小功率反激電源作為市場上最為成熟的電源之一,，在電力電子行業(yè)占據(jù)相當(dāng)大的比重,。目前介紹開關(guān)電源電磁兼容的文章很多，不過考慮到市場化,，小功率反激電源只用一級EMI濾波,，無散熱片，還有很重要的一點(diǎn),，要考慮可生產(chǎn)性,。這與單純的電磁兼容研究有很大區(qū)別，本文將從工程和生產(chǎn)的角度出發(fā)來闡述小功率反激電源EMI抑制方法,。
1 主要測試標(biāo)準(zhǔn)
目前世界各個國家和組織都對電子產(chǎn)品的EMI限值做出相應(yīng)的規(guī)定,，比較典型的標(biāo)準(zhǔn)有：美國聯(lián)邦通信委員會的FCC第15部分;國際電工技術(shù)委員會中TC77的IEC61000部分;國際無線電干擾特別委員會CISPR的CISPR22(信息技術(shù)設(shè)備);歐盟的EN55022(信息技術(shù)設(shè)備);中國的 GB9254-1998(信息技術(shù)設(shè)備)是從CISPR的CISPR22轉(zhuǎn)換而來的。標(biāo)準(zhǔn)中對A類設(shè)備和B類設(shè)備分別作了相應(yīng)的要求,，如下表 [1]：
表1 A類傳導(dǎo)限值,。
表2 B類傳導(dǎo)限值。
注：A類設(shè)備：用于貿(mào)易,，工業(yè),，商業(yè)環(huán)境的設(shè)備;B類設(shè)備：用于居住環(huán)境的設(shè)備。
2 抑制措施
電磁干擾(Electro Magnetic Interference),，有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種,。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合到另一個電網(wǎng)絡(luò)。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合到另一個電網(wǎng)絡(luò),。差模干擾和共模干擾是主要的傳導(dǎo)干擾形態(tài),，而功率變換器的傳導(dǎo)干擾以共模干擾為主。差模噪聲主要由大的di/dt與雜散電容引起;共模噪聲則主要由較高的dv/dt與雜散電感相互作用而產(chǎn)生的高頻振蕩引起,。
形成電磁干擾的條件有三：A：向外發(fā)送電磁干擾的源—噪聲源 B：傳遞電磁干擾的途徑—噪聲耦合和輻射 C：承受電磁干擾(對噪聲敏感)的客體—受擾設(shè)備2.1 EMI濾波器的選擇選用
圖1是開關(guān)電源常用的一級EMI 濾波器的電路,。圖中的L1為共模扼流圈，Cx,、CY1,、CY2為安規(guī)電容，對于小型開關(guān)電源來講,，由于體積的限制,，很多時(shí)候會將CY1、CY2會省略掉的，甚至連L1也會省去,。圖中 共模扼流圈L1的兩個線圈匝數(shù)相等,，方向相同，這兩個電感對于差模電流和主電流所產(chǎn)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(chǎn)生的磁通方向相同,，有相互加強(qiáng)的作用,，每一線圈電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍，從而得到一個高阻抗,，起到良好的抑制作用,。共模電感兩邊感量不相等形成的差模電感L2一起與Cx電容組成一個低通濾波器，用來抑制電源線上存在的差模干擾信號,。CY1與CY2的存在是給共模噪聲提供旁路,，同時(shí)與共模電感一起，組成LC低通濾波器,。共模噪聲的衰減在低頻時(shí)主要由電感起作用,，而在高頻時(shí)大部分由電容CY1及CY2起作用。同時(shí),，在安裝與布線時(shí)應(yīng)當(dāng)注意:濾波器應(yīng)盡量靠近設(shè)備入口處安裝, 并且濾波器的輸入和輸出線必須分開,，防止輸入端與輸出端線路相互耦合，降低濾波特性,。濾波器中電容器導(dǎo)線應(yīng)盡量短,，以防止感抗與容抗在某頻率上形成諧振。
圖1 一級EMI 濾波器電路,。
濾波器的抑制作用是用插入損耗來度量的,。插入損耗A用分貝(dB)表示，分貝值愈大,， 說明抑制噪聲干擾的能力愈強(qiáng),如式(1)所示：
工程設(shè)計(jì)時(shí)通過測量計(jì)算出需要設(shè)定的插入損耗值,，得出轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)，然后根據(jù)轉(zhuǎn)折頻率設(shè)計(jì)電感電容參數(shù),，如式(2)：
不過注意,，不是所有的濾波器都能使電磁干擾減小，有的還會更嚴(yán)重,。因?yàn)闉V波器會產(chǎn)生諧振,從而產(chǎn)生插入增益,。插入增益不僅不會使干擾減小,而且還使干擾增強(qiáng)。這通常發(fā)生在濾波器的源阻抗和負(fù)載阻抗相差很大時(shí),，插入增益的頻率在濾波器的截止頻率附近,。解決插入增益的方法：一個是將諧振頻率移動到?jīng)]有干擾的頻率上,，另一個使增加濾波器的電阻性損耗(降低Q值)。比如在差模電感上并聯(lián)電阻,或在差模電容上串聯(lián)電阻,。
2.2 輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的優(yōu)化
輸入與輸出濾波網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)兩個功能,，第一是能量存儲與轉(zhuǎn)換，第二是減小高頻諧波與共模干擾,。 實(shí)際電路等效為電容,、等效電感、等效電阻的串聯(lián),。在高頻情況下，大電容的等效寄生參數(shù)起主要作用,，無法給高頻傳導(dǎo)噪聲提供有效衰減,。這時(shí)候可以選擇 型濾波，將一個大電容和一個小電容并聯(lián)起來使用,，大電容抑制低頻干擾,、小電容抑制高頻干擾。不過,，將大容量電容和小容量電容并聯(lián)起來的方法,，會在某個頻率上出現(xiàn)旁路效果很差的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诖箅娙莸闹C振頻率和小電容的諧振頻率之間,，大電容呈現(xiàn)電感特性(阻抗隨頻率升高增加),，小電容呈現(xiàn)電容特性,實(shí)際是一個LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這個LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在會在某個頻率上發(fā)生并聯(lián)諧振,，導(dǎo)致其阻抗最大,，這時(shí)電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際已經(jīng)失去旁路作用。如果剛好在這個頻率上有較強(qiáng)的干擾,，就會出現(xiàn)干擾問題,。
2.3 緩沖電路的應(yīng)用
開關(guān)電源的干擾按噪聲源種類分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。輸入電流中的高次諧波在電路中采用共模扼流圈來抑制,，而對于尖峰干擾,，除了在源頭上減小漏感，選擇快恢復(fù)二極管來減小尖峰外,，最常見的就是開關(guān)管加RCD箝位電路與輸出二極管加RC吸收電路,。RCD箝位電路用于抑止由于變壓器初級漏感在開關(guān)管關(guān)斷過程中產(chǎn)生的電壓尖峰。RC吸收電路用于抑制二極管關(guān)斷時(shí)變壓器次級漏感與二極管反向恢復(fù)引起的電壓尖峰,。不過這些緩沖電路是通過消耗功率來達(dá)到抑制目的,，因此需要根據(jù)實(shí)際需求選擇使用。
2.4盡量縮小高頻環(huán)路面積
一般小功率反激電源有四部分需要注意環(huán)路面積：
A：初級開關(guān)環(huán)路(MOS管,，變壓器,，輸入電容)
B：次級開關(guān)環(huán)路(變壓器，輸出二極管，輸出電容)
C：RCD環(huán)路(R,，C,，D，MOS管,，變壓器)
D：輔助電源環(huán)路(變壓器,，二極管，電容)
因?yàn)椴钅ｋ娏髁鬟^導(dǎo)線環(huán)路時(shí),，將引起差模輻射如式(3)表示[2]：
同時(shí),，由于接地電路中存在電壓降，某些部位具有高電位的共模電壓,，當(dāng)外接電纜與這些部位連接時(shí),，就會在共模電壓激勵下產(chǎn)生共模電流，從而產(chǎn)生共模輻射干擾如式(4)表示[2]：
所以,，在高頻環(huán)路上,，在滿足可靠性的情況下，高頻電流回路越小越好,，以減小引起差模輻射的環(huán)路面積,。并且環(huán)路的導(dǎo)線應(yīng)當(dāng)盡量地短，以減小引起共模輻射的環(huán)路導(dǎo)線長度,。
2.5優(yōu)化地線設(shè)計(jì)
由于地線存在阻抗,，地線電流流過地線時(shí),就會在地線上產(chǎn)生電壓。細(xì)而長的導(dǎo)線呈現(xiàn)高電感,如式(5)[2],，其阻抗隨頻率的增加而增加：
在設(shè)計(jì)小功率電源電路時(shí),往往運(yùn)用單點(diǎn)接地與浮地,，將地線作為所有電路的公共地線,因此地線上的電流成份很多,電壓也很雜亂，這時(shí)候就需要注意相對減小高頻回路地線的長度,，以減小共模噪聲,。2.6屏蔽的應(yīng)用
在小功率反激電源中，變壓器是一個很大的噪聲源,。它作為噪聲產(chǎn)生源[3]：
A：功率變壓器原次邊存在的漏感,，漏電感將產(chǎn)生電磁輻射干擾。
B：功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流,，在周圍形成高頻電磁場,，產(chǎn)生輻射干擾。
C：變壓器漏感的存在使得在開關(guān)管開關(guān)瞬間,，形成電壓尖峰,，產(chǎn)生電磁干擾。
作為傳播途徑：隔離變壓器初次級之間存在寄生電容,，高頻干擾信號通過寄生電容耦合到次邊,。 對于變壓器的漏感,，可以通過三明治繞法等改變工藝結(jié)構(gòu)改善，也可以通過改變變壓器性能設(shè)計(jì)來減小,，對于變壓器繞組的分布電容可以通過改進(jìn)繞制工藝和結(jié)構(gòu),、增加繞組之間的絕緣、采用屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容,。從工程角度來說,，特別是對于某些已經(jīng)面世而為了提高市場競爭力選擇提高EMI要求作為突破口的產(chǎn)品來說，改變變壓器性能設(shè)計(jì)肯定影響重大,，而改變工藝結(jié)構(gòu)也影響到生產(chǎn)甚至性能,。屏蔽是生產(chǎn)延續(xù)性最好與總體影響性最小的一種方法。
屏蔽對于干擾的抑制作用用屏蔽效能來衡量,，屏蔽效能A主要由吸收損耗與反射損耗來表示,，總損耗越大，屏蔽體對電磁干擾的抑制能力越強(qiáng),，如式(6)表示[2]。
從吸收損耗的公式可以得出以下結(jié)論：
屏蔽材料越厚,，吸收損耗越大;屏蔽材料的磁導(dǎo)率越高,，吸收損耗越大;屏蔽材料的電導(dǎo)率越高，吸收損耗越大;被屏蔽電磁波的頻率越高,，吸收損耗越大,。
干擾源為電場輻射源時(shí)反射損耗 [2]，如式(7)：(近場波,，高阻抗場)
干擾源為磁場輻射源時(shí)反射損耗 [2],，如式(8)：(近場波，低阻抗場)
干擾源為電場源或者磁場源時(shí)反射損耗 [2],，如式(9)：(遠(yuǎn)場波)
從反射損耗的公式可以得出以下結(jié)論：
屏蔽材料的磁導(dǎo)率越低,，吸收損耗越大;屏蔽材料的電導(dǎo)率越高，吸收損耗越大,。
從以上我們可以得出結(jié)論：
A：低頻：吸收損耗很小,，屏蔽效能主要決于反射損耗。而反射損耗與電磁波的性質(zhì)關(guān)系很大,，電場波的屏蔽效能遠(yuǎn)高于磁場波,。
B：高頻：隨著頻率升高，電場波的反射損耗降低,，磁場波的反射損耗增加,，吸收損耗增加，當(dāng)頻率高到一定程度時(shí),，屏蔽效能主要由吸收損耗決定,。
C：距離的影響：距離電場源越近,，則反射損耗越大。對于磁場源,，則正好相反,。要獲得盡量高的屏蔽效能，屏蔽體應(yīng)盡量靠近電場輻射源,，盡量遠(yuǎn)離磁場輻射源,。
2.7磁珠的應(yīng)用
磁珠由鐵氧體組成，它把交流信號轉(zhuǎn)化為熱能,，當(dāng)導(dǎo)線中流過電流時(shí),，它對低頻電流幾乎沒有什么阻抗，但對高頻電流會有較大的衰減作用,。磁珠抑制能力與它的長度成比例,。不過磁珠的運(yùn)用會提高產(chǎn)品溫升，同時(shí)降低產(chǎn)品的可生產(chǎn)性,，對于高功率密度的小功率電源來說,，盡量避免使用。
2.8減緩驅(qū)動
增大MOS管驅(qū)動電阻,，使得MOS管的開通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間增加,，使dv/dt值變小。不過這種方式會增加開關(guān)管的開關(guān)損耗,，只有在沒有其他有效解決辦法時(shí)推薦使用,。比如MORNSUN公司的LH15XX某型號，在確定不能更改變壓器結(jié)構(gòu)與PCB布局情況下,，只有增大驅(qū)動電阻,，犧牲少許的效率來換取輻射干擾達(dá)到EN55022 CLASS B指標(biāo)。
3 案例
圖2是采用無錫硅動力(Si-power)SP56XX系列芯片(含抖頻,，降頻和跳頻技術(shù))做的小功率模塊電源產(chǎn)品(37*23*15mm),，功率為5W，開關(guān)頻率65KHz,通過精心的設(shè)計(jì),，在沒有圖1中輸入EMI濾波電路和無Y電容的情況下,，使產(chǎn)品的傳導(dǎo)和輻射指標(biāo)分別滿足class A級和B級的要求，并能滿足最新的能源之星V的標(biāo)準(zhǔn),，圖3,、圖4是該產(chǎn)品的EMI測試圖(產(chǎn)品通過了UL/CE認(rèn)證)。由于電路簡單,，元件少,，該系列電源在批量生產(chǎn)時(shí)不良率僅為50PPM。
4 結(jié)論
高功率密度是電源發(fā)展的一個方向,，小功率反激電源也一樣,。不過由于小功率電源要求體積小,，成本低，它的EMI設(shè)計(jì)受到體積,、熱設(shè)計(jì)和易生產(chǎn)性等方面的影響,，可以發(fā)揮的空間已經(jīng)很小。需要設(shè)計(jì)人員從開始階段就要注意PCB布局,，注重電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輸入輸出濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),，優(yōu)化變壓器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中期通過更改輸入EMI濾波器參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試,，調(diào)試沒有效果的情況下通過增加磁珠,，改變驅(qū)動等犧牲其他性能的方式達(dá)到傳導(dǎo)和輻射指標(biāo)。