RT=33kf2,CT=1000PF,f=-54kHz.

  6)电流取样比较

  在图2中,MOSFET管导通时,Udc =Ldi/dt,变压器电感电流以斜率Udc/L线性增长,L为变压器的初级电感。在MOSFET管的源极与地间串接一个无感取样电阻Rs,将变压器的初级电流转换成取样电压Ud =RS i.在输出同样的功率下,输入直流电压越小,变压器一次电流也越大,通过MOSFET管的电流也越大。为保护M0SFET管不致损坏, 需计算电感峰值电流Ip=2P/(UdcminUmax )。选择功率MOSFET管的最大峰值电流Icmax应大于1.3Ip.

  取样电压Ud经RC滤波后,送到UC3845的3脚。当该电压超过lV时,比较器输出高电平,送到RS锁存器的复位端,PWM输出为低电平,使PWM的占空比减小,从而限制电感峰值电流。

  无感取样电阻尺。的电阻值为:Rs=l/Ip,功率1W.而RC滤波器的时间常数接近尖脉冲的持续时间,否则引起电源输出的不稳定。取R=lk,C=470PF.

  7)误差比较器

  Vref经电阻分压为2.5V接至误差比较器的正端,而负端(2脚)接外部监测电压输入。误差比较器(1脚)输出用于外部回路的补偿,如图2,输出电压因两个二极管压降而失调(=1.4V),并在连接到取样比较器反向输入端之前被三分。2脚和1脚间接一个RC网络进行环路补偿。取R 11=150kQ,C11=100PF.

  外部监测电压输入端(2脚)可用于对输出回路引入电压反馈环节,如对主输出回路5V的稳定度要求不高,可将馈电电压引入,以监测输出回路过电压。Vcc经电阻分压接到UC3845~b部监测电压输入端,当由于某种原因,输出回路电压升高时, 外部监测电压输入端大于2.5V, 误差比较器输出小于2.5V,结合电流取样比较输入电压,PWM输出为低电平, 使PWM的占空比减小, 输出回路电压减小。如果对主回路输出5V电压的精度有要求。应采用反馈电路由光耦PC817、TL431及与之相连的阻容网络构成。其控制原理如下:

  主回路5V输出输出电压经电阻分压后得到采样电压,此采样电压与TL43 l提供的2.5V参考电压进行比较,当输出电压正常(5V)时,采样电压与TL43l提供的2.5V参考电压相等则TL431的K极电位不变,流过光耦二极管的电流不变,流过光耦的电流不变,UC3845的2脚输入电压不变,1脚电位稳定,6脚输出PWM驱动的占空比不变,输出电压稳定在设定值不变。

  当输出5V电压因为某种原因偏高时,经电阻分压值就会大于2.5V,则TL431的K极电位下降,流过光耦二极管的电流增大,则流过光耦的电流增大,UC3845的2脚输入电压上升到大于2.5V,l脚电位下降,6脚输出驱动脉冲PWM的占空比下降,输出电压降低,这样就完成了主回路输出电压反馈稳压的作用。

  3 结束语

  实践证明,基于UC3845的反激式开关电源具有输入电压范围宽、输出电压精度高、负载的调整效率高等特点。本电源应用于网络电测仪表中,收到了良好的效果,具有一定的推广价值。

三、开关电源中浪涌电流抑制模块的应用

  1 上电浪涌电流

  目前,考虑到体积,成本等因素,大多数AC/DC变换器输入整流滤波采用电容输入式滤波方式,电路原理如图1所示。由于电容器上电压不能跃变,在整流器上电之初,滤波电容电压几乎为零,等效为整流输出端短路。如在最不利的情况(上电时的电压瞬时值为电源电压峰值)上电,则会产生远高于整流器正常工作电流的输入浪涌电流,如图2所示。当滤波电容为470μF并且电源内阻较小时,第一个电流峰值将超过100A,为正常工作电流峰值的10倍。

  浪涌电流会造成电源电压波形塌陷,使得供电质量变差,甚至会影响其他用电设备的工作以及使保护电路动作;由于浪涌电流冲击整流器的输入熔断器,使其在若干次上电过程的浪涌电流冲击下而非过载熔断。为避免这类现象发生,而不得不选用更高额定电流的熔断器,但将出现过载时熔断器不能熔断,起不到保护整流器及用电电路的作用;过高的上电浪涌电流对整流器和滤波电容器造成不可恢复的损坏。因此,必须对带有电容滤波的整流器输入浪涌电流加以限制。

  2 上电浪涌电流的限制

  限制上电浪涌电流最有效的方法是,在整流器与滤波电容器之间,或在整流器的输入侧加一负温度系数热敏电阻(NTC),如图3所示。利用负温度系数热敏电阻在常温状态下具有较高阻值来限制上电浪涌电流,上电后由于NTC流过电流发热使其电阻值降低以减小NTC上的损耗。这种方法虽然简单,但存在的问题是限制上电浪涌电流性能受环境温度和NTC的初始温度影响,在环境温度较高或在上电时间间隔很短时,NTC起不到限制上电浪涌电流的作用,因此,这种限制上电浪涌电流方式仅用于价格低廉的微机电源或其他低成本电源。而在彩色电视机和显示器上,限制上电浪涌电流则采用串一限流电阻,电路如图4所示。最常见的应用是彩色电视机,这种方法的优点是简单,可靠性高,允许在宽环境温度范围内工作,其缺点是限流电阻上有损耗,降低了电源效率。事实上整流器上电处于稳态工作后,这一限流电阻的限流作用已完成,仅起到消耗功率、发热的负作用,因此,在功率较大的开关电源中,采用上电后经一定延时后用一机械触点或电子触点将限流电阻短路,如图5所示。这种限制上电浪涌电流方式性能好,但电路复杂,占用体积较大。为使应用这种抑制上电浪涌电流方式,象仅仅串限流电阻一样方便,本文推出开关电源上电浪涌电流抑制模块。

  3 上电浪涌抑制模块

  3.1 带有限流电阻的上电浪涌电流抑制模块

  将功率电子开关(可以是MOSFET或SCR)与控制电路封装在一个相对很小的模块(如400W以下为25mm×20mm×11mm)中,引出3~4个引脚,外接电路如图6(a)所示。整流器上电后最初一段时间,外接限流电阻抑制上电浪涌电流,上电浪涌电流结束后,模块导通将限流电阻短路,这样的上电过程的输入电流波形如图6(b)所示。很显然上电浪涌电流峰值被有效抑制,这种上电浪涌电流抑制模块需外接一限流电阻,用起来很不方便,如何将外接电阻省掉将是电源设计者所希望的。

  3.2 无限流电阻的上电浪涌电流抑制模块

  有人提出一种无限流电阻的上电浪涌电流抑制电路如图7(a)所示,其上电电流波形如图7(b)所示,其思路是将电路设计成线形恒流电路。实际电路会由于两极放大的高增益而出现自激振荡现象,但不影响电路工作。从原理上讲,这种电路是可行的,但在使用时则有如下问题难以解决:如220V输入的400W开关电源的上电电流至少需要达到4A,如上电时刚好是电网电压峰值,则电路将承受4×220×=1248W的功率。不仅远超出IRF840的125W额定耗散功率,也远超出IRFP450及IRFP460的150W额定耗散功率,即使是APT的线性MOSFET也只有450W的额定耗散功率。因此,如采用IRF840或IRFP450的结果是,MOSFET仅能承受有限次数的上电过程便可能被热击穿,而且从成本上看,IRF840的价格可以接受,而IRFP450及IRFP460则难以接受,APT的线性MOSFET更不可能接受。

  欲真正实现无限流电阻的上电浪涌电流抑制模块,需解决功率器件在上电过程的功率损耗问题。作者推出的另一种上电浪涌电流抑制模块的基本思想是,使功率器件工作在开关状态,从而解决了功率器件上电过程中的高功率损耗问题,而且电路简单。电路如图8(a)和图8(b)所示,上电电流波形如图8(c)所示。

  3.3 测试结果

  A模块在400W开关电源中应用时,外壳温升不大于40℃,允许间隔20ms的频繁重复上电,最大峰值电流不大于20A,外形尺寸25mm×20mm×11mm或  35mm×25mm×11mm。

  B模块和C模块用于800W的额定温升不大于40℃,重复上电时间间隔不限,上电峰值电流为正常工作时峰值电流的3~5倍,外形尺寸35mm×30mm×11mm或者50mm×30mm×12mm。

  模块的铝基板面贴在散热器上,模块温度不高于散热器5℃。

  4 结语

  开关电源上电浪涌电流抑制模块的问世,由于其外接电路简单,体积小给开关电源设计者带来了极大方便,特别是无限流电阻方案,国内外尚未见到相关报道。同时作者也将推出其它冲击负载(如交流电机及各种灯类等)的上电浪涌电流抑制模块。

四、开关电源中电磁干扰的抑制方法

  引言

  随着开关电源技术的不断发展和日趋成熟,各个应用领域对开关电源的需求也不断增长,但是,开关电源存在严重的电磁干扰()问题。它不仅对电网造成污染,直接影响到其它用电电器的正常工作,而且作为辐射干扰闯入空间,对空间也造成电磁污染。于是便产生了开关电源的电磁兼容(EMC)问题。电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

  开关电源的电磁干扰可分为传导干扰和辐射干扰两大类。传导干扰通过交流电源传播,频率低于30 MHz。辐射干扰通过空气传播,频率在30MHz以上。

  本文针对一种桌面式180W塑壳开关电源(负载是12V/15A的半导体制冷冰箱,电源外形大小205mm×90mm×62mm)所存在的电磁干扰超标问题,从原理上进行了分析,并探讨了解决方案。

  1 180 W开关电源的电路结构分析与电磁干扰测试

  1.1 主电路与结构布局分析

  该开关电源的电路原理如图1所示。

  电容滤波整流器功率因数低,整流二极管导通时间较短,滤波电容充电电流瞬时值的峰值大,整流后的电流波形为脉动状,产生高的谐波电流。

  半桥电路中高频导通和截止的S1、S2、D3、D4和变压器T1是开关电源的主要骚扰源,产生高频高压的尖峰谐波振荡,该谐波振荡产生的高次谐波,通过开关管与散热器问的分布电容传入内部电路或通过散热器及变压器向空间辐射。

  该开关电源的内部布局如图2所示,左边是交流电源输入和直流输出,靠左边上下两侧留有通风孔,风机在右边,采用向外抽风方式散热,保证塑壳内的热量及时排出,避免热量在塑壳内积聚。该布局的优点是通风路比较通畅,但也存在缺点—输入输出接口安装得较近,在它们之间容易产生空间耦合,形成辐射骚扰。

  1.2 电磁干扰测试

  表l所列为测得的7~21次谐波电流的数值,其中11、15、17次谐波电流都超标。

  辐射骚扰预测结果在30~50MHz和100MHz处超出限值,如图4所示。

  2 电磁干扰的抑制

  2.1 谐波电流的抑制

  采用功率因数校正可以解决谐波电流超标的问题。有源功率因数校正采用Boost升压PFC电路,功率因数提高到O.99以上,使得谐波电流很小,但电路复杂,成本也不低,而且电路中的开关管和高压整流二极管的开关噪声将成为新的骚扰源,使整机的EMI达标增加了难度。

  考虑到在交流输入电压(AC 220~250V)范围内,满足电压调整率情况下,适当减小滤波电容,输入串联电阻可以在一定程度上降低滤波电容充电电流瞬时值的峰值,满足谐波电流限值,且功率损耗在可以接受的范围之内,整机电源效率下降不多,也不失为较好方法。采用这一方法后实测谐波电流值如表2所列。

  2.2传导骚扰的抑制

  传导噪声主要来源半桥中功率开关管S1及S2以频率25 kHz交替工作,功率开关管集电极发射极电压Uce和发射极电流,。波形接近矩形波。傅立叶分析表明,矩形波脉冲具有相当宽的频率带宽,含有丰富的高次谐波,脉冲波形的频谱幅度在低频段较高。另外,功率开关管在截止期间.高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。

  输入滤波器是为变换器的电磁骚扰电平和外界的电磁骚扰源设计的一种低阻抗通道(即低通滤波器),以抑制或去除电磁骚扰,达到电磁兼容的目的。

  如图5所示,输人滤波器是由电感(LFI、LF2)和CY电容(C4、C5)及Cx电容(C1、C2、C3)组成的低通滤波器电路构成。对频率较高的噪声信号有较大的衰减。C1、C2、C3是滤除共模干扰的电容,C4、C5是滤除差模干扰的电容,LF1、LF2是共模线圈。

  图3中低频传导干扰(O.15~lMHz范围)超标,共模噪声的主要骚扰源是功率开关管,低频传导干扰抑制以增加共模电感的电感量为主,当共模电感从原设计的15mH增加到24mH时,低频传导干扰最大处下降30dB,得到了显著改善。如图6所示。
  输入滤波器对20MHz以下噪声抑制有明显的效果。理想输入滤波器是低通滤波器,但实际上是带阻滤波器

  当开关电源频率增加时,所需的共模电感可大大减小,共模电感体积也减小。但是,开关电源在20MHz以上频带的辐射噪声份量有所增加,给辐射骚扰的达标带来麻烦。开关频率和共模电感的关系如表3所列。

  由于共模电感线圈存在寄生电容,高频噪声成分经过寄生电容向外发射骚扰,故使用单个大感量共模电感不容易达到好的高频滤波效果,一般采用两个共模电感,同样的电感量抑制高频噪声很见效,将有6dB以上的差值。

  Cx电容器高频阻抗频率特性是一个关系电磁骚扰抑制效果的重要参数。电容器在高频使用时等效为r(等效串联电阻)+c+L(等效串联电感)电路。由于电容器自身的固有电感(即等效串联电感)存在,在频率低的范围,电容器电抗呈容性,在频率高的范围,电容器电抗呈感性,这时抑制骚扰的能力就明显下降。电容器的固有引线电感越小和骚扰源的高频内阻抗越大,则抑制骚扰的效果越好。

  首先,从电磁骚扰源产生的机理人手,查找辐射骚扰源的所在,从根本上降低其产生辐射骚扰噪声的电平。在输出电压比较低的情况下,输出整流器和平滑电路的干扰可能比较

  严重+通过减小环路面积可以抑制di/dt环路产生的磁场辐射。整流及续流二极管工作在高频开关状态,也是个高频骚扰源。二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响,使之工作在很高的电压及电流变化率下,且产生高频振荡,二极管反向恢复的时间也越长,则尖峰电流的影响也越大。

  C4及Cs的引线和连接地引线应尽量短,以使接地阻抗尽量小,噪声能经过电容旁路到地线,C4及C5取较大电容量滤波效果好,但是,随着电容量的增加泄漏电流也增加了,而泄漏电流值是电气安全中的重要指标,决不允许超过规定数值一一般的漏电流限制是3.5 mA,此桌面式塑壳开关电源属手持式设备,最大漏电流限制为O.75 mA,实测值为O.55mA。

  电源输入线缆要短,滤波器尽量靠近输入端口,避免滤波器输入输出发生耦合,而失去滤波作用。接地尽量简短可靠,减小高频阻抗,使干扰有效旁路。经过数次整改后,得到满意的结果如图7所示。

  2.3辐射骚扰的抑制

  辐射骚扰足指由任何部件、天线、电缆或连接线辐射的电磁干扰。

  通常在电路元件布局上,应尽量使输入交流和输出直流插座(包括引线)分开并远离。采用一端输入另一端输出是.种合理的布局。但考虑电源内部散热通风,该电源采用图2的散热结构。不可回避的问题是输入输出线缆之间可能发生空间耦合,当有高频传导电流通过时就会产生强烈的辐射。

  首先,从电磁骚扰源产生的机理入手,查找辐射骚扰源的所在,从根本上降低其产生辐射骚扰噪声的电平。在输出电压比较低的情况下,输出整流器和平滑电路的干扰可能比较严重,通过减小环路面积可以抑制di/dt环路产生的磁场辐射。整流及续流二极管工作在高频开关状态,也是个高频骚扰源。二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响,使之工作在很高的电压及电流变化率下,且产生高频振荡,二极管反向恢复的时间也越长,则尖峰电流的影响也越大。

  铁氧体磁环和磁珠使用方便,价格便宜,抑制电磁干扰效果明显。铁氧体电感的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路,L和R都是频率的函数。电阻值随着频率增加而增加,这样就构成了一个低通滤波器。低频时R很小,L起丰要作用,电磁干扰被反射而受到抑制;高频时R增大,电磁干扰被吸收并转换成热能,使高频干扰大大衰减。不同的铁氧体抑制元件,有不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高,抑制的频率就越低。此外,铁氧体的体积越大,抑制效果越好。在体积一定时,长而细的形状比短而粗的抑制效果好,内径越小抑制效果也越好。铁氧体抑制元件应当安装在靠近干扰源的地方。对于输入、输出电路,则应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。

  整流二极管使用肖特基二极管,其阳极套铁氧体磁珠(φ3.5×φ1.3×3.5),直流输出线缆用铁氧体磁环绕(φ13.5×φ7.5×7)2.5圈且靠近出口处。整改后辐射干扰最大处下降了约lOdB,但40MHz和100 MHz处余量较小,准峰值测试仅有5dB裕量。考虑到认证过程繁琐,周期长,而且各个认证检测服务中心之间允许有2~3dB的误差,产品的预测应在6dB以上的裕量为合适,如图8所示。

  铁氧体磁珠、铁氧体磁环的使用对骚扰源噪声的抑制有了较大改善,如仍还不能满足要求,只好采用屏蔽措施,在输入输出之间用2mm厚的铝板隔离,以切断通过空间耦合形成的电磁噪声传播途径。结果辐射骚扰噪声裕量达到了12dB以上,抑制噪声效果相当明显。通过以上措施大3m法电波暗室与IOm法电波暗室测试规定限值的转换:由于标准GB9254认定ITE(信息技术设备)在10m测量距离处得到辐射骚扰限值,而较多的EMC检测服务中心是在3m电波暗室内测试,因为场强大小与距离成反比,所以在3m法中测得的噪声电平比在10m法时的噪声电平值要下降10 dB。

  图4、图8、图9是由3m法电波暗室测得,其辐射骚扰限值为30~230MHz准峰值限值40dB,230~1000MHz准峰值限值47dB。图10是由10m法电波暗室测得,图9与图lO比较,辐射噪声波形相差不多。仅在儿个频率点的噪声电平略有增加。

  3 结语

  经过以上的整改后,再次测试l80W电源的电磁兼容完全达到了设计要求。在电源设计初期解决EMI问题,结构尚未定型,可选用的方法多,有利于降低成本。

  除以上所述的抑制措施外,还有其它一些方案,但设计方案都要兼顾电源成本。

  与EMI相关的因素多且复杂,仅做到上述的几点是远远不够的,还有接地技术、PCB布局走线等都是很重要的。电磁兼容的设计任重而道远,我们要不断进行研究,以使我国的电子产品电磁兼容水平与国际同步。


 


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