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，不過也帶來了相對于傳統(tǒng)電源致命的弱勢—電磁干擾。小功率反激電源作為市場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，不過考慮到市場化，小功率反激電源只用一級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 主要測試標(biāo)準(zhǔn)

目前世界各個國家和組織都對電子產(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)邦通信委員會的FCC第15部分；國際電工技術(shù)委員會中TC77的IEC61000部分；國際無線電干擾特別委員會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)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合到另一個電網(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，對于小型開關(guān)電源來講，由于體積的限制，很多時(shí)候會將CY1、CY2會省略掉的，甚至連L1也會省去。圖中 共模扼流圈L1的兩個線圈匝數(shù)相等，方向相同，這兩個電感對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；而對于共模干擾信號，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電容組成一個低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模干擾信號。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，有的還會更嚴(yán)重。因?yàn)闉V波器會產(chǎn)生諧振,從而產(chǎn)生插入增益。插入增益不僅不會使干擾減小,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：一個是將諧振頻率移動到?jīng)]有干擾的頻率上，另一個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)兩個功能，第一是能量存儲與轉(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，將一個大電容和一個小電容并聯(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，會在某個頻率上出現(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LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這個LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在會在某個頻率上發(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。如果剛好在這個頻率上有較強(qiáng)的干擾，就會出現(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：初級開關(guān)環(huán)路（MOS管，變壓器，輸入電容）

B：次級開關(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)，就會在共模電壓激勵下產(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，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：隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過寄生電容耦合到次邊。 對于變壓器的漏感，可以通過三明治繞法等改變工藝結(jié)構(gòu)改善，也可以通過改變變壓器性能設(shè)計(jì)來減小，對于變壓器繞組的分布電容可以通過改進(jìn)繞制工藝和結(jié)構(gòu)、增加繞組之間的絕緣、采用屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。從工程角度來說，特別是對于某些已經(jīng)面世而為了提高市場競爭力選擇提高EMI要求作為突破口的產(chǎn)品來說，改變變壓器性能設(shè)計(jì)肯定影響重大，而改變工藝結(jié)構(gòu)也影響到生產(chǎn)甚至性能。屏蔽是生產(chǎn)延續(xù)性最好與總體影響性最小的一種方法。

屏蔽對于干擾的抑制作用用屏蔽效能來衡量，屏蔽效能A主要由吸收損耗與反射損耗來表示，總損耗越大，屏蔽體對電磁干擾的抑制能力越強(qiáng)，如式（6）表示[2]。

從吸收損耗的公式可以得出以下結(jié)論：

屏蔽材料越厚，吸收損耗越大；屏蔽材料的磁導(dǎo)率越高，吸收損耗越大；屏蔽材料的電導(dǎo)率越高，吸收損耗越大；被屏蔽電磁波的頻率越高，吸收損耗越大。

干擾源為電場輻射源時(shí)反射損耗 [2]，如式（7）：(近場波，高阻抗場)

干擾源為磁場輻射源時(shí)反射損耗 [2]，如式（8）：(近場波，低阻抗場)

干擾源為電場源或者磁場源時(shí)反射損耗 [2]，如式（9）：(遠(yuǎn)場波)

從反射損耗的公式可以得出以下結(jié)論：

屏蔽材料的磁導(dǎo)率越低，吸收損耗越大；屏蔽材料的電導(dǎo)率越高，吸收損耗越大。

從以上我們可以得出結(jié)論：

A：低頻：吸收損耗很小，屏蔽效能主要決于反射損耗。而反射損耗與電磁波的性質(zhì)關(guān)系很大，電場波的屏蔽效能遠(yuǎn)高于磁場波。

B：高頻：隨著頻率升高，電場波的反射損耗降低，磁場波的反射損耗增加，吸收損耗增加，當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)，屏蔽效能主要由吸收損耗決定。

C：距離的影響：距離電場源越近，則反射損耗越大。對于磁場源，則正好相反。要獲得盡量高的屏蔽效能，屏蔽體應(yīng)盡量靠近電場輻射源，盡量遠(yuǎn)離磁場輻射源。

2.7磁珠的應(yīng)用

磁珠由鐵氧體組成，它把交流信號轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)導(dǎo)線中流過電流時(shí)，它對低頻電流幾乎沒有什么阻抗，但對高頻電流會有較大的衰減作用。磁珠抑制能力與它的長度成比例。不過磁珠的運(yùn)用會提高產(chǎn)品溫升，同時(shí)降低產(chǎn)品的可生產(chǎn)性，對于高功率密度的小功率電源來說，盡量避免使用。

2.8減緩驅(qū)動

增大MOS管驅(qū)動電阻，使得MOS管的開通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間增加，使dv/dt值變小。不過這種方式會增加開關(guān)管的開關(guān)損耗，只有在沒有其他有效解決辦法時(shí)推薦使用。比如MORNSUN公司的LH15XX某型號，在確定不能更改變壓器結(jié)構(gòu)與PCB布局情況下，只有增大驅(qū)動電阻，犧牲少許的效率來換取輻射干擾達(dá)到EN55022 CLASS B指標(biāo)。

3 案例

圖2是采用無錫硅動力(Si-power)SP56XX系列芯片(含抖頻，降頻和跳頻技術(shù))做的小功率模塊電源產(chǎn)品（37*23*15mm），功率為5W，開關(guān)頻率65KHz,通過精心的設(shè)計(jì)，在沒有圖1中輸入EMI濾波電路和無Y電容的情況下，使產(chǎn)品的傳導(dǎo)和輻射指標(biāo)分別滿足class A級和B級的要求，并能滿足最新的能源之星V的標(biāo)準(zhǔn)，圖3、圖4是該產(chǎn)品的EMI測試圖（產(chǎn)品通過了UL/CE認(rèn)證）。由于電路簡單，元件少，該系列電源在批量生產(chǎn)時(shí)不良率僅為50PPM。

4 結(jié)論

高功率密度是電源發(fā)展的一個方向，小功率反激電源也一樣。不過由于小功率電源要求體積小，成本低，它的EMI設(shè)計(jì)受到體積、熱設(shè)計(jì)和易生產(chǎn)性等方面的影響，可以發(fā)揮的空間已經(jīng)很小。需要設(shè)計(jì)人員從開始階段就要注意PCB布局，注重電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輸入輸出濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中期通過更改輸入EMI濾波器參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，調(diào)試沒有效果的情況下通過增加磁珠，改變驅(qū)動等犧牲其他性能的方式達(dá)到傳導(dǎo)和輻射指標(biāo)。