基于LinkSwitch的電磁兼容性設(shè)計

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)系到整個電子系統(tǒng)的安全性和可靠性。單片開關(guān)電源集成電路由于其具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等優(yōu)點，顯示出了強大的生命力。

PI公司于2002年9月推出的LinkSwitch（簡稱LNK）系列單片電源在正常工作時的開關(guān)頻率一般在42kHz,不僅對前級電路帶來很大的電磁兼容問題，而且也對鄰近的某些電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。故必須對整個電路進行電磁兼容（EMC）設(shè)計，使各個元件在復(fù)雜的電磁環(huán)境下都能正常運行。

1          LNK的電磁兼容性問題

圖1 LNK開關(guān)電源電路模型

開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產(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。開關(guān)管的驅(qū)動波形、MOSFET漏源波形等矩形波在脈沖邊緣時的高頻變化對開關(guān)電源的基本信號造成了干擾。圖1為由LNK構(gòu)成開關(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         電源線引入的噪聲

電源線噪聲是電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的，對外表現(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載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。由于開關(guān)電路寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)器件的高頻開通和關(guān)斷，使得開關(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

    高頻變壓器是開關(guān)電源實現(xiàn)能量儲存、隔離輸出、電壓變換的重要元件，在不考慮漏感以及開關(guān)動作時間時，高頻工作下的MOSFET產(chǎn)生的波形應(yīng)該是標準的方波。但在實際變壓器制作時，繞組漏感是不可避免的。由于漏感存在，開關(guān)閉合時，原邊漏感將儲存一定的能量，當開關(guān)關(guān)斷時，儲存的能量得到釋放，使得開關(guān)器件的兩端出現(xiàn)電壓關(guān)斷尖峰，與原來的直流高壓和感應(yīng)電壓疊加，可使MOSFET的漏極電壓超過700V（LNK系列的MOSFET的漏極擊穿電壓為700V），有可能影響開關(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截止，不會有反向電流通過。但實際二極管在承受反向電壓時，PN結(jié)內(nèi)儲存的電荷在反向電場作用下被復(fù)合，形成反向恢復(fù)電流，它恢復(fù)到零點的時間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感、引線電感以及二極管的結(jié)電容的影響下將產(chǎn)生強烈的高頻衰減振蕩，高頻衰減振蕩電壓與關(guān)斷電壓疊加，將形成一個相當大的關(guān)斷電壓尖峰。這個反向恢復(fù)噪聲也是開關(guān)電源的一個主要干擾源。

1．4         分布電容及寄生參數(shù)引起的干擾

開關(guān)電源的分布電容主要為開關(guān)電源與散熱器或外殼之間的分布電容、LNK的漏極與電源線之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布電容。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，這將對其正常工作產(chǎn)生影響。例如，高頻工作時，導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，這將使其變成一根發(fā)射線，即成了開關(guān)電源中的一個輻射干擾源。

2                   EMC設(shè)計

圖3 未考慮EMC設(shè)計的EMI仿真曲線

圖3為未考慮EMC設(shè)計時的EMI仿真曲線，根據(jù)廣泛采用的GB9254中規(guī)定的標準曲線，可看出干擾強度超過規(guī)定標準了，必須對電路進行相應(yīng)的抗干擾設(shè)計。

EMC設(shè)計應(yīng)該從三個方面去考慮：

1）       減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號

2）       切斷干擾信號的傳播途徑

3）       增強敏感電路的抗干擾能力

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

電源線干擾可以使用EMI濾波器濾除，EMI濾波器應(yīng)是一個只允許直流至工頻（50Hz，400Hz）通過的理想低通濾波器，即從直流至截止頻率的通帶以最小衰減通過，一般以額定電流下的壓降表示；對電磁干擾的阻帶，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

2．3    輸出整流二極管尖峰抑制
    對輸出整流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)噪聲，可以通過在二極管兩端并聯(lián)RC緩沖器來抑制，也可以通過在二極管串聯(lián)一個飽和電感來抑制。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)通時工作在飽和狀態(tài)下，相當于導(dǎo)線；在整流二極管關(guān)斷反向恢復(fù)時，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.  對整流電路采用無源功率因數(shù)校正法來降低諧波成分并提高功率因數(shù)；
2． 對變壓器進行屏蔽來減少其漏感帶來的輻射；
3． 對電路板進行合理設(shè)計，LinkSwitch應(yīng)盡量遠離交流輸入端，盡量減小高頻變壓器初次回路所包圍的面積。
3  結(jié)語
抑制開關(guān)電源的干擾是開發(fā)應(yīng)用型開關(guān)電源的一個重要的課題。本文就不同的干擾源提出了針對性的解決方法，并就原電路的EMI仿真曲線重新設(shè)計了電路的參數(shù)，改進后的電路基本符合GB9254標準。文末提出的幾種工藝改進的方法都能對開關(guān)電源的電磁干擾問題起到進一步的作用,這些都對開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計具有一定的參考意義.