反激式開關(guān)電源共模傳導(dǎo)干擾抑制研究

白 昊 熊亞蘭 李萬玉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

在開關(guān)電源正常工作時(shí)，開關(guān)管的快速通斷會形成具有陡峭上升沿和下降沿的電壓、電流波形，而這些電壓和電流的高頻分量會沿著變壓器和功率器件的分布電容及PCB走線等干擾耦合路徑進(jìn)行傳播，對公用電網(wǎng)造成嚴(yán)重的電磁干擾。通常根據(jù)傳導(dǎo)耦合方式的不同將電磁干擾分為差模干擾和共模干擾，差模干擾是指相線與中線之間流動的電流噪聲，主要取決于輸入電流的紋波大小，比較容易分析與抑制;而共模干擾是指相線或中線與地線之間流動的電流噪聲，主要是由功率變換器電路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)對地的分布電容引起的，它的傳播模型和參數(shù)比較復(fù)雜。

反激式開關(guān)電源具有成本低，體積小，易于實(shí)現(xiàn)多路輸出等眾多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于中小功率的電源中。本文以反激式開關(guān)電源為研究對象，通過分析其共模傳導(dǎo)干擾耦合路徑，提出了抑制其共模傳導(dǎo)干擾的具體方案，為反激式開關(guān)電源共模傳導(dǎo)干擾方面的電磁兼容設(shè)計(jì)提供了參考。

2 共模傳導(dǎo)干擾回路分析

對于一般的開關(guān)電源來講，可以認(rèn)為其電路的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都與地有著一個(gè)分布電容，但由于流經(jīng)分布電容的電流大小是由分布電容和節(jié)點(diǎn)上的電壓變化率兩個(gè)參數(shù)共同決定的，即對于節(jié)點(diǎn)電壓變化不明顯的點(diǎn)可以忽略其共模干擾，以反激式開關(guān)電源為例，可以得到其共模傳導(dǎo)干擾模型如圖1所示。

圖1 反激式開關(guān)電源共模傳導(dǎo)干擾模型

其中Cpara表示功率管漏級與散熱器之間的分布電容;Cload表示負(fù)載端Rload與大地之間的分布電容;Cps表示變壓器初級與次級之間的耦合電容。

從圖中可以看出，反激式開關(guān)電源的共模傳導(dǎo)干擾總共分為兩路:一路是從LISN(線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)路)出發(fā)，經(jīng)過整流橋和變壓器初級與次級之間的耦合電容Cps，最終通過負(fù)載端Rload與大地之間的分布電容Cload流回LISN。另一路是從LISN出發(fā)，經(jīng)過整流橋和功率管漏級與散熱器之間的分布電容Cpara，最終流回 LISN。

關(guān)于耦合電容Cps回路的干擾抑制方法，一種技術(shù)是采用變壓器屏蔽［1，2］，這種方法對于阻斷共模干擾回路有著明顯的效果;而對于分布電容Cpara的共模干擾回路，文獻(xiàn)［3］已經(jīng)給出了定性分析，即Cpara值越小，開關(guān)電源產(chǎn)生的共模干擾越小。通常解決該干擾回路問題的主要措施是加共模干擾濾波器［4］，但這種方法存在著一定的缺陷。本文將重點(diǎn)針對分布電容Cpara的干擾回路問題，介紹一種新的抑制技術(shù)——反相補(bǔ)償技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上利用Pspice仿真來印證該方法的有效性。

3 反相補(bǔ)償技術(shù)

3.1 反相補(bǔ)償原理

針對分布電容Cpara傳統(tǒng)的共模干擾抑制方法是通過加共模干擾濾波器，但為了使通過濾波器的共模電容流入大地的漏電流維持在安全范圍內(nèi)，共模電容的取值都應(yīng)當(dāng)比較小，但相應(yīng)的共模電感的取值就會變大，這樣就會使得開關(guān)電源產(chǎn)品的功耗、體積、重量都相應(yīng)增加。

由于共模干擾是由開關(guān)器件的分布電容在高頻時(shí)的dv/dt產(chǎn)生的，因此，用一個(gè)額外的變壓器繞組在補(bǔ)償電容上產(chǎn)生一個(gè)180°的反向電壓，產(chǎn)生的補(bǔ)償電流再與分布電容上的干擾電流迭加，從而消除干擾，這就是反相補(bǔ)償?shù)脑恚湓韴D如圖2所示。

圖2 反相補(bǔ)償原理圖

從圖2可以看出，若初級繞組Lp和補(bǔ)償繞組Lc的電感值相等，則通過分布電容Cpara的電流ipara和補(bǔ)償電容Ccomp的電流icomp大小相等，方向相反，當(dāng)?shù)雍螅M(jìn)入LISN端口的電流iCM將會很小。同時(shí)應(yīng)注意到，當(dāng)初級繞組Lp和補(bǔ)償繞組Lc的電感值不一致的時(shí)候，則應(yīng)保證Ccomp的取值要滿足icomp=Cpara·dv/dt。

應(yīng)用反相補(bǔ)償技術(shù)，需在初級繞組Lp上增加一個(gè)補(bǔ)償繞組Lc，而由于流經(jīng)補(bǔ)償電容Ccomp上的電流只是反向噪聲電流，且反向噪聲電流的幅值很小，則補(bǔ)償繞組Lc相對于初級繞組Lp和次級繞組Ls而言，它所使用的線徑就比較小，這樣變壓器的體積基本上就不會產(chǎn)生變化，即可以在不影響主電路工作的情況下較好地抑制電路的共模干擾，并可以減小體積和節(jié)約成本。

3.2 仿真電路分析

根據(jù)圖1建立的反激式開關(guān)電源干擾回路模型，采用Pspice搭建了反激式開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾仿真電路圖，其加入補(bǔ)償電路后的仿真電路圖如圖3所示。

圖3 反激式開關(guān)電源仿真電路圖

該開關(guān)電源的交流輸入為220V，直流輸出為12V，工作在非連續(xù)模式，開關(guān)頻率為100kHz，由于本仿真主要是針對傳導(dǎo)干擾，驅(qū)動電路直接采用了脈沖電源，具體仿真參數(shù)如圖3所示。其中Lc和C7為補(bǔ)償電路，補(bǔ)償繞組Lc的電感值與初級繞組Lp的電感值保持一致，補(bǔ)償電容C7的電容值與分布電容C6的電容值大小一樣，因此，當(dāng)開關(guān)電源正常工作時(shí)，補(bǔ)償繞組Lc上會使C7上產(chǎn)生一個(gè)與C6上干擾電流大小相同，方向相反的補(bǔ)償電流，迭加后消除了干擾電流。

共模干擾的測量方法在文獻(xiàn)［5］中已經(jīng)有了詳細(xì)的介紹，添加補(bǔ)償電路前后仿真結(jié)果見圖4和圖5。

將圖5和圖4進(jìn)行對比，不難看出，利用反相補(bǔ)償技術(shù)后共模干擾的低頻分量大大減小，但高頻端有所增加，這是由于補(bǔ)償繞組中存在結(jié)電容和漏感，會導(dǎo)致共模傳導(dǎo)干擾高頻分量有所增加，但相對于采用共模干擾抑制濾波器來說，本方案節(jié)省了設(shè)備成本。

需注意的是，該技術(shù)具有一定的局限性，當(dāng)變壓器各繞組之間耦合電容遠(yuǎn)大于寄生電容時(shí)，干擾電流有可能不經(jīng)補(bǔ)償線圈而直接進(jìn)入大地，此時(shí)抑制效果就會變得不理想。

4 結(jié)論

本文以反激式開關(guān)電源為研究對象，通過分析其共模傳導(dǎo)干擾耦合路徑，分析結(jié)果表明散熱器對地分布電容Cpara和變壓器初級繞組和次級繞組之間的耦合電容Cps是決定共模傳導(dǎo)干擾大小的重要因素。根據(jù)分析結(jié)果，針對分布電容Cpara的干擾回路問題，介紹了一種新的無源共模干擾抑制技術(shù)——反相補(bǔ)償技術(shù)，并通過Pspice進(jìn)行仿真，印證了該設(shè)計(jì)方法的正確性。

［1］Xu Pingfan，Qiu Dongyuan，Zhang Bo.Conducted EMI Suppression Method based on Obstructing Grounding Loops［C］.IPEMC.2009，2669－2672.

［2］林思聰，陳為.開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI的模型分析與應(yīng)用［J］.江蘇電器，2005，:7 －9.

［3］童躍光.開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾仿真分析［D］.碩士學(xué)位論文:山東大學(xué)，2007.

［4］郭玲.開關(guān)電源共模傳導(dǎo)EMI的抑制［D］.碩士學(xué)位論文:天津大學(xué)，2009.

［5］錢振宇.開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)與測試［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006，120 －123.