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              反激式功率因數校正電路的電磁兼容設計

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              作者:楊益平時間:2005-12-06來源:收藏
              引言

              電磁兼容(EMC)是指電子設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。隨著電子產品越來越多地采用低功耗、高速度、高集成度的LSI電路,而使得這些裝置比以往任何時候更容易受到電磁干擾的威脅。而與此同時,大功率家電及辦公自動化設備的增多,以及移動通信、無線尋呼的廣泛應用等,又大大增加了電磁騷擾源。這些變化迫使人們把電磁兼容作為重要的技術問題加以關注。特別是歐共體將產品的電磁兼容性要求納入技術法規,強制執行89/336/EEC指令,即規定從1996年1月1日起電氣和電子產品都必須符合EMC要求,并加貼CE標志后才能在歐共體市場上銷售以來,促使了各國政府從國際貿易的角度,高度重視電磁兼容技術。

              開關電源具有體積小、重量輕、效率高的優點,且市場上已有開關電源集成控制模塊,這使電源設計、調試簡化了許多,所以,在大多數的電子設備(如計算機、電視機及各種控制系統)中得到了廣泛的應用。然而,開關電源自身產生的各種噪聲卻使其成了一個很強的電磁騷擾源。這些騷擾隨著開關頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強,對電子設備的正常運行構成了潛在的威脅。因此,只有提高開關電源的電磁兼容性,才能使開關電源在那些對電源噪聲指標有嚴格要求的場合被采用。 

               

              電磁兼容包括兩個方面的含義。

              1)電子設備或系統內部的各個部件和子系統、一個系統內部的各臺設備乃至相鄰幾個系統,在它們自己所產生的電磁環境及在他們所處的外界電磁環境中,能按原設計要求正常運行。換句話說,它們應具有一定的電磁敏感度,以保證它們對電磁干擾具有一定的抗擾度(Immunity of a Disturbance)。

              2)該設備或系統自己產生的電磁噪聲(Electromagnetic Noise-EMN)必須被限制在一定的電平,使由它所造成的電磁干擾不致對它周圍的電磁環境造成嚴重的污染和影響其他設備或系統的正常運行。

              眾所周知,構成電磁干擾有三個要素,即:騷擾源(噪聲)、噪聲的耦合途徑及噪聲接收器(被干擾設備)。因此,概括電磁兼容設計的任務就是要削弱騷擾源的能量,隔離或減弱噪聲耦合途徑及提高設備對電磁干擾的抵抗能力。下面就以反激式(Flyback)電路為例,討論小功率單級PFC電路的電磁兼容性設計。

              1 騷擾源的分析

              如圖1所示,在小功率DC/DC變換器中,主要的騷擾源是電磁感應噪聲和非線性開關過程噪聲。這都是由于功率變換電路中的整流二級管和功率開關管在工作過程中所產生的電壓和電流的躍變,并通過高頻變壓器、儲能電感線圈以及電路中的元件布局和器件本身自帶的寄生參數之間相互作用而造成的。


               

              換句話說,電路中產生的所有干擾問題的根源,就是功率開關管和高頻整流二極管在快速的開斷過程中所產生的di/dt和dv/dt。所以,在電路設計的初期,即進行電路方案的選擇時就應著手考慮EMC問題。在各方面條件成熟和允許的情況下,對于主開關管的設計應采用軟開關電路(例如中功率電路當中廣為采用的移相全橋電路等),這樣不但可以極大地減小開關管的開關損耗,而且有助于降低電路中的di/dt。而在開關頻率的選擇上也不是越高越好,而是應當選取合適的頻率。還有,由開關管和高頻二極管以及輸出電容構成的回路應盡量地小,因為回路小寄生電感就小了。在開關管和高頻二極管開通和關斷的瞬間會產生很大的di/dt,如果寄生電感大了就會感應出很高的電壓,這樣就形成了一個大的騷擾源。另外,高頻二極管在關斷的時候會出現反向恢復的情況,這也是一個很大的騷擾源。我們必須注意削弱它,以免影響電路的正常工作,為此可以給高頻二極管串一個小的電感,抑制高頻二極管的反向恢復電流。但是這個電感不能大,因為在高頻下di/dt很大,也會引入一個騷擾,因此必須折中。

              另一個產生電磁感應噪聲的主要騷擾源是脈沖變壓器。在反激式電路中,由于原副邊繞組耦合系數不為1,變壓器存在著一定的漏感Ls。當開關關斷時,Ls所產生的反電勢-Lsdi/dt會使開關管的漏源極之間的電壓出現上沖。這是因為Ls上的能量--漏磁通不能通過變壓器耦合到副邊進行釋放,因此,這部分能量同開關管的寄生電容Cs和輸入電源Vin共同構成一個衰減的LC諧振,疊加在關斷電壓上,形成關斷電壓尖峰。這個尖峰噪聲實際上是尖脈沖,除了造成干擾外,重者有可能擊穿開關管。而且它還是一種傳導性電磁干擾,既影響變壓器的初級,還會使干擾傳導返回配電系統,造成輸入側電網的電磁干擾,從而影響其它用電設備的安全和經濟運行。

              和開關管一樣,電路當中的脈沖變壓器也存在高頻率的di/dt變化,也會向空間輻射高頻的電磁波,干擾其他的元器件和設備。為此也應當想法將變壓器這些高頻電磁波屏蔽掉。

              對于電磁場而言,電場分量和磁場分量總是同時存在的。所以,在屏蔽電磁場時,必須對電場與磁場同時加以屏蔽。高頻電磁屏蔽的機理主要是基于電磁波穿過金屬屏蔽體產生波反射和波吸收的機理。電磁波達到屏蔽體表面時,之所以會產生波反射,其主要原因是電磁波的波阻抗與金屬屏蔽體的特征阻抗不相等,兩者數值相差越大,反射引起的損耗就越大。反射波還和頻率有關,頻率越低,反射越嚴重。而電磁波在穿透屏蔽體時產生的吸收損耗則主要是由電磁波在屏蔽體中的感生渦流引起的。感生的渦流可以產生一個反磁場抵消原干擾磁場,同時,渦流在屏蔽體內流動產生熱損耗。

              2 電磁兼容的設計

              電磁兼容性設計包括電路選擇、元器件的選擇、濾波、屏蔽、接地、布局等。


               

              2.1 軟開關技術

              選擇零電壓開關、零電流開關諧振技術或其他軟開關技術。在零電壓諧振變換器中,功率開關上的電壓波形為準正弦,dv/dt??;在零電流準諧振變換中,流過功率開關的電流為準正弦,di/dt小,這樣就可以減小EMI電平。因為,干擾頻譜窄,且集中在諧振頻率附近,易于濾波器的設計。

              要特別注意降低功率開關的di/dt與dv/dt和減小整流二極管噪聲的緩沖電路的設計。

              2.2 濾波

              濾波是抑制干擾的一種有效措施,尤其是在對付傳導干擾方面,具有明顯的效果。欲削弱傳導干擾,把EMI電平控制在有關EMC標準規定的極限電平以下。除抑制騷擾源以外,最有效的方法就是在開關電源輸入和輸出電路中加裝EMI濾波器。在濾波電路中,選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環,能夠改善電路的濾波特性。EMI濾波器如圖2所示。

              這種EMI濾波器既能抑制共模干擾又能抑制差模干擾。它是開關電源EMI濾波器的基本網絡結構,其中L1和L2是繞在同一磁環上兩只獨立線圈,匝數相同,有相同方向的同名端,稱之為共模電感線圈或者共模線圈。L3與L4是獨立的差模抑制電感,C1、C2和C3是電容器。如果把該濾波器一端接入干擾源,負載端接上被干擾設備,那么L1和C1,L2和C2就分別構成了兩對獨立端口間的低通濾波器,用來抑制電源線上存在的共模EMI信號,使之衰減,并被控制到很低的電平上。L3及L4形成的獨立差模抑制電感和電容C3組成了一個低通濾波器,用來抑制電源線上存在的差模EMI信號。

              適當的設計或選擇合適的濾波器,并正確地安裝濾波器是抗干擾技術的重要組成部分,具體措施如下。

              1)在交流電輸入端加裝電源濾波器,其電路圖如圖2所示。其中L3,L4和C3用于抑制差模噪聲,L1,L2,C1和C2用于抑制共模噪聲。所有的電源濾波器都必須接地,因為濾波器的共模旁路電容必須在接地時才起作用。一般的接地方法除了將濾波器與金屬外殼相接之外,還要用較粗的導線將濾波器外殼與設備的接地點相連,接地阻抗越小濾波效果越好。另外,濾波器應盡量安裝在靠近電源入口處,避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。


               

              2)在電源輸出端加輸出濾波器。加裝高頻電容,加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量,可以抑制差模噪聲。如果把多個電容并聯,效果將會更好。

              在使用濾器器的時候,我們還必須注意以下幾點。

              1)濾波器必須有良好的屏蔽,屏蔽體與電源良好搭接。

              2)輸入濾波器應裝在輸入端口處,輸出濾波器應裝在輸出端口處,并遠離內部電磁發射很強的電感器、功率開關等。若可能的話,盡可能作為一個獨立部件與電源合理連接。

              3)濾波器的輸入、輸出線不能交叉,應采用屏蔽線或相互間設置屏蔽層。

              4)濾波器內部的元件,自身要進行良好的電磁屏蔽和接地處理,以免流過濾波器接地導線的短路電流造成有害電磁輻射。

              5)濾波電感的鐵芯最好采用罐型或者環型,若用其他形狀可加短路環或磁屏蔽。線圈采用單層或分段式繞法,小電流時可采用蜂房繞制的多層線圈。共軛線圈不能采取雙線并繞,應是對稱的兩個獨立線圈。

              6)應選用高頻特性好的電容器。


               

              2.3 接地

              必須注意電路中的接地問題,因為公共阻抗耦合主要通過公共地阻抗進行。如果接地沒有處理好,可能會對電路引入很大的地干擾,從而使電路不能正常工作。以Boost電路為例,如果MOSFET的S極接地沒有處理,也就是說G極、S極、PWM信號和地之間構成地回路很大的話,電路就不能正常工作,有時候PWM信號無法驅動MOSFET,這就是通過公共地阻抗給Boost電路引入了一個很大的干擾。因此,在使用通用板子來布電路的時候,必須注意這些細節,S極與地之間的導線要盡量短。使用通用板子時,盡量用粗一點線來作為地線,還有,能夠連在一起的地應盡量連在一起,接地點盡量粗一點,還可以盡量加粗地線寬度,減少環路電阻。若地線很細或者接地點很小,接地電位則隨電流的變化而變化,使抗噪聲性能變壞。使用通用板子時,還必須注意功率電路的地對信號地的干擾。

              2.4 變壓器的設計

              為了盡可能地減小變壓器的電磁噪聲,就要使其原邊繞組和副邊繞組的耦合系數盡可能接近1,從而減小漏磁通,達到減小漏感的目的。這就需要在變壓器的設計上下功夫,使原邊繞組和副邊繞組盡可能地靠近,同時和磁芯也要盡量靠近,這樣漏磁通就會減到最小。根據這個原則,最好的繞法就是原邊和副邊交叉并繞,這樣能達到使漏電感最小的目的。但是在實際應用中,變壓器還要考慮原副邊之間的高壓隔離,所以實際當中更多應用的?quot;三明治"的夾心繞法(如圖3所示),即繞一層原邊,繞一層副邊,再繞一層原邊,或者一層副邊,一層原邊,最后一層副邊,這就能使原副邊之間的耦合更好,減少漏感,減少由于漏感引起的電磁感應噪聲。(設計導線線徑的時候,除了應當考慮通過的電流大小和趨膚效應之外,還應當力爭讓導線將每層都鋪平,而不要出現稀疏的兩三匝的現象,只有這樣,原副邊的耦合效果才能進一步提高)。圖4給出了實驗波形圖,從圖4可知,用夾心繞法繞制的變壓器,MOSFET上的振蕩小了很多。

              為了減少變壓器的輻射干擾,制作變壓器的屏蔽層時,常采用的方法是在變壓器的線包和磁芯外表面包上一層薄薄的銅皮。為了能減小原副邊的分布電容,還可以在變壓器的初、次級繞組之間加一層靜電屏蔽。具體的作法是在繞制完初級繞組后,包上一層0.02~0.03mm厚的薄銅皮,銅皮的始端和末端必須有3~5mm長的重疊(重疊部分必須相互絕緣)。為了保證靜電屏蔽達到預期的目標,關鍵是從工藝設計上減小漏電容Cs和接地阻抗Z的大小,如下圖5所示。

              3 其他減少電磁干擾的方法

              3.1 元器件的布局

              在設計電路時,通常騷擾源和受擾電路由于受到工作條件的限制而難以避免。這時,應盡量將相互關聯的元器件擺放在一起,以避免因器件離的太遠而造成印制線過長所帶來的干擾;再者將輸入信號和輸出信號盡量放置在引線端口附近,以避免因耦合路徑而產生的干擾。

              3.2 散熱片的安裝

              考慮到可能惡化電路運行狀態的功率器件發熱問題,可以給功率器件安裝散熱片,既能散熱,又可以減小電磁噪聲。為了使功率開關管和散熱器能有良好的熱傳導,常在功率開關管與散熱器之間抹上導熱性能良好的絕緣硅膠(為了保證有良好的絕緣,常常還在中間墊絕緣墊片,防止散熱片帶電)。這些硅膠和絕緣墊片相當于在功率管和散熱片之間串聯了耦合電容Ck。因此,功率開關管在快速開斷時產生的電磁噪聲就會通過Ck耦合到散熱片上面。從防止各個開關管之間的噪聲相互串擾的角度來考慮,最好是每個功率管用一個獨立的散熱片,而不是幾個功率開關管公用一個散熱片。

              4 結語

              隨著電子產品的電磁兼容性日益受到重視,抑制開關電源的EMI,提高電子產品的質量,使之符合有關標準,已經成為人們越來越關注的問題。本文對反激式功率因數校正電路的騷擾源進行了分析,同時給出了相應的解決方案,另外,還對此電路的電磁兼容的設計進行了詳細的分析。 


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