小功率開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾的分析

摘要： 針對便攜式小功率開關(guān)電源領(lǐng)域中， 由于受體積和成本壓力限制而無法增加電磁兼容專用濾波器， 導(dǎo)致電源電磁兼容性較差的問題， 首先分析了開關(guān)電源機(jī)理和傳導(dǎo)干擾信號的種類和來源； 然后對“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”等方面問題進(jìn)行了研究， 得出了在不增加額外電路的情況下， 將傳導(dǎo)干擾抑制在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍的改進(jìn)措施； 最后對一5W的小功率開關(guān)電源產(chǎn)品進(jìn)行整改， 將其傳導(dǎo)干擾強(qiáng)度降低11 dBuV 并通過認(rèn)證。研究結(jié)果表明， 該措施對抑制小功率開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾信號是有效的。

0 引 言

20世紀(jì)90年代， 隨著單芯片控制開關(guān)電源的問世， 開關(guān)電源式適配器也以強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭超越了工頻變壓器式適配器。這個(gè)現(xiàn)象在充電電池用的便攜式充電器領(lǐng)域更是明顯的得以體現(xiàn)。雖然開關(guān)電源的電磁兼容性很差， 但是因?yàn)槠渚哂畜w積小、質(zhì)量輕、效率高、集成度大、性價(jià)比高、外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)， 仍然被工程師們所青睞。隨之而來也產(chǎn)生了許多電磁兼容（ EMC）問題。針對這些問題， 工程師們設(shè)計(jì)了很多解決EMC干擾的專用濾波器。而在便攜式充電器領(lǐng)域， 雖然EMC 濾波器能有效地解決小功率開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾問題， 但是因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)僅只能容納小功率開關(guān)電源本身， 同時(shí)企業(yè)也無法承受增添EMC濾波器所帶來的成本上的增加， 所以要解決小功率開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾就只能從電源內(nèi)部開始。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。

通常分析EMC問題都要從干擾源、耦合路徑及敏感設(shè)備上尋找解決的方法， 但是在電源領(lǐng)域， 耦合路徑與敏感設(shè)備都是未知的， 所以只能通過分析干擾源（即電源）來解決[ 3] .本研究通過分析小功率開關(guān)電源產(chǎn)品的通用機(jī)理和干擾信號的來源， 尋求一些能夠有效抑制小功率電源傳導(dǎo)干擾信號的通用措施。

1 開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾分析

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

1. 1 小功率開關(guān)電源的通用機(jī)理分析

目前， 小功率開關(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 開關(guān)電源原理框圖

市電經(jīng)過一次整流濾波后變成直流電壓， 送到開關(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)電壓值比對后得出一個(gè)脈沖占空比的相應(yīng)改變動(dòng)作。在開關(guān)動(dòng)作過程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲， 它們通過電源線以共?；蛘卟钅７绞较蛲鈧鲗?dǎo)。此外， 開關(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)部電子電路過程中也會(huì)產(chǎn)生干擾。所以在設(shè)計(jì)一款開關(guān)電源之初就應(yīng)該考慮到電磁干擾。

1. 2 傳導(dǎo)干擾信號分析

傳導(dǎo)干擾信號主要分為： 差模信號和共模信號。

差模傳導(dǎo)干擾信號是由開關(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)過電源進(jìn)線流入開關(guān)電源， 經(jīng)過中線流出開關(guān)電源進(jìn)入電網(wǎng)。在開關(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)一般起始于開關(guān)芯片或功率管的外殼， 經(jīng)過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

本研究先對影響電源傳導(dǎo)干擾的主要電路進(jìn)行分析， 再提出針對整流電路設(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題的改進(jìn)措施。

2. 1 整流電路濾波器

在開關(guān)電源中， 工頻交流電流經(jīng)過整流橋后， 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)也產(chǎn)生射頻干擾。

缺少一次整流濾波電路的測試結(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， 就需要在整流過后增加一級濾波電路。

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的共模成分， 也可以抑制干擾信號的差模成分。

2. 2 高頻變壓器的選擇

一個(gè)小功率開關(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)制開關(guān)電源的工作頻率通常為20 kHz~ 400 kHz。這樣就可以將激勵(lì)源看成周期性的信號， 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（ EM I）干擾的主要措施有：① 可以選擇形狀偏長的變壓器磁芯， 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將變壓器的初級繞組繞在最里層， 以便獲得最短的每匝線包導(dǎo)線長度， 減小初級繞組的分布電容；③ 功率管的漏級連接初級繞組起始部分， 減小開關(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

在小功率開關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中， 對高頻變壓器原邊繞組一般需要在并聯(lián)的鉗位回路里面串聯(lián)一個(gè)快恢復(fù)的二極管來保證對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關(guān)管開關(guān)過程中出現(xiàn)的電壓尖峰， 從而抑制了電壓尖峰引起電流急劇變化而產(chǎn)生的射頻干擾的作用。在為該鉗位二極管選型時(shí)主要根據(jù)可能出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓極性來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

在小功率開關(guān)電源中， 由于結(jié)構(gòu)的不一樣， 線路板的外形也是各不一樣； 同時(shí)體積較小， 器件選型時(shí)對參數(shù)的要求較為苛刻。所以對整體的布局要求盡可能地按照電路原理中電流的流向來安排， 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的流通， 同時(shí)也便于在生產(chǎn)過程中檢查、調(diào)試以及檢修。而針對變壓器體積小， 引腳與引腳之間空隙不大， 初級和次級的距離較小， 在線路板空間允許的情況下， 將初級和次級之間的線路板挖空。這樣比直接線路板連接會(huì)增加爬電距離2~ 3倍。

2. 5 地線回路設(shè)計(jì)

在小功率開關(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， 以至于產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾信號。但產(chǎn)品一般不增加屏蔽器件， 甚至有些產(chǎn)品的功率管都不加散熱片， 其產(chǎn)生的熱量通過線路板直接散發(fā)， 其產(chǎn)生的干擾信號幅度明顯增加， 因此更要合理處理好地線回路的設(shè)計(jì)。合理的地線回路主要是通過對電流流向的分析來選擇， 依據(jù)有： ①地線中的電流是否通過了與此電流無關(guān)的其他電路或?qū)Ь€； ②有沒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)接地為主要設(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PMM L2??16A,EM I接收機(jī)為PMM9010） 對其進(jìn)行預(yù)測試， 采用的測試標(biāo)準(zhǔn)為GB55014,，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 預(yù)測試結(jié)果

從圖4中可以看出在2 MH z頻率點(diǎn)附近最大超出為5 dBuV.為保證能夠順利通過認(rèn)證機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室測試， 一般要求預(yù)測試結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)限制低2 dBuV,希望盡量能夠比標(biāo)準(zhǔn)限值低6 dBuV.所以從圖4可知該產(chǎn)品的預(yù)測試結(jié)果并不理想。初步分析測試圖，可能性最大的原因是開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的干擾把2MH z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)射測試中， 1 MH z~2MH z的頻率信號干擾是由共模電流產(chǎn)生的占主要分量[ 10] .所以初步定性為電流回路對參考地形成的干擾信號。為了能夠一次性解決問題以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值要求， 把可能出現(xiàn)問題的地方都加以改進(jìn)， 本研究提出了解決方案： ①按照上述措施對線路板進(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)增大開關(guān)管與變壓器之間距離。② 變壓器初級增加并聯(lián)旁路濾波電容， 并聯(lián)電容值為1 000 pF /1 kV, 用來降低干擾信號對共模電流回路產(chǎn)生的影響。

圖5 線路板布局對比

圖6 初步整改測試結(jié)果

從圖6測試的結(jié)果分析可知， 在2MHz附近干擾信號幅值相對原先的最大降幅為5 dBuV, 但是在0. 8MHz~1MH z頻率領(lǐng)域干擾幅度有所增加， 峰值較為靠近標(biāo)準(zhǔn)限值。雖然預(yù)測試的結(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. 2 k電阻， 用以防止濾波電感的磁飽和現(xiàn)象， 同時(shí)也相當(dāng)于增加了一條濾波旁路；② 將鉗位二級管由1N 5819換成1N4007, 利用二極管自身的壓降變大和恢復(fù)速度變慢來抑制開關(guān)管尖峰引起的電流變化。

最后測試結(jié)果如圖7（ a）所示。

圖7 預(yù)測試與檢測機(jī)構(gòu)測試結(jié)果對比圖

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

整改過程一般是在產(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題（主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)品開發(fā)時(shí)間， 也能有效確保通過認(rèn)證測試。

4 結(jié)束語

本研究通過分析小功率開關(guān)電源的通用機(jī)理和傳導(dǎo)干擾信號的信號源， 得出了針對“整流濾波器電路設(shè)計(jì)、變壓器材料和參數(shù)的選擇、鉗位二極管選擇以及線路板的布局和地線回路的設(shè)計(jì)”方面問題的改進(jìn)措施。同時(shí)通過該措施的指導(dǎo)， 為一5W 小功率開關(guān)電源產(chǎn)品進(jìn)行整改， 并將其傳導(dǎo)干擾信號強(qiáng)度降低了11 dBuV而且通過了認(rèn)證。隨著時(shí)間的推移， 高頻小功率開關(guān)電源會(huì)更多地滲透到各種電子電器領(lǐng)域， 由此帶來的電磁干擾問題也會(huì)越來越突出。所以抑制傳導(dǎo)干擾將成為小功率開關(guān)電源電磁兼容性問題中一個(gè)比較重要的方面。如果能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初， 能夠?qū)⒁种齐姶鸥蓴_方法考慮進(jìn)去， 在產(chǎn)品輸出過程中， 引進(jìn)預(yù)測試方案， 這樣不但能夠減少由電磁干擾所帶來的危害， 而且可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期， 避免反復(fù)整改帶來的損失。

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