基于AC-DC開關(guān)電源外接濾波電路設(shè)計(jì)

劉艷竹

(廣東省惠州工程技術(shù)學(xué)校 電子科，廣東 惠州 516001)

基于AC-DC開關(guān)電源外接濾波電路設(shè)計(jì)

劉艷竹

(廣東省惠州工程技術(shù)學(xué)校 電子科，廣東 惠州 516001)

為了抑制EMI噪聲，使得開關(guān)電源的輸出電壓更加穩(wěn)定，保證電路的穩(wěn)定運(yùn)行，文中設(shè)計(jì)了基于AC-DC開關(guān)電源的外接濾波器電路。通過對某L系列的開關(guān)電源進(jìn)行測試，對開關(guān)電源中所存在的干擾進(jìn)行分析，分別針對不同噪聲提出了相應(yīng)的抑制電路，最后將電路相結(jié)合得到完整的濾波電路。實(shí)驗(yàn)測試表明，該電路能夠有效抑制開關(guān)電源電路中普遍存在的兩種噪聲，使得開關(guān)電源輸出電壓更加穩(wěn)定，保證了電路的正常運(yùn)行。

開關(guān)電源；濾波電路；EMI噪聲

開關(guān)電源由于在多方面具備較大的優(yōu)勢，例如體積較小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備以及電子信息行業(yè)中，其在現(xiàn)代電子信息技術(shù)領(lǐng)域中具有較大的影響力[1-3]。所謂開關(guān)電源，即通過控制功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷的時間來輸出穩(wěn)定電壓的一種電源。一個完整的開關(guān)電源包含了整流濾波電路、變壓器、比較放大電路、JFET管以及脈沖頻率調(diào)制電路等[4-6]。

與線性電源相比，開關(guān)電源擁有諸多優(yōu)勢，但由于其是基于功率轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓的輸出，使得開關(guān)電源易產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾(Electron-Magnetic Interference，EMI)噪聲[7-9]。EMI噪聲將會影響電子設(shè)備的正常工作狀態(tài)和電子通訊設(shè)備的通信質(zhì)量，并會對微弱信號檢測電路造成較大的影響[10]。此外，由于EMI噪聲所造成的恒流源基準(zhǔn)電壓的不穩(wěn)定也會造成電路運(yùn)行的不穩(wěn)定[11]。為了抑制EMI噪聲，使得開關(guān)電源的輸出電壓更加穩(wěn)定，保證電路的平穩(wěn)運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了基于AC-DC開關(guān)電源的外接濾波器電路，其能夠有效抑制開關(guān)電源電路中普遍存在的兩種噪聲，從而使開關(guān)電源輸出電壓更加穩(wěn)定，確保了電路的正常運(yùn)行。

1 開關(guān)電源噪聲分析

EMI噪聲按照傳輸途徑的不同，可以劃分為共模及差模干擾噪聲。在開關(guān)電源模塊中差模干擾噪聲具體表現(xiàn)為浪涌電壓，其將會使開關(guān)電源輸出電壓幅值波動較大，使得開關(guān)電源無法提供穩(wěn)定的電壓。浪涌電壓所造成過高的瞬時電壓很可能會導(dǎo)致電路的損壞，例如使得二極管被擊穿或電容被燒壞，進(jìn)而使電子設(shè)備無法正常工作。對于高頻尖峰脈沖數(shù)據(jù)采集電路而言，浪涌電壓會對電路產(chǎn)生毛刺[12]。

1.1 浪涌電壓

如圖1為某L系列的AC-DC開關(guān)電源原理圖。由圖可知，輸電網(wǎng)中的高壓電經(jīng)過整形電路以及濾波電路作用后，輸出電壓信號再通過Buck變換器，由PFM電路來對輸出電壓的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，其原理為通過控制半導(dǎo)體JEFT管的導(dǎo)通與關(guān)斷來輸出電壓，并保持電壓的穩(wěn)定。由于場效應(yīng)晶體管不停在導(dǎo)通以及關(guān)斷之間變換，造成感性負(fù)載中的電流也隨之不停地發(fā)生突變，進(jìn)而導(dǎo)致第一級線圈中產(chǎn)生浪涌電壓。同樣的，在輸出端也會出現(xiàn)與開關(guān)頻率相同的紋波，浪涌電壓的大小決定于開關(guān)電源內(nèi)部所包含的LC電壓和等效串聯(lián)電阻[13]，而電壓頻率則與場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率一致，其為差模噪聲。

圖1 某L系列AC-DC開關(guān)電源原理

1.2 高頻尖峰脈沖

高頻尖峰脈沖為共模噪聲，其主要分為兩種噪聲。一種是由于整流二極管的反向恢復(fù)特性而產(chǎn)生的[14]。如圖1中所示，二極管D1由于具有反向恢復(fù)特性，當(dāng)場效應(yīng)晶體管在導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)之間切換時會產(chǎn)生尖峰電流。其次，在LC濾波電路中分布參數(shù)和寄生電容等因素的作用下電路中將會出現(xiàn)諧振，此時電磁振動幅值將達(dá)到最大，導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生，從而對電路形成干擾；另一種是當(dāng)場效應(yīng)晶體管在導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)中間切換時，其在上升與下降階段所產(chǎn)生的高頻噪聲，噪聲頻率通常約為幾十MHz。與浪涌電壓相比，高頻尖峰脈沖幅值通常更大，其對電路穩(wěn)定性影響也更大。

2 噪聲類型分析

由于其特有的工作方式使得電源開關(guān)自身能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的EMI噪聲，且不同的開關(guān)電源模塊所產(chǎn)生的噪聲類型不同。為了有效抑制干擾噪聲，必須對不同開關(guān)電源模塊所產(chǎn)生的噪聲分布進(jìn)行分析。相對于其他開關(guān)電源模塊，L系列開關(guān)電源模塊中出現(xiàn)的噪聲主要為諧振所導(dǎo)致的諧波以及高頻尖峰脈沖。L系列開關(guān)電源模塊所產(chǎn)生的諧波噪聲頻率約為63 kHz，而共模干擾，即高頻尖峰脈沖頻率在12 MHz左右。兩種噪聲同時起作用后所形成的疊加噪聲峰峰值將近100 mV，符合開關(guān)電源噪聲所擁有的特性。因此，可知該開關(guān)電源模塊噪聲為63 kHz，噪聲波形如圖2所示。

圖2 開關(guān)電源模塊初始輸出噪聲

3 濾波電路設(shè)計(jì)

3.1 差模干擾抑制電路參數(shù)

針對測試后所得到的噪聲幅頻特性，本文采用由差模電容以及差模電感所構(gòu)成的L型低通濾波電路[7]，其截止頻率由式(1)可計(jì)算

(1)

式中，LD和CD分別為抑制差模干擾的電感值和電容值。

一般而言，在L型低通濾波電路中，差模電容的電容值較大，而電感則基于鐵粉芯磁材料制成的。其具有兩個優(yōu)點(diǎn)，首先是電感值較高，其次是此類電感在抑制差模干擾方面效果顯著。在電容選擇上，因?yàn)殡娊怆娙萁Y(jié)構(gòu)上存在缺陷，導(dǎo)致其在高頻電路中對外呈現(xiàn)為感性，因而在抑制差模干擾上未能取得明顯的抑制結(jié)果。為解決這一問題，本文將電解電容與陶瓷電容并聯(lián)使用，這不僅能夠有效抑制高頻噪聲，同時也能為基準(zhǔn)電壓起到耦合作用。

經(jīng)過濾波電路后，差模干擾得到了改善。如圖3所示，噪聲幅值基本維持在5 mV以內(nèi)，其與理論所計(jì)算得到的噪聲幅值是一致的，但高次諧波卻仍未被有效抑制，其頻率依然在約12.5 MHz。

圖3 高頻尖峰脈沖噪聲

3.2 共模干擾抑制電路參數(shù)

共模干擾噪聲其幅值大且所處頻率高，并對電子設(shè)備所造成的干擾大。為了降低尖峰脈沖對電路造成的影響，可采取在AC電源輸出端口增加相應(yīng)的濾波電路來抑制高頻尖峰脈沖生成EMI濾波。其主要通過共模電感或電容來完成，為了確定濾波電路，首先需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對于共模電容，在工作條件下一般采用nF級，對于共模電感，在設(shè)定截至頻率的情況下，可由式(2)計(jì)算得

(2)

結(jié)合前文所分析的兩種干擾噪聲，本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源外接濾波電路如圖4所示。首先，輸電網(wǎng)高壓電經(jīng)過開關(guān)電源模塊后，輸出端先接由差模電感以及差模電容組成的低通濾波電路，消去低頻差模干擾噪聲。然后，再將輸出通過共模電感以及共模電容組成的電磁干擾濾波電路來抑制高頻脈沖噪聲的生成。由于共模電感由多個繞組構(gòu)成，這里為兩個繞組，繞組之間存在間隔，易發(fā)生磁通泄露，導(dǎo)致干擾噪聲產(chǎn)生，影響電路正常運(yùn)行。為解決這一問題，可將輸出電壓通過差模LC濾波電路，去除剩余低頻干擾。

圖4 濾波電路原理

將圖4濾波電路應(yīng)用于實(shí)際開關(guān)電源中，經(jīng)測試該濾波電路能夠有效抑制差模干擾及共模干擾。經(jīng)過濾波電路后開關(guān)電源的交流信號，如圖5所示。從圖中可以看到，開關(guān)電源中存在的兩種干擾已被有效抑制，該開關(guān)電源能夠符合恒流源基準(zhǔn)電壓的要求。

圖5 綜合濾波處理后噪聲

4 結(jié)束語

為了抑制EMI噪聲，使得開關(guān)電源的輸出電壓更加穩(wěn)定，保證電路的穩(wěn)定運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了基于AC-DC開關(guān)電源的外接濾波器電路。通過對某L系列的開關(guān)電源進(jìn)行測試，對開關(guān)電源中所存在的干擾進(jìn)行分析，并分別針對不同噪聲提出相應(yīng)的抑制電路，最終將電路相結(jié)合得到完整的濾波電路。實(shí)驗(yàn)測試表明，該電路能夠有效抑制開關(guān)電源電路中普遍存在的兩種噪聲，使得開關(guān)電源輸出電壓更加穩(wěn)定，保證了電路的正常運(yùn)行。

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Design of External Filter Circuit for Switching Power Supply Based on AC-DC

LIU Yanzhu

(Huizhou Engineer & Technique School,Huizhou 516001,China)

In order to suppress the EMI noise, making the switching power supply output voltage is more stable, to ensure the stable operation of the circuit, the standard design based on AC-DC switching power supply external filter circuit. In this paper, the switching power supply of a L series is tested, the interference in the switching power supply is analyzed, and the corresponding suppression circuit is put forward for different noise respectively. Finally, the circuit is combined to get the complete filter circuit. The experimental results show that the circuit can effectively suppress the two kinds of noise in the switching power supply circuit, which makes the output voltage of the switching power supply more stable, and ensures the normal operation of the circuit.

switching power supply; filter circuit; EMI noise

2017- 03- 30

劉艷竹(1979-)，女，講師。研究方向：電工與電子。

TN914

A

1007-7820(2018)02-085-03