反激式開關電源實用電磁干擾設計方法

摘 要：本文敘述了反激式開關電源中電磁干擾（EMI）產生的一些原因，根據EMI產生的不同原因的理論分析，結合工程實踐當中的經驗，給出了合適的、實用的解決方法和一些關鍵參數的計算方法，對反激式開關電源的EMI工程設計有一定的實際指導意義。

關鍵詞：反激；EMI設計；開關電源

0.引言

反激式變換器由于具有一些顯著的優點，如：電路元件少、原副邊電氣隔離、對輸入電壓變化的適應性強等等，它被廣泛運用于中、小功率的AC/DC開關電源中。但同時，它也會或多或少的帶來了一些電磁干擾（EMI），因此在某些應用場合，特別是在一些對EMI比較敏感的應用場合或區域，就需要對EMI進行處理，也就是進行EMI設計。

1. 反激式變換器EMI設計

反激式開關電源在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。由于開關管或二極管不斷的導通、關斷，導致了電路中電壓和電流的急劇變化，也就是du/dt和di/dt，這也就是產生EMI的源頭。

在一次側，當MOSFET關斷時，由于變壓器漏感Llk和MOSFET寄生電容Coss的諧振，會在MOSFET上形成很高的電壓尖峰，如圖2所示。這個電壓尖峰含有豐富的諧波，會造成嚴重的EMI，所以需要一個電路來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載條件來確定。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：

一般來說，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算得到。

在二次側，由于次級漏感Lls和輸出二極管的節電容Cd諧振，同樣會在輸出二極管上產生較大的高頻電壓尖峰，惡化電磁環境。

輸出二極管D1先不接RC吸收電路時，在最大輸入電壓、最大負載的條件下，用示波器（不打帶寬）測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一個合適的電容，使并聯電容后的二極管電壓尖峰的振蕩頻率減小為之前的一半。此時諧振頻率：

為了使諧振衰減，可以用一個電阻與C4串聯后再與輸出二極管D1并聯，這時R4的取值應滿足：

而電阻R4的功率應滿足：

其中： 為變壓器二次側電壓。

從前面的分析我們可以知道，反激變換器中一些關鍵點的電壓振蕩跟變壓器的漏感有很大關系，所以在變壓器的設計當中要處理好原副邊的耦合。在實際工程當中，變壓器繞法采用“三明治”結構是一種非常有效的方法，如圖3所示。

2.前級濾波電路設計

開關電源的干擾有差模干擾和共模干擾。在變換器設計中雖然采用各種辦法來盡量減少各種干擾的產生，但實際并不能完全消滅這些干擾。同樣，電網也并不是非常純凈，存在一些干擾。為了避免電網和變換器之間的相互干擾，就需要在電網和變換器之間加濾波電路，也就是變換器的前級濾波電路。

對于共模干擾的抑制，主要由圖1中的共模扼流圈L1和安規電容CY1、CY2來實現。其中L1的兩個線圈匝數相等，方向相同，這兩個電感對于差模電流和主電流所產生的磁通是方向相反、互相抵消的，因而不起作用；而對于共模干擾信號，兩線圈產生的磁通方向相同，有相互加強的作用，從而對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，可根據實際的EMI測試結果來調整參數。一般來說，應選用高μ值的鐵氧體磁芯和較少的線圈匝數以實現較高的感量和較小的寄生電容，但同時要避免低電壓輸入滿負載工作時磁性飽和的問題。

對于差模干擾的抑制，則主要由圖1中的L2、C2來完成。它們構成一個低通濾波器，轉折頻率：

其中：L2為差模電感，

C2為X電容。

fc 應大于交流輸入電源，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明確的范圍之內。

3.其它設計注意事項

除了上述幾個重要環節之外，還有很多其它方面是需要注意的。如：一、二次側去耦（在一二次側的靜點跨接Y電容），PCB設計，敏感元器件屏蔽等方面，都有可能影響到整個電源產品的EMI設計的成敗。因此，在反激式開關電源設計的各個方面都應該小心謹慎，不能麻痹大意。

4.小結

隨著電力電子設備在家用、商用、軍用等領域中被廣泛的使用，且各種應用領域對電子設備的EMI要求越來越高，因此電子設備的EMI設計也顯得越來越重要。本文根據理論分析及實踐經驗，給出了反激式開關電源EMI設計的實用解決方案，希望對工程實踐有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 王志強等譯：開關電源設計（第二版） 北京：電子工業出版社2005.

[2] 趙修科：開關電源中的磁性元件 遼寧科學技術出版社2014

[3] （美國）Sanjaya Maniktala：精通開關電源設計（第2版） 人民郵電出版社2008

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

作者簡介：

劉勇剛，男，1981年生，碩士研究生，畢業于華南理工大學，現供職于廣東機電職業技術學院.