劉翔

（合肥工業(yè)大學(xué) 教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽 合肥 230009）

文中的小型開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)為單端反激式變換器，工作特性為高電壓、小功率5～150 W的電源，工作頻率在20 kH以上[1]。這種開(kāi)關(guān)電源功率密度大，智能化程度高，體積小，重量輕，在工業(yè)、國(guó)防、家電上大量使用。但是，該類型開(kāi)關(guān)電源由于其固有的結(jié)構(gòu)特性，它會(huì)產(chǎn)生干擾，注入電網(wǎng)并污染電網(wǎng)，影響鄰近的電子儀器及設(shè)備的正常工作，所以這種電源如果不采取一定的措施就無(wú)法應(yīng)用于一些精密的電子儀器中，因此降低該類型開(kāi)關(guān)電源對(duì)外部環(huán)境的電磁干擾即EMI，是我們的一個(gè)重要的任務(wù)。

第二個(gè)我們必須解決的問(wèn)題是其對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性即抗干擾能力。由于該開(kāi)關(guān)電源的工作環(huán)境是處于近千伏的電壓到幾伏的電壓信號(hào)，從高頻到低頻信號(hào)，還有開(kāi)關(guān)電源的內(nèi)部電磁的分布相當(dāng)復(fù)雜，它的結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部PCB布線，容易導(dǎo)致該系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，且容易受到外部的浪涌、靜電放電、電快速脈沖群的影響，使該開(kāi)關(guān)電源不能精確地工作。

綜上所述，我們要求該開(kāi)關(guān)電源必須滿足兩點(diǎn)要求：1）對(duì)周圍的電磁環(huán)境不造成污染，2）它在現(xiàn)實(shí)的電磁工作環(huán)境中不至于性能下降或發(fā)生故障。

1 開(kāi)關(guān)電源的EMI

開(kāi)關(guān)電源的干擾情況如圖1所示。

圖1 開(kāi)關(guān)電源的干擾類型Fig.1 Interference type of switching power supply

1）開(kāi)關(guān)電源的工頻整流采用橋式整流[2]，如圖2所示，大濾波電容充放電，沒(méi)有PFC，輸入電流是一個(gè)時(shí)間短，峰值很高的周期性尖峰電流，這種畸變的電流含有豐富的高次諧波分量，它們注入電網(wǎng)，引起嚴(yán)重的諧波污染且整流二極管在反向恢復(fù)期間會(huì)引起高頻衰減而產(chǎn)生干擾，另外濾波電容的等效串聯(lián)電感也會(huì)產(chǎn)生干擾。

圖2 開(kāi)關(guān)電源的電路簡(jiǎn)圖Fig.2 Circuit diagram of switvhing power supply

2）開(kāi)關(guān)管VT由于極短的導(dǎo)通時(shí)間及逆變回路中引線電感的存在，將產(chǎn)生很大的du/dt和很高的尖峰電壓；開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷時(shí)間短，將產(chǎn)生很大的di/dt和很高的電流尖峰，開(kāi)關(guān)電源的這種尖峰干擾通過(guò)輸入/輸出線傳播出去而形成的干擾稱為傳導(dǎo)干擾，即傳導(dǎo)性EMI。而在輸入/輸出線傳播時(shí)，會(huì)在空間中產(chǎn)生電磁場(chǎng)，發(fā)生電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)管的頻率越高，它產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也越強(qiáng)。

3）圖2中，高頻整流二極管VD5也是一個(gè)重要的高頻干擾源，它高速的通斷工作在很高的 du/dt、di/dt下會(huì)產(chǎn)生高頻干擾沿直流輸出線傳出去。

4）變壓器等磁性元件引起的EMI

①高頻變壓器初級(jí)L1、開(kāi)關(guān)管VT和濾波電容C1構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路能產(chǎn)生較大的空間輻射。如果電容器C1濾波不足，高頻電流會(huì)以差模方式傳導(dǎo)到輸入交流電源中如圖 2中的 I1。

②高頻變壓器次級(jí)L2整流二極管VD5、濾波電容C2構(gòu)成高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路，會(huì)產(chǎn)生空間輻射，如果電容器濾波不足，高頻電流將會(huì)以差模形式混在輸出直流電壓上向外傳導(dǎo)如圖 2中 I2。

③高頻變壓器的初級(jí)和次級(jí)間存在分布電容，初級(jí)的高頻電壓通過(guò)這個(gè)分布電容直接 藕和到次級(jí)上去，在次級(jí)的兩根輸出線上產(chǎn)生同相位的共模噪聲[3]，如果兩根線對(duì)地阻抗不平衡，還會(huì)轉(zhuǎn)變成差模噪聲。

5）高頻工作下的元件都有高頻寄生特性，高頻工作時(shí)，導(dǎo)線變成了發(fā)射線，電容變成了電感，電感變成了電容，電阻變成了共振電路，會(huì)使其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響并使其頻率特性發(fā)生了相當(dāng)大的變化，變成開(kāi)關(guān)電源中的輻射干擾源。

6）電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的EMI沿電源線進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源，主要以共?；虿钅煞N方式存在，其中能夠?qū)﹄娫丛斐蓳p壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波。

2 開(kāi)關(guān)電源的EMI抑制技術(shù)

1）抑制開(kāi)關(guān)電源的EMI，干擾源不可能消除，只有從減小干擾源的能量入手。

圖3 抑制浪涌的方法Fig.3 Method of suppresing surge

①在開(kāi)關(guān)管VT兩端并接RC吸收電路，如圖3所示，對(duì)開(kāi)關(guān)管高速通斷時(shí)的能量加以緩沖，吸收功率減少di/dt、du/dt。

②在二次回路中的高頻整流二極管VD5兩端并接RC吸收電路，如圖3所示，抑制浪涌電壓則采用整流二極管VD6串接帶可飽和磁芯的線圈，在通過(guò)正常電流時(shí)磁芯飽和，電感量很小，正常工作不受影響，一旦電流反向時(shí)，磁芯線圈將產(chǎn)生很大的反電動(dòng)勢(shì)有效抑制二極管VD5的反向浪涌電流。

2）針對(duì)傳導(dǎo)干擾EMI，我們?cè)O(shè)法在其的傳導(dǎo)路徑上設(shè)置障礙，吸收并阻止干擾。

①在開(kāi)關(guān)電源的輸入端加電源濾波器，濾波器對(duì)高頻能量呈高阻抗，對(duì)工頻呈低阻抗，它不僅封鎖了共模干擾的傳播途徑，而且衰減了輸入回路中的差模干擾。濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的辦法，在電源輸入端接上濾波器，既可以抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對(duì)開(kāi)關(guān)電源的侵害。

圖4 二極管抑制電路Fig.4 Diode suppression circuit

圖5 能量反饋抑制電路Fig.5 Suppression circuit of energy feedback

②開(kāi)關(guān)管高速通斷效率雖高，但帶來(lái)了高頻輻射和傳導(dǎo)噪聲，為此需對(duì)開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生的噪聲加以抑制，兩種常見(jiàn)的電路形式如下：圖4中，開(kāi)關(guān)管截止瞬間變壓器初級(jí)線圈中存儲(chǔ)的能量通過(guò)二極管電阻回路釋放，避免在開(kāi)關(guān)管兩端出現(xiàn)電壓尖峰。圖5中開(kāi)關(guān)管截止瞬間，通過(guò)二極管將能量返回電源。

3）二極管整流橋產(chǎn)生的諧波及無(wú)功，一個(gè)方法是采取功率因數(shù)校正（PFC）電路來(lái)解決脈沖尖峰電流過(guò)大的問(wèn)題和提高功率因數(shù)，而另一個(gè)方法是采取差模濾波器可以有效地抑制脈沖電流的峰值，從而降低電流諧波干擾。

4）尖峰干擾的抑制，功率開(kāi)關(guān)管和二次繞組整流二極管的高速通斷造成了開(kāi)關(guān)電源的尖峰干擾。采取易飽和，儲(chǔ)能能力弱的飽和電感，能有效抑制這種尖峰干擾。將飽和電感與整流二極管串聯(lián)，在電流開(kāi)通的瞬間，它呈現(xiàn)高阻抗，抑制尖峰電流，而飽和后其電感量很小，損耗也小，如圖6所示：Q1導(dǎo)通，VD1導(dǎo)通，VD2截止，飽和電感Ls限制VD2中的反向恢復(fù)電流的幅值和變化率，可以有效地抑制高頻導(dǎo)通干擾的產(chǎn)生。Q1斷，VD1截止，VD2導(dǎo)通，Ls造成導(dǎo)通延時(shí)，會(huì)影響VD2的續(xù)流作用，會(huì)在VD2陽(yáng)極產(chǎn)生負(fù)值尖峰電壓。所以增加輔助二極管VD3和電阻R1，為了克服輸出電壓中的尖峰，增加了第二級(jí)濾波，電感L和C2，如圖7中所示電感L只需很小的值就夠了，電容C2則是低電感的小電容。

圖6 抑制尖峰的電路Fig.6 Circuit of suppressing current peak

圖7 二級(jí)濾波電路Fig.7 Second filtering circuit

5）屏 蔽

電磁兼容設(shè)計(jì)要達(dá)到以下2個(gè)目的：a、通過(guò)優(yōu)化電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將干擾源產(chǎn)生的電磁噪聲強(qiáng)度降低到能接受的水平。b、通過(guò)各種干擾抑制技術(shù)，將干擾源與被干擾電路之間的耦合減弱到能接受的程度。屏蔽技術(shù)是達(dá)到上述兩個(gè)目的、實(shí)現(xiàn)電磁干擾防護(hù)的最基本最重要的手段之一[4]。屏蔽技術(shù)通?？煞譃槿箢悾弘妶?chǎng)屏蔽（靜電場(chǎng)屏蔽及低頻交變電場(chǎng)屏蔽）、磁場(chǎng)屏蔽（直流磁場(chǎng)屏蔽和低頻交流磁場(chǎng)屏蔽）及電磁場(chǎng)屏蔽（高頻輻射電磁場(chǎng)的屏蔽）。

用導(dǎo)電率良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，屏蔽體必須完善并良好接地，否則金屬屏蔽體不起任何屏蔽作用。

磁場(chǎng)屏蔽的目的是消除或抑制直流或低頻交流磁場(chǎng)噪聲源與被干擾回路的磁耦合。采取高磁導(dǎo)率材料制成的磁場(chǎng)屏蔽體將需要磁屏蔽的電路或元件即磁場(chǎng)噪聲源封閉起來(lái)，由于高磁導(dǎo)率材料具有很低的磁阻，噪聲源的磁力線將封閉在此屏蔽體內(nèi)，或外界干擾磁場(chǎng)的磁力線被磁屏蔽體旁路，從而起到了磁屏蔽的作用。

而對(duì)于高頻磁場(chǎng)，采用非導(dǎo)磁的金屬屏蔽體將載流導(dǎo)體包圍起來(lái)，讓該屏蔽體中流過(guò)與中心載流導(dǎo)線電流大小相等、相位相反的電流，這樣在屏蔽體的外部，總的噪聲磁場(chǎng)強(qiáng)度變?yōu)榱?，達(dá)到了磁場(chǎng)屏蔽的目的，這樣屏蔽體應(yīng)為良導(dǎo)體如銅、鋁或銅鍍銀。

6）接地

在開(kāi)關(guān)電源的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遵循“一點(diǎn)接地”原則，如果多點(diǎn)接地，會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過(guò)該環(huán)路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲，實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。因此采用平面式或多點(diǎn)接地，降低地阻抗，消除分布電容的影響，采取一個(gè)導(dǎo)電平面作為參考地，將需接地的各部分就近接到該參考地上。在低頻和高頻共存的開(kāi)關(guān)電源電路中，分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后，再連接到公共參考地上，從而有效地消除噪聲。

3 開(kāi)關(guān)電源電路的EMC設(shè)計(jì)

3.1 輸入電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

輸入濾波電路如圖8所示，F(xiàn)V1為瞬態(tài)電壓抑制二極管，RV1為壓敏電阻[5]，具有很強(qiáng)的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護(hù)后級(jí)元器件或電路免遭浪涌電壓的破壞，EMI濾波器必須良好接地，且接地線要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入線、輸出線之間屏蔽隔離，才能有效地切斷傳導(dǎo)干擾沿輸入線的傳播和輻射干擾沿空間傳播。L1及C1組成低通濾波電路，當(dāng)L1電感值較大時(shí)，還須增加VD1和R1形成續(xù)流回路，吸收后級(jí)斷開(kāi)時(shí)L1儲(chǔ)存的能量，不然的話，L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會(huì)形成EMI。電感L1所選用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開(kāi)環(huán)磁芯的漏磁場(chǎng)會(huì)形成EMI。C1的容量選較大為好，這樣可以減小輸入線上的紋波電壓，從而減小在輸入導(dǎo)線周圍形成的電磁場(chǎng)。

圖8 輸入濾波電路Fig.8 Input filtering circuit

圖9 開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器電路Fig.9 Switching power supply EMI filtering circuit

開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器基本電路[6]如圖9所示，CX1和CX2是差模電容，L1、L2共模電感是匝數(shù)相同，繞向相反且繞在同一磁環(huán)上的兩只獨(dú)立線圈，兩只線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，共模電感對(duì)工頻電流不起任何阻礙作用，避免磁環(huán)達(dá)到飽和狀態(tài)，從而使兩只線圈的電感值保持不變，CY1和CY2是共模電容。

差模濾波元件和共模濾波元件分別對(duì)差模干擾和共模干擾有較強(qiáng)的衰減作用。實(shí)際使用中，共模電感繞組由于繞制工藝間會(huì)存在電感差值，不過(guò)這種差值正好被利用做成差模電感。所以一般電路中不必再設(shè)置獨(dú)立的差模電感。共模電感的差值電感與電容CX1和CX2構(gòu)成一個(gè)Ⅱ型濾波器。這種濾波器對(duì)差模干擾有較好的衰減。

電容CY1和CY2是用來(lái)濾除共模干擾的。共模干擾的衰減在低頻時(shí)主要由電感器起作用，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1和CY2起作用，CY1接于電源線和地線之間，需要其耐高壓、低漏電流特性，CY 一般在 2.2～33 μF，電容類型為瓷片電容。

差模電容CX接在兩根電源線之間，對(duì)一般的高頻干擾阻抗很低，故兩根電源線之間的高頻干擾可以通過(guò)它，它對(duì)工頻信號(hào)的阻抗很高，對(duì)工頻信號(hào)的傳輸毫無(wú)影響。CX電容選擇主要考慮耐壓值只要滿足功率線路的耐壓等級(jí)，能承受可預(yù)料的電壓沖擊即可，為了避免放電電流引起的沖擊危害，CX電容容量不宜過(guò)大，一般在0.01～0.1 μF之間，電容類型為陶瓷電容或聚酯薄膜電容。

3.2 高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

如圖10所示，VT為MOSFET的開(kāi)關(guān)器件，在VT開(kāi)通和斷開(kāi)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)時(shí)間很短及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會(huì)產(chǎn)生較高的di/dt、du/dt形成EMI，在變壓器原邊兩端增加RCD構(gòu)成吸收電路[7]，或在開(kāi)關(guān)管VT兩端并聯(lián)電容，縮短引線，減小圖中引線1－2，3－4的電感。電容C2、C3一般采用低感電容。另外，我們還采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，它也是改善開(kāi)關(guān)器件電磁兼容特性的一個(gè)重要的方法，開(kāi)關(guān)器件通斷會(huì)產(chǎn)生浪涌電流du/dt及尖峰電壓di/dt，這是開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生EMI及損耗的主要原因，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使開(kāi)關(guān)管在零電壓、零電流時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，可以有效地抑制EMI改善開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容特性[8]。

圖10 高頻逆變電路Fig.10 High frequency invert circuit

3.3 輸出整流電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

輸出整流電路如圖11所示，VD6為整流二極管，VD7為續(xù)流二極管，這兩個(gè)二極管工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以它們是輸出整流電路的EMI源。R5、C12和R6、C13它們是高頻整流二極管VD6、VD7的吸收電路，可以吸收VD6、VD7開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰，改善開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容特性。減少高頻整流二極管數(shù)量即可減少EMI能量，因此在滿足同樣條件下，采用半波整流比采用全波整流和全橋整流產(chǎn)生的EMI要小。還有在輸出較低電壓的情況下，選用肖特基二極管產(chǎn)生的EMI也會(huì)比選用其它二極管小。

圖11 輸出整流電路Fig.11 Output rectifyin circuit

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)小功率開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾問(wèn)題，文中采用了濾波、屏蔽、接地等方法。大量事實(shí)證明本文中的方案經(jīng)濟(jì)可靠地解決此類開(kāi)關(guān)電源的抗干擾問(wèn)題，不但提高了該類開(kāi)關(guān)電源的性能，降低了它們的故障率，而且使它們的適用范圍更加廣泛。

[1]杜少武.現(xiàn)代電源技術(shù)[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[2]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]V.Prasad Kodali.陳淑鳳等譯.工程電磁兼容[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4]張興.高等電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5]何金良.電磁兼容概論[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[6]Samjaya Maniktala.精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].王志強(qiáng)，譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[7]Pressman A I.開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].王志強(qiáng)，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[8]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.