引言

在便攜式充電器領(lǐng)域，雖然EMC濾波器能有效地解決小功率開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾問(wèn)題，但是因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)僅只能容納小功率開(kāi)關(guān)電源本身，同時(shí)公司也無(wú)法承受增添EMC濾波器所帶來(lái)的成本上的新增，所以要解決小功率開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾就只能從電源內(nèi)部開(kāi)始。因此尋求一些不采用EMC專用濾波器又能改善電源電磁兼容性能的措施有著重要的意義。

針對(duì)便攜式小功率開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域中，由于受體積和成本壓力限制而無(wú)法新增電磁兼容專用濾波器，導(dǎo)致電源電磁兼容性較差的問(wèn)題，首先分析了開(kāi)關(guān)電源機(jī)理和傳導(dǎo)干擾信號(hào)的種類和來(lái)源;然后對(duì)“整流濾波電路設(shè)計(jì)、高頻變壓器和鉗位二極管選型、線路板布局”等方面問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出了在不新增額外電路的情況下，將傳導(dǎo)干擾抑制在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍的改進(jìn)措施;最后對(duì)一5W的小功率開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品進(jìn)行整改，將其傳導(dǎo)干擾強(qiáng)度降低11dBuV并通過(guò)認(rèn)證。研究結(jié)果表明，該措施對(duì)抑制小功率開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾信號(hào)是有效的。

1開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾分析

在國(guó)際電磁認(rèn)證方面以及國(guó)家3C認(rèn)證中，電源設(shè)備的傳導(dǎo)干擾是一個(gè)必測(cè)的指令程序。尤其是對(duì)小功率電源適配器的測(cè)試，由于功率較小，輻射干擾信號(hào)的強(qiáng)度較弱，不會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，因此測(cè)試結(jié)果幾乎僅取決于傳導(dǎo)干擾幅值。

1.1小功率開(kāi)關(guān)電源的通用機(jī)理分析

目前，小功率開(kāi)關(guān)電源的基本原理按電路結(jié)構(gòu)分為串并聯(lián)式和直流變換式，相關(guān)的框圖如圖1所示。

圖1開(kāi)關(guān)電源原理框圖

市電經(jīng)過(guò)一次整流濾波后變成直流電壓，送到開(kāi)關(guān)逆變電路。逆變電路將直流變成幾百赫茲到幾千赫茲的高頻矩形波，高頻矩形波通過(guò)高頻變壓器耦合到二次線圈以得到小電壓交流電，此交流電經(jīng)過(guò)二次整流濾波后輸出以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。同時(shí)，該輸出經(jīng)過(guò)誤差放大電路采樣取得的輸出電壓值又回饋給脈沖控制電路。脈沖控制電路將回饋的電壓值與基準(zhǔn)電壓值比對(duì)后得出一個(gè)脈沖占空比的相應(yīng)改變動(dòng)作。在開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的噪聲，它們通過(guò)電源線以共?；蛘卟钅７绞较蛲鈧鲗?dǎo)。此外，開(kāi)關(guān)電源也是一個(gè)敏感的器件，因此由電網(wǎng)侵入的外部噪聲傳遞到內(nèi)部電子電路過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)干擾。所以在設(shè)計(jì)一款開(kāi)關(guān)電源之初就應(yīng)該考慮到電磁干擾。

1.2傳導(dǎo)干擾信號(hào)分析

傳導(dǎo)干擾信號(hào)重要分為：差模信號(hào)和共模信號(hào)。

差模傳導(dǎo)干擾信號(hào)是由開(kāi)關(guān)電源和交流輸入之間的環(huán)流所造成的。這意味著差模電流將經(jīng)過(guò)電源進(jìn)線流入開(kāi)關(guān)電源，經(jīng)過(guò)中線流出開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入電網(wǎng)。在開(kāi)關(guān)電源中，大部分的差模傳導(dǎo)干擾是由功率晶體管集電極電流波形的基波和諧波造成的。

共模傳導(dǎo)干擾信號(hào)是由共模電流造成的。共模電流，即同時(shí)在相線和中線上流動(dòng)的相位相同、幅度相等的電流，其并不在交流電源中流通，也不在電源輸入之間形成環(huán)流。共模傳導(dǎo)一般起始于開(kāi)關(guān)芯片或功率管的外殼，經(jīng)過(guò)其與地的寄生電容耦合，再由高頻導(dǎo)納和輸入電源線返回。

2抑制傳導(dǎo)干擾措施

本研究先對(duì)影響電源傳導(dǎo)干擾的重要電路進(jìn)行分析，再提出針對(duì)整流電路設(shè)計(jì)、高頻變壓器選擇、鉗位二極管選擇以及線路板布局等方面問(wèn)題的改進(jìn)措施。

2.1整流電路濾波器

在開(kāi)關(guān)電源中，工頻交流電流經(jīng)過(guò)整流橋后，不再是單一頻率點(diǎn)的交流電流，而是單向的脈動(dòng)直流電流，其波形如圖2所示，利用傅里葉變換可得：

式中Im——峰值電流。

從上式可以看出，I除了一直流分量之外，還包含一系列的高頻諧波的交流分量(如圖2所示波形)。這樣不但影響了電源線上的電流，并使電流發(fā)生畸變，同時(shí)也出現(xiàn)射頻干擾。

缺少一次整流濾波電路的測(cè)試結(jié)果如圖3所示，從圖3可以看出，這個(gè)超標(biāo)的頻率點(diǎn)不是單一的而是覆蓋了整個(gè)頻段。為了濾除這些干擾，將電流的畸變減小到最小，就要在整流過(guò)后新增一級(jí)濾波電路。

其中以LC—Ⅱ型濾波電路在小功率電源中最為常用。

該濾波電路既可以抑制干擾信號(hào)的共模成分，也可以抑制干擾信號(hào)的差模成分。

2.2高頻變壓器的選擇

一個(gè)小功率開(kāi)關(guān)電源最關(guān)鍵的部件就是高頻變壓器。它在完成電平變換、電氣隔離的同時(shí)，由于本身的電感結(jié)構(gòu)，會(huì)帶來(lái)大量的高次諧波。它的漏感也是形成尖峰干擾的重要原因。脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)電源的工作頻率通常為20kHz~400kHz。這樣就可以將激勵(lì)源看成周期性的信號(hào)，又由于磁芯的非線性特性及磁芯飽和，諧波將出現(xiàn)在磁場(chǎng)和電流中。這些諧波會(huì)極大地增強(qiáng)電磁干擾。抑制其電磁干擾(EMI)干擾的重要措施有：①可以選擇形狀偏長(zhǎng)的變壓器磁芯，盡量減少所有繞組的線包層數(shù)，從而減小變壓器的漏感和繞組本身的分布電容;②將變壓器的初級(jí)繞組繞在最里層，以便獲得最短的每匝線包導(dǎo)線長(zhǎng)度，減小初級(jí)繞組的分布電容;③功率管的漏級(jí)連接初級(jí)繞組起始部分，減小開(kāi)關(guān)電源高頻變壓器電磁噪聲發(fā)射。

2.3鉗位電路上二極管的選擇

在小功率開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，對(duì)高頻變壓器原邊繞組一般要在并聯(lián)的鉗位回路里面串聯(lián)一個(gè)快恢復(fù)的二極管來(lái)保證對(duì)原邊繞組的充電和放電。同時(shí)，該二極管還可以起到抑制三極管或者功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)的電壓尖峰，從而抑制了電壓尖峰引起電流急劇變化而出現(xiàn)的射頻干擾的用途。在為該鉗位二極管選型時(shí)重要根據(jù)可能出現(xiàn)的暫態(tài)過(guò)電壓極性來(lái)選用單向極性管或雙向極性管。同時(shí)，管子的最大鉗位電壓應(yīng)低于被保護(hù)功率管的耐受水平，而管子的功率通常由抑制暫態(tài)過(guò)電壓時(shí)可能吸收的最大功率決定。

2.4線路板布局

在小功率開(kāi)關(guān)電源中，由于結(jié)構(gòu)的不相同，線路板的外形也是各不相同;同時(shí)體積較小，器件選型時(shí)對(duì)參數(shù)的要求較為苛刻。所以對(duì)整體的布局要求盡可能地按照電路原理中電流的流向來(lái)安排，并使同類元器件的方向盡量保持一致。這樣的布局不但有利于電流或信號(hào)的流通，同時(shí)也便于在生產(chǎn)過(guò)程中檢查、調(diào)試以及檢修。而針對(duì)變壓器體積小，引腳與引腳之間空隙不大，初級(jí)和次級(jí)的距離較小，在線路板空間允許的情況下，將初級(jí)和次級(jí)之間的線路板挖空。這樣比直接線路板連接會(huì)新增爬電距離2~3倍。

2.5地線回路設(shè)計(jì)

在小功率開(kāi)關(guān)電源中，功率管的導(dǎo)通和截止瞬間，電壓和電流變化尤其劇烈，以至于出現(xiàn)了嚴(yán)重干擾信號(hào)。但產(chǎn)品一般不新增屏蔽器件，甚至有些產(chǎn)品的功率管都不加散熱片，其出現(xiàn)的熱量通過(guò)線路板直接散發(fā)，其出現(xiàn)的干擾信號(hào)幅度明顯新增，因此更要合理處理好地線回路的設(shè)計(jì)。合理的地線回路重要是通過(guò)對(duì)電流流向的分析來(lái)選擇，依據(jù)有：①地線中的電流是否通過(guò)了與此電流無(wú)關(guān)的其他電路或?qū)Ь€;②有沒(méi)有其他器件或電路中的電流流入了該電路的地線。同時(shí)，因小功率的電源功率較小，一般考慮以單點(diǎn)接地為重要設(shè)計(jì)思路。

3應(yīng)用案例分析

一鎳氫電池充電器產(chǎn)品，額定功率5W.在其出廠前，用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備(人工電源網(wǎng)絡(luò)為pMML2??16A,EMI接收機(jī)為pMM9010)對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)試，采用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB55014,，其結(jié)果如圖4所示。

圖4預(yù)測(cè)試結(jié)果

從圖4中可以看出在2MHz頻率點(diǎn)附近最大超出為5dBuV.為保證能夠順利通過(guò)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，一般要求預(yù)測(cè)試結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)限制低2dBuV,希望盡量能夠比標(biāo)準(zhǔn)限值低6dBuV.所以從圖4可知該產(chǎn)品的預(yù)測(cè)試結(jié)果并不理想。初步分析測(cè)試圖，可能性最大的原因是開(kāi)關(guān)管工作時(shí)出現(xiàn)的干擾把2MHz頻率點(diǎn)附近的噪聲電平底部懸空，從而把傳導(dǎo)干擾的電平抬高。而在傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試中，1MHz~2MHz的頻率信號(hào)干擾是由共模電流出現(xiàn)的占重要分量[10].所以初步定性為電流回路對(duì)參考地形成的干擾信號(hào)。為了能夠一次性解決問(wèn)題以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值要求，把可能出現(xiàn)問(wèn)題的地方都加以改進(jìn)，本研究提出了解決方法：①按照上述措施對(duì)線路板進(jìn)行重新布局，原始布局如圖5(a)所示，圖中布局雖然按照主電流流向排布，但缺乏考慮各個(gè)子路之間的相互關(guān)系。重新布局如圖5(b)所示，在無(wú)法改變pCB板的結(jié)構(gòu)下，盡可能地將器件排列整齊，方向一致，同時(shí)增大開(kāi)關(guān)管與變壓器之間距離。②變壓器初級(jí)新增并聯(lián)旁路濾波電容，并聯(lián)電容值為1000pF/1kV,用來(lái)降低干擾信號(hào)對(duì)共模電流回路出現(xiàn)的影響。

圖5線路板布局比較

圖6初步整改測(cè)試結(jié)果

從圖6測(cè)試的結(jié)果分析可知，在2MHz附近干擾信號(hào)幅值相對(duì)原先的最大降幅為5dBuV,但是在0.8MHz~1MHz頻率領(lǐng)域干擾幅度有所新增，峰值較為靠近標(biāo)準(zhǔn)限值。雖然預(yù)測(cè)試的結(jié)果已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)限值，但是為了能一次性通過(guò)認(rèn)證就必須留出余量。再次改進(jìn)具體措施為：①在整流后的LC-Ⅱ型濾波器的電感上并聯(lián)2.2k電阻，用以防止濾波電感的磁飽和現(xiàn)象，同時(shí)也相當(dāng)于新增了一條濾波旁路;②將鉗位二級(jí)管由1N5819換成1N4007,利用二極管自身的壓降變大和恢復(fù)速度變慢來(lái)抑制開(kāi)關(guān)管尖峰引起的電流變化。

最后測(cè)試結(jié)果如圖7(a)所示。

圖7預(yù)測(cè)試與檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試結(jié)果比較圖

從預(yù)測(cè)試的結(jié)果圖7(a)中可以明顯地看出干擾信號(hào)幅值都比標(biāo)準(zhǔn)限值都要低6dBuV以上，這樣基本能確保一次性通過(guò)認(rèn)證機(jī)構(gòu)專用實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)。由寧波進(jìn)出口檢驗(yàn)檢疫局EMC實(shí)驗(yàn)室供應(yīng)的測(cè)試結(jié)果如圖7(b)所示。該結(jié)果表明產(chǎn)品已經(jīng)順利通過(guò)測(cè)試。

整改過(guò)程一般是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)后進(jìn)行的，而類似的小功率開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)最好是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就可將電磁兼容問(wèn)題(重要包括元件選型以及線路板布局和地線回路設(shè)計(jì))考慮進(jìn)去。這樣不但縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，也能有效確保通過(guò)認(rèn)證測(cè)試。

4結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果表明，該研究結(jié)果對(duì)小功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)及傳導(dǎo)干擾信號(hào)抑制上有一定的指導(dǎo)用途，在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)上有一定的實(shí)際意義。