反激式開(kāi)關(guān)電源實(shí)用電磁干擾設(shè)計(jì)方法

摘 要：本文敘述了反激式開(kāi)關(guān)電源中電磁干擾（EMI）產(chǎn)生的一些原因，根據(jù)EMI產(chǎn)生的不同原因的理論分析，結(jié)合工程實(shí)踐當(dāng)中的經(jīng)驗(yàn)，給出了合適的、實(shí)用的解決方法和一些關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法，對(duì)反激式開(kāi)關(guān)電源的EMI工程設(shè)計(jì)有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：反激；EMI設(shè)計(jì)；開(kāi)關(guān)電源

0.引言

反激式變換器由于具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)，如：電路元件少、原副邊電氣隔離、對(duì)輸入電壓變化的適應(yīng)性強(qiáng)等等，它被廣泛運(yùn)用于中、小功率的AC/DC開(kāi)關(guān)電源中。但同時(shí)，它也會(huì)或多或少的帶來(lái)了一些電磁干擾（EMI），因此在某些應(yīng)用場(chǎng)合，特別是在一些對(duì)EMI比較敏感的應(yīng)用場(chǎng)合或區(qū)域，就需要對(duì)EMI進(jìn)行處理，也就是進(jìn)行EMI設(shè)計(jì)。

1. 反激式變換器EMI設(shè)計(jì)

反激式開(kāi)關(guān)電源在AC/DC電源中的電路原理圖如圖1所示，具體的工作原理就不再贅述。由于開(kāi)關(guān)管或二極管不斷的導(dǎo)通、關(guān)斷，導(dǎo)致了電路中電壓和電流的急劇變化，也就是du/dt和di/dt，這也就是產(chǎn)生EMI的源頭。

在一次側(cè)，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)，由于變壓器漏感Llk和MOSFET寄生電容Coss的諧振，會(huì)在MOSFET上形成很高的電壓尖峰，如圖2所示。這個(gè)電壓尖峰含有豐富的諧波，會(huì)造成嚴(yán)重的EMI，所以需要一個(gè)電路來(lái)抑制和吸收該電壓尖峰。通常我們用RCD電路作為吸收電路。吸收電路中的電容電壓隨著輸入電壓增加而減小，所以我們以最低輸入電壓及滿(mǎn)載條件來(lái)確定。因此，消耗在吸收電路上的能量：

而這些能量是消耗在電阻上的，所以吸收電路上的電阻：

吸收電路里面電容上的紋波電壓：

一般來(lái)說(shuō)，5～10%的紋波電壓是比較合適的。因此，吸收電路中的電容值可由上式計(jì)算得到。

在二次側(cè)，由于次級(jí)漏感Lls和輸出二極管的節(jié)電容Cd諧振，同樣會(huì)在輸出二極管上產(chǎn)生較大的高頻電壓尖峰，惡化電磁環(huán)境。

輸出二極管D1先不接RC吸收電路時(shí)，在最大輸入電壓、最大負(fù)載的條件下，用示波器（不打帶寬）測(cè)出二極管電壓尖峰波形的振蕩頻率f1；然后在二極管上并聯(lián)一個(gè)合適的電容，使并聯(lián)電容后的二極管電壓尖峰的振蕩頻率減小為之前的一半。此時(shí)諧振頻率：

為了使諧振衰減，可以用一個(gè)電阻與C4串聯(lián)后再與輸出二極管D1并聯(lián)，這時(shí)R4的取值應(yīng)滿(mǎn)足：

而電阻R4的功率應(yīng)滿(mǎn)足：

其中： 為變壓器二次側(cè)電壓。

從前面的分析我們可以知道，反激變換器中一些關(guān)鍵點(diǎn)的電壓振蕩跟變壓器的漏感有很大關(guān)系，所以在變壓器的設(shè)計(jì)當(dāng)中要處理好原副邊的耦合。在實(shí)際工程當(dāng)中，變壓器繞法采用“三明治”結(jié)構(gòu)是一種非常有效的方法，如圖3所示。

2.前級(jí)濾波電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源的干擾有差模干擾和共模干擾。在變換器設(shè)計(jì)中雖然采用各種辦法來(lái)盡量減少各種干擾的產(chǎn)生，但實(shí)際并不能完全消滅這些干擾。同樣，電網(wǎng)也并不是非常純凈，存在一些干擾。為了避免電網(wǎng)和變換器之間的相互干擾，就需要在電網(wǎng)和變換器之間加濾波電路，也就是變換器的前級(jí)濾波電路。

對(duì)于共模干擾的抑制，主要由圖1中的共模扼流圈L1和安規(guī)電容CY1、CY2來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中L1的兩個(gè)線(xiàn)圈匝數(shù)相等，方向相同，這兩個(gè)電感對(duì)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(duì)于共模干擾信號(hào)，兩線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通方向相同，有相互加強(qiáng)的作用，從而對(duì)共模干擾起到良好的抑制作用。CY1與CY2可以給共模噪聲提供旁路。在制作共模扼流圈時(shí)，可根據(jù)實(shí)際的EMI測(cè)試結(jié)果來(lái)調(diào)整參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)選用高μ值的鐵氧體磁芯和較少的線(xiàn)圈匝數(shù)以實(shí)現(xiàn)較高的感量和較小的寄生電容，但同時(shí)要避免低電壓輸入滿(mǎn)負(fù)載工作時(shí)磁性飽和的問(wèn)題。

對(duì)于差模干擾的抑制，則主要由圖1中的L2、C2來(lái)完成。它們構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，轉(zhuǎn)折頻率：

其中：L2為差模電感，

C2為X電容。

fc 應(yīng)大于交流輸入電源，C2一般取值在0.1～0.47μF之間，因此L2感量的選擇也是在一個(gè)明確的范圍之內(nèi)。

3.其它設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

除了上述幾個(gè)重要環(huán)節(jié)之外，還有很多其它方面是需要注意的。如：一、二次側(cè)去耦（在一二次側(cè)的靜點(diǎn)跨接Y電容），PCB設(shè)計(jì)，敏感元器件屏蔽等方面，都有可能影響到整個(gè)電源產(chǎn)品的EMI設(shè)計(jì)的成敗。因此，在反激式開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的各個(gè)方面都應(yīng)該小心謹(jǐn)慎，不能麻痹大意。

4.小結(jié)

隨著電力電子設(shè)備在家用、商用、軍用等領(lǐng)域中被廣泛的使用，且各種應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娮釉O(shè)備的EMI要求越來(lái)越高，因此電子設(shè)備的EMI設(shè)計(jì)也顯得越來(lái)越重要。本文根據(jù)理論分析及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了反激式開(kāi)關(guān)電源EMI設(shè)計(jì)的實(shí)用解決方案，希望對(duì)工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王志強(qiáng)等譯：開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)（第二版） 北京：電子工業(yè)出版社2005.

[2] 趙修科：開(kāi)關(guān)電源中的磁性元件 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社2014

[3] （美國(guó)）Sanjaya Maniktala：精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)（第2版） 人民郵電出版社2008

[4] 基于EMI電源濾波器的設(shè)計(jì)和研究[J]. 馮非，程蘇，董凱. 信息通信. 2016（12）

作者簡(jiǎn)介：

劉勇剛，男，1981年生，碩士研究生，畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)供職于廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院.