針對(duì)共模雷電沖擊試驗(yàn)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

摘要： 雷電沖擊是造成過(guò)應(yīng)力最普遍的原因。一些消費(fèi)電子設(shè)備，例如機(jī)頂盒和DVD播放器，通常都會(huì)含有調(diào)諧接收器。當(dāng)交流電源線(xiàn)或者天線(xiàn)受到雷擊時(shí)，雷電沖擊就會(huì)通過(guò)這些通路在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)電壓或者過(guò)電流現(xiàn)象。本文向開(kāi)關(guān)電源(SMPS)電路的設(shè)計(jì)者提供一些建議，指導(dǎo)如何恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)SMPS以避免由雷擊造成的故障或者破壞。
關(guān)鍵詞： 雷電沖擊；SMPS；變壓器

引言

    消費(fèi)電子產(chǎn)品制造商在產(chǎn)品量產(chǎn)之前，通常都對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行雷擊試驗(yàn)，以確保設(shè)備不會(huì)在工作時(shí)被雷擊中斷工作甚至損壞。本文向開(kāi)關(guān)電源(SMPS)電路的設(shè)計(jì)者提供一些建議，指導(dǎo)如何恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)SMPS以避免由雷擊造成的故障或者破壞。

雷電沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)概述

    歐洲標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-5和日本標(biāo)準(zhǔn)JEC210/212是目前兩種主要的雷電沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。表1顯示了兩種標(biāo)準(zhǔn)之間的差別。

    圖1顯示了雷擊試驗(yàn)的電流波形。對(duì)于一個(gè)8~20ms的波形，T1 = 8ms、T2 = 20ms。通常，試驗(yàn)中沖擊電壓的范圍從±2kV到±16kV，步長(zhǎng)為±2kV，施加在電源線(xiàn)之間或一條電源線(xiàn)與被測(cè)設(shè)備(EUT)機(jī)架的地之間，即L-N、L-G和N-G。沖擊的功率直接加載到EUT中的SMPS 上，因此必須保證SMPS不會(huì)被毀壞，并且在沖擊電壓被施加后還能正常工作。在1990年代初IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)以前，大多數(shù)設(shè)備制造商使用的都是JEC210/212標(biāo)準(zhǔn)。之后，IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛應(yīng)用。

試驗(yàn)環(huán)境

    圖2顯示了雷電沖擊試驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境。使用帶有外部SMPS適配器的LCD TV作為EUT。雷電沖擊發(fā)生器是一個(gè)能產(chǎn)生特定波形的理想電壓源，它有一個(gè)固定的輸出阻抗，參見(jiàn)表1。交流電源通過(guò)隔離變壓器對(duì)SMPS適配器供電，對(duì)于差模沖擊試驗(yàn)，沖擊電壓施加在SMPS適配器的交流電源線(xiàn)之間，而對(duì)于共模沖擊試驗(yàn)，則施加在一條交流電源線(xiàn)和機(jī)頂盒調(diào)諧器的輸入插座上的地連接之間。在每個(gè)電壓步長(zhǎng)(2kV-16kV)和每種極性上，分別進(jìn)行5次試驗(yàn)。

雷擊電壓對(duì)IC的干擾

    圖3顯示了一個(gè)進(jìn)行雷擊試驗(yàn)的電路實(shí)例。此電路由一個(gè)帶有CoolSET-F3 PWM控制器的反向轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。沖擊信號(hào)施加在零線(xiàn)和地平面之間。圖中顯示了可能的沖擊電流通路，T1、T2和T3 。I1 是通過(guò)位于零線(xiàn)和地之間的Y型電容CY1的電流。通常I1 在橋式整流器前就被限制，因此PWM IC無(wú)法檢測(cè)。I2 是通過(guò)EMI電容C4的電流，I3 是從變壓器次級(jí)線(xiàn)圈的地到初級(jí)線(xiàn)圈的地之間的電流。如圖所示，I2 和I3 可能會(huì)對(duì)IC GND產(chǎn)生潛在的影響，具體取決于PCB的設(shè)計(jì)。如果IC有引腳直接連到儲(chǔ)能電容正極的高電壓上，則I4也會(huì)對(duì)IC產(chǎn)生影響。

    假設(shè)Z是粉紅色的PCB引線(xiàn)的阻抗，則IC引腳1(Softs)和引腳8(GND)之間的電壓為：
Vsofts_GND=VC7+Z·(I2+I3)  (1)
    其中，VC7 是軟啟動(dòng)電容C7兩端的電壓。在雷擊發(fā)生時(shí)，它能夠被當(dāng)作一個(gè)固定的電壓。由公式(1)可以看出，IC檢測(cè)到由I2 和I3引起的噪聲電壓。在FB到GND、Vcc到GND和Isense到GND這些IC的引腳電壓上，也出現(xiàn)了同樣的情況。如果噪聲電壓過(guò)高，IC可能會(huì)進(jìn)入像保護(hù)模式這樣的錯(cuò)誤狀態(tài)，甚至被損壞。

針對(duì)雷電沖擊試驗(yàn)的SMPS設(shè)計(jì)考慮

    PCB的主要地線(xiàn)設(shè)計(jì)。IC引腳是否會(huì)檢測(cè)到噪聲信號(hào)，與PCB的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。因此PCB設(shè)計(jì)的方針就是將I2 和I3分流到不會(huì)被IC檢測(cè)到的其它路徑上。建議對(duì)下列地線(xiàn)使用“星形”連接，它們是小信號(hào)IC 地線(xiàn)；大電流CS地線(xiàn)；輸入橋式整流器地線(xiàn)；MOSFET散熱器地線(xiàn)；Y電容地線(xiàn)(如果Y電容被連接在變壓器初級(jí)線(xiàn)圈地線(xiàn)和次級(jí)線(xiàn)圈地線(xiàn)之間)；變壓器輔助繞組地線(xiàn)。如圖4所示，這些地線(xiàn)被分開(kāi)連接，并在儲(chǔ)能電容的負(fù)極相連。

    使用圖4中所示的適當(dāng)?shù)男切芜B接后，I2和I3將不再通過(guò)綠色的PCB引線(xiàn)，因此IC引腳間的電壓上不會(huì)再出現(xiàn)任何噪聲信號(hào)。

    在某些情況下，由于在正常工作時(shí)，信噪比太低，因此輔助繞組的地線(xiàn)必須直接連接到IC的地引腳，這樣I3在雷擊時(shí)不可避免地會(huì)影響IC管腳。在這種情況下，一種提高對(duì)雷電噪聲抵抗能力的方法就是將與輔助繞組的地相連的PCB引線(xiàn)設(shè)計(jì)得盡可能粗，以得到較低的阻抗Z。

    初級(jí)線(xiàn)圈GND和次級(jí)線(xiàn)圈GND之間的Y電容。圖4中Y電容C4的作用是旁路EMI噪聲。除了連到初級(jí)線(xiàn)圈的地之外，有時(shí)也能將C4連到儲(chǔ)能電容的正極來(lái)達(dá)到旁通EMI噪聲的目的。這樣做將雷電沖擊電流I2分流到儲(chǔ)能電容的正極，不會(huì)再對(duì)IC地電平產(chǎn)生影響。但是，如果出于其它的考慮而不能實(shí)現(xiàn)，那么C4就只能被連到初級(jí)線(xiàn)圈的地端，因此就必須使用上星形連接。

    變壓器隔離和屏蔽。I3電流的大小由變壓器的隔離電壓決定。如果變壓器的隔離電壓低于雷擊電壓，則會(huì)在初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈之間發(fā)生瞬時(shí)擊穿，并且會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。除此之外，很大的沖擊電流還會(huì)對(duì)IC造成干擾，次級(jí)整流器的二極管也會(huì)在瞬時(shí)擊穿時(shí)承受很高的電壓應(yīng)力，甚至被毀壞。因此，建議使變壓器的隔離電壓高于雷電沖擊試驗(yàn)電壓。

    變壓器屏蔽有助于減小初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈之間的寄生電容，屏蔽層插入到初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈之間，并連接到儲(chǔ)能電容的正極。由于屏蔽層更靠近次級(jí)線(xiàn)圈，因此次級(jí)線(xiàn)圈的GND與屏蔽層之間的寄生電容要大于次級(jí)線(xiàn)圈的GND與輔助繞組之間的電容。因此在雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)，雷電沖擊電流更可能通過(guò)屏蔽層流入儲(chǔ)能電容的正極，而不會(huì)流入初級(jí)線(xiàn)圈的GND，從而對(duì)IC GND造成影響。

其他

    大多數(shù)的IC管腳上有一個(gè)濾波電容，來(lái)抑制由雷擊所引起的RF噪聲。這一電容應(yīng)盡可能地靠近IC引腳以得到更好的性能。

    一些像ICE3A(B)S02這樣的IC上集成了啟動(dòng)單元。如圖3所示，雷擊電流也可能會(huì)流入儲(chǔ)能電容的正極。如果啟動(dòng)單元的引腳直接連接到了儲(chǔ)能電容的正極上，則沖擊噪聲將會(huì)通過(guò)在儲(chǔ)能電容正極與啟動(dòng)單元相連的PCB引線(xiàn)發(fā)射出去。因此必須使這根引線(xiàn)盡可能細(xì)，并與其它的小信號(hào)引線(xiàn)保持足夠的距離。如果無(wú)法滿(mǎn)足上面的要求，則可以在儲(chǔ)能電容的正極和啟動(dòng)電路單元的引腳之間連接一個(gè)100kW的電阻。