返馳式電路在開關(guān)電源EMI抑制中的應(yīng)用

聶 瓊

（蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008）

0 引 言

近年來，隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓電源朝著小型化、高頻化、繼承化的方向發(fā)展，高效率的開關(guān)電源已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于開關(guān)電路是透過充電和放電的打開和閉合實(shí)現(xiàn)的，因此其本身的開合頻率會(huì)造成一些EMI噪聲，故需要在控制芯片外部增加一些輔助線路，達(dá)成在源頭抑制EMI噪聲的目的[1-2]。本文主要闡述返馳式電路原理類的外部輔助控制電路的工作過程和實(shí)際電路運(yùn)動(dòng)效果，保證在轉(zhuǎn)換線路方案可靠高效性情況下，既控制成本，又把EMI抑制控制在可接受的范圍內(nèi)。

1 EMI測試要求和儀器

1.1 EMI測試要求

EMC電磁兼容包括EMI電磁干擾和EMS電磁兼容性。設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中的任何設(shè)備的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。這里著重解決EMI問題，在源頭減少干擾的產(chǎn)生。EMI是指產(chǎn)品的對外電磁干擾，一般分為工業(yè)等級A和民用等級B兩個(gè)等級[3]。民用的要比工業(yè)的嚴(yán)格，因?yàn)楣I(yè)用的允許輻射稍微大一些。同樣的產(chǎn)品在測試EMI中的輻射來講，在30～230 MHz下，等級CLASS B要求產(chǎn)品的輻射限值不能超過40 dBm，而等級CLASS A要求不能超過50 dBm。

1.2 測試儀器

可靠精準(zhǔn)的波形圖可以提供很好的參考依據(jù)，為解決問題提供有效的數(shù)據(jù)支撐。EMI測試過程中不僅要求能夠觀察時(shí)域波形圖，還要求能有內(nèi)建的快速傅立葉變換FFT功能來觀察信號的頻譜。頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，是一種多用途的電子測量儀器[4]。本文將使用帶有FFT功能的示波器或者頻譜分析儀，實(shí)際測量開關(guān)電源模塊是否存在EMI電磁輻射超標(biāo)，量測出對應(yīng)的頻譜能量分布，使用返馳式電路分散其能量，從而達(dá)成將EMI輻射抑制在安全的、符合要求的范圍之內(nèi)。

2 返馳式電路在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與測試

2.1 返馳式電源控制器在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

以交流轉(zhuǎn)直流返馳式控制器線路搭配立锜科技的控制芯片RT7736設(shè)計(jì)的開關(guān)電源電路為例，它的輸入電壓為90～265 VAC、輸出電壓為5 V、輸出功率為10 W。開關(guān)電源電路噪聲源頭是其工作過程中產(chǎn)生的電壓突尖和電流突尖，而突尖歸根結(jié)底的原因是能量太過于快速聚集且沒有宣泄的途徑。可以從兩個(gè)方向解決這個(gè)問題，一是從源頭將能量源打散，二是提供更多的宣泄途徑，使能量能快速透過一些有效途徑回歸GND。而返馳式電路的作用則是將這些造成突刺的能量形成過程放慢，讓現(xiàn)有的宣泄途徑能夠在其承擔(dān)的范圍內(nèi)，快速有效地消除能量。

返馳式電路由RCD電壓鉗位電路和RC緩振電路組成，常在變壓器一次側(cè)線圈和二次線圈上，如圖1中虛線框內(nèi)所示。通過RCD和RC電路，線路中的能量積聚過程相對緩慢，單位時(shí)間內(nèi)的能量降低，則EMI電磁輻射隨之下降。

2.2 返馳式電路在開關(guān)電源中的EMI抑制效果測試

2.2.1 測試環(huán)境設(shè)定

將針對開關(guān)電路部分的MOSFET電壓做FFT頻譜分析，并從頻域角度觀察各波形特性，找出能量特別突出的頻域分布。由于傳導(dǎo)電磁干擾EMI法規(guī)規(guī)范的最高頻率為30 MHz，因此將示波器的FFT頻譜范圍設(shè)定為10～30 MHz，取樣率為100 MSa/s，解析帶寬為1 kHz，獲取頻譜能量分布。

2.2.2 測試方案

由于目前電源控制器中都有內(nèi)建智能抖頻功能，開關(guān)頻率有±6%的變動(dòng)范圍[5]，使其頻率成份擴(kuò)散成柱狀而非在單一頻率上。圖2為滿載時(shí)MOSFET電壓波形的FFT頻譜，從65 kHz附近開始出現(xiàn)開關(guān)頻率及其諧波的低頻成份。滿載時(shí)，變壓器的激磁電感工作在連續(xù)導(dǎo)通模式CCM，MOSFET電壓可近似為一方波[6]。因此，在中低頻處，幅值以-20 dB/dec的斜率衰減。在5 MHz附近，幅值出現(xiàn)抬升，因?yàn)樵贛OSFET關(guān)閉瞬間，漏電感電流在MOSFET上產(chǎn)生高頻電壓突尖。

圖1 電源模塊電路

圖2 滿載時(shí)MOSFET電壓波形的FFT頻譜

當(dāng)負(fù)載減輕時(shí)，開關(guān)頻率逐漸降低，激磁電感的操作模式從連續(xù)導(dǎo)通模式CCM轉(zhuǎn)成不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM[7]。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，在輸出電流降到0.5 A時(shí)，開關(guān)頻率只有450 kHz。由于在DCM操作的關(guān)系，激磁電感和汲極電容產(chǎn)生的振鈴變化亦會(huì)反映在MOSFET電壓波形上。因此，在頻譜上也能看到在振鈴頻率f在450 kHz附近的幅值也出現(xiàn)抬升。

以上為增加返馳式電路滿載和輕載工作情況下的能量頻譜分布。這里嘗試移除RCD電壓鉗位電路進(jìn)行測試，結(jié)果如圖4所示。移除后，漏電感電流在MOSFET關(guān)閉瞬間少了一條宣泄路徑，漏電感電流全部都流進(jìn)MOSFET的輸出電容，因而產(chǎn)生更高的電壓突尖。比對圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，返馳式電路主要作用在電壓突尖的頻率5 MHz附近，衰減了10 dB，在中低頻段則無明顯變化。

2.2.3 測試數(shù)據(jù)分析

MOSFET電壓的FFT頻譜詳細(xì)測試數(shù)據(jù)，如表1所示。可以看到，沒有返馳式電路RCD和RC的作用，即便在輕載狀態(tài)下，各個(gè)頻率的電壓突刺都比較突出。返馳式電路將這些造成突刺的能量的形成過程盡可能放緩，可以從源頭減少能量，在現(xiàn)有不增加成本的情況下，將EMI噪聲或者能量抑制在一個(gè)較低范圍。

圖3 輕載時(shí)MOSFET電壓波形的FFT頻譜

圖4 輕載時(shí)未加返馳式電路的MOSFET波形

表1 三種情況比較結(jié)果

3 返馳式電路對EMI的影響和改善

通過記錄開關(guān)電源以及其返馳式電路的許多組件上電壓或電流波形頻譜，可以在頻域上看到MOSFET的RCD電壓箝位電路和輸出二極管的RC緩振電路的功效[8]。通過實(shí)驗(yàn)室EMI噪聲實(shí)際量測，證明返馳電路對MOSFET電壓頻譜上抑制幅值，在EMI頻譜上是否會(huì)有相同的效果。

由于傳導(dǎo)EMI的法規(guī)限制，在進(jìn)行FFT頻譜與EMI頻譜比對前，需先將示波器的設(shè)定調(diào)整成與EMI接收機(jī)相同。因此，將FFT頻譜范圍設(shè)為150 kHz至30 MHz，解析帶寬為9 kHz，示波器擷取時(shí)間為20 ms，取樣率設(shè)定在100 MSa/s。圖5及圖6分別為加裝返馳式電路前后MOSFET電壓頻譜比較圖和EMI頻譜比較圖，量測條件皆為輸入電壓為115 VAC、輸出電流為2 A。可以明顯觀察到，緩振電路在FFT頻譜上5 MHz附近從127 dB衰減至11 7dB，衰減約10 dB，而此衰減量同樣會(huì)呈現(xiàn)在EMI頻譜上，從50 dB衰減至40 dB，有效抑制了EMI。

通過示波器的FFT功能進(jìn)行特定頻率的EMI偵錯(cuò)，從而快速掌握電路上突尖的頻率，更有效地解決EMI問題。經(jīng)由表2比較前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，返馳式電路可以抑制電路上的電壓突尖和電流突尖，能有效降低特定頻率的EMI噪聲。

圖5 加裝前后MOSFET電壓FFT頻譜比較

圖6 加裝前后之EMI頻譜比較

表2 加裝前后頻譜比較結(jié)果

4 結(jié) 論

本文討論了開關(guān)電源實(shí)際使用設(shè)計(jì)中存在的問題，即自身開關(guān)頻率對EMI的影響，并提出了解決方案。返馳式電路的運(yùn)用可以有效解決這一問題，并通過示波器FFT快速傅立葉變換功能進(jìn)行實(shí)際量測論證，理清了噪聲頻譜分布，用實(shí)際量測數(shù)據(jù)證明了返馳式轉(zhuǎn)換電路在不同開關(guān)頻率下和不同的輸入輸出電流的實(shí)際使用情況下，實(shí)現(xiàn)了EMI抑制的可靠性和有效性。