基于LinkSwitch的電磁兼容性設(shè)計(jì)

0  引言

電源是各種電子設(shè)備必不可少的重要組

成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)電子系統(tǒng)的安全性和可靠性。單片開(kāi)關(guān)電源集成電路由于其具有高集成度、高性?xún)r(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，顯示出了強(qiáng)大的生命力。

PI公司于2002年9月推出的LinkSwitch（簡(jiǎn)稱(chēng)LNK）系列單片電源在正常工作時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率一般在42kHz,不僅對(duì)前級(jí)電路帶來(lái)很大的電磁兼容問(wèn)題，而且也對(duì)鄰近的某些電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。故必須對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)，使各個(gè)元件在復(fù)雜的電磁環(huán)境下都能正常運(yùn)行。

1          LNK的電磁兼容性問(wèn)題

圖1 LNK開(kāi)關(guān)電源電路模型

開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過(guò)程中產(chǎn)生的高di/dt與高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形、MOSFET漏源波形等矩形波在脈沖邊緣時(shí)的高頻變化對(duì)開(kāi)關(guān)電源的基本信號(hào)造成了干擾。圖1為由LNK構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源的電路模型。下面具體分析圖1中噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。

1．1         電源線(xiàn)引入的噪聲

電源線(xiàn)噪聲是電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線(xiàn)傳播所造成的，對(duì)外表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾分為共模（Common Mode—CM）干擾和差模（Differential Mode—DM）干擾。共模干擾定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差，差模干擾定義為任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。由于開(kāi)關(guān)電路寄生參數(shù)的存在以及開(kāi)關(guān)器件的高頻開(kāi)通和關(guān)斷，使得開(kāi)關(guān)電源在其輸入端產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾。圖2即為圖1的共模差模干擾的傳播途徑。在高頻情況下，由于dv/dt很高，激發(fā)變壓器線(xiàn)圈間以及LNK的寄生電容，從而形成了共模干擾。如圖2的黑體虛線(xiàn)所示。在高頻情況下，在輸入輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的di/dt，從而形成了差模干擾。如圖2的淡體虛線(xiàn)所示。

圖2 共模、差模干擾傳播途徑

1．2         變壓器產(chǎn)生的干擾

    高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存、隔離輸出、電壓變換的重要元件，在不考慮漏感以及開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間時(shí)，高頻工作下的MOSFET產(chǎn)生的波形應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的方波。但在實(shí)際變壓器制作時(shí)，繞組漏感是不可避免的。由于漏感存在，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，原邊漏感將儲(chǔ)存一定的能量，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存的能量得到釋放，使得開(kāi)關(guān)器件的兩端出現(xiàn)電壓關(guān)斷尖峰，與原來(lái)的直流高壓和感應(yīng)電壓疊加，可使MOSFET的漏極電壓超過(guò)700V（LNK系列的MOSFET的漏極擊穿電壓為700V），有可能影響開(kāi)關(guān)的正常工作甚至損壞LNK。

1．3         輸出整流二極管的尖峰干擾

    理想的二極管在承受反向電壓時(shí)截止，不會(huì)有反向電流通過(guò)。但實(shí)際二極管在承受反向電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)儲(chǔ)存的電荷在反向電場(chǎng)作用下被復(fù)合，形成反向恢復(fù)電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感、引線(xiàn)電感以及二極管的結(jié)電容的影響下將產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻衰減振蕩，高頻衰減振蕩電壓與關(guān)斷電壓疊加，將形成一個(gè)相當(dāng)大的關(guān)斷電壓尖峰。這個(gè)反向恢復(fù)噪聲也是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)主要干擾源。

1．4         分布電容及寄生參數(shù)引起的干擾

開(kāi)關(guān)電源的分布電容主要為開(kāi)關(guān)電源與散熱器或外殼之間的分布電容、LNK的漏極與電源線(xiàn)之間的分布電容、變壓器初次級(jí)之間的分布電容。以上的分布電容都可以傳輸共模干擾。

在高頻下，普通的電阻電容電感都將呈高頻寄生特性，這將對(duì)其正常工作產(chǎn)生影響。例如，高頻工作時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)寄生電感的感抗顯著增加，這將使其變成一根發(fā)射線(xiàn)，即成了開(kāi)關(guān)電源中的一個(gè)輻射干擾源。

2                   EMC設(shè)計(jì)

圖3 未考慮EMC設(shè)計(jì)的EMI仿真曲線(xiàn)

圖3為未考慮EMC設(shè)計(jì)時(shí)的EMI仿真曲線(xiàn)，根據(jù)廣泛采用的GB9254中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，可看出干擾強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)了，必須對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)。

EMC設(shè)計(jì)應(yīng)該從三個(gè)方面去考慮：

1）       減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)

2）       切斷干擾信號(hào)的傳播途徑

3）       增強(qiáng)敏感電路的抗干擾能力

[!--empirenews.page--]2．1         輸入側(cè)濾波器設(shè)計(jì)

電源線(xiàn)干擾可以使用EMI濾波器濾除，EMI濾波器應(yīng)是一個(gè)只允許直流至工頻（50Hz，400Hz）通過(guò)的理想低通濾波器，即從直流至截止頻率的通帶以最小衰減通過(guò)，一般以額定電流下的壓降表示；對(duì)電磁干擾的阻帶，給以盡可能高的衰減；通帶和阻帶之間的過(guò)濾帶應(yīng)盡量的陡。

圖4 常規(guī)使用的EMI濾波器

圖5 共模等效電路          

  圖6 差模等效電路

圖7 加入EMI濾波器后的仿真曲線(xiàn)

2．3    輸出整流二極管尖峰抑制
    對(duì)輸出整流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)噪聲，可以通過(guò)在二極管兩端并聯(lián)RC緩沖器來(lái)抑制，也可以通過(guò)在二極管串聯(lián)一個(gè)飽和電感來(lái)抑制。并聯(lián)的RC緩沖器起到一階濾波器的作用，根據(jù)需要濾除高頻噪聲。串聯(lián)的飽和電感在整流二極管導(dǎo)通時(shí)工作在飽和狀態(tài)下，相當(dāng)于導(dǎo)線(xiàn)；在整流二極管關(guān)斷反向恢復(fù)時(shí)，工作在電感特性狀態(tài)下，可以阻礙電流的大幅度變化。
2．4    其他措施
1.  對(duì)整流電路采用無(wú)源功率因數(shù)校正法來(lái)降低諧波成分并提高功率因數(shù)；
2． 對(duì)變壓器進(jìn)行屏蔽來(lái)減少其漏感帶來(lái)的輻射；
3． 對(duì)電路板進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，LinkSwitch應(yīng)盡量遠(yuǎn)離交流輸入端，盡量減小高頻變壓器初次回路所包圍的面積。
3  結(jié)語(yǔ)
抑制開(kāi)關(guān)電源的干擾是開(kāi)發(fā)應(yīng)用型開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)重要的課題。本文就不同的干擾源提出了針對(duì)性的解決方法，并就原電路的EMI仿真曲線(xiàn)重新設(shè)計(jì)了電路的參數(shù)，改進(jìn)后的電路基本符合GB9254標(biāo)準(zhǔn)。文末提出的幾種工藝改進(jìn)的方法都能對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾問(wèn)題起到進(jìn)一步的作用,這些都對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)具有一定的參考意義.