0 引 言
目前,，在計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備,、通信、自動(dòng)控制,、家用電器等領(lǐng)域中大量使用高頻開(kāi)關(guān)電源" target="_blank">開(kāi)關(guān)電源，但高頻開(kāi)關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾(Electro Magnet-ic InteRFerence,，EMI),。
由于高頻開(kāi)關(guān)電源的一次整流橋是非線性器件，其形成的電流是嚴(yán)重失真的正弦半波，含有豐富的高次諧波,，形成了一系列連續(xù),、脈動(dòng)和瞬變干擾。因此,，在高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中必須考慮電磁兼容性(Electro Magnet-ic Compatbility,，EMC)的設(shè)計(jì)。
電網(wǎng)完全在自然環(huán)境中,，連接著各種電子電氣設(shè)備,，有著復(fù)雜的電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程，可能會(huì)引起一些問(wèn)題：外來(lái)噪聲使高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)備的控制電路出現(xiàn)誤動(dòng)作,；通信設(shè)備由于高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)備的噪聲而出現(xiàn)誤動(dòng)作,；高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)備對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生噪聲污染；高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)備向空間散發(fā)噪聲,。
根據(jù)上述情況,，針對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源存在的缺點(diǎn)，在此對(duì)其電路及印制電路板(Printed Circuit Board,，PCB)進(jìn)行了電磁兼容性的設(shè)計(jì)研究,。
1 高頻開(kāi)關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)
1．1 高頻開(kāi)關(guān)電源主電路組成
高頻開(kāi)關(guān)電源主電路組成框圖如圖1所示，它由輸入濾波電路,、高頻逆變電路,、輸出整流電路及輸出直流濾波電路等組成。
1．2 輸入濾波電路的EMC設(shè)計(jì)
輸入濾波電路的EMC設(shè)計(jì)如圖2所示,。
VD2為瞬態(tài)電壓抑制二極管,，Rv1為壓敏電阻，它們都具有很強(qiáng)的瞬變浪涌吸收能力,，能很好地保護(hù)后級(jí)元?dú)饧螂娐访庠饫擞侩妷旱钠茐?。Z1為直流抗電磁干擾濾波器，必須良好接地,，且接地線要短,。L1和C1組成低通濾波電路，當(dāng)L1的電感量較大時(shí),，必須增加VD1和R1形成續(xù)流回路,，以吸收L1斷開(kāi)時(shí)釋放時(shí)的電場(chǎng)能量，否則,，L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會(huì)形成EMI,。L1的磁芯使用閉合磁芯，可以避免開(kāi)環(huán)磁芯的漏磁場(chǎng)形成EMI,。C1采用大容量的電容,，可以減少輸入線上的紋波電壓,，減弱在輸入導(dǎo)線周?chē)纬傻碾姶艌?chǎng)。
1．3 高頻逆變電路的EMC設(shè)計(jì)
高頻逆變電路的EMC設(shè)計(jì)如圖3所示,。
C2,，C3，VT2,，VT3組成半橋逆變電路,，VT2，VT3為IGBT或MOSFET等開(kāi)關(guān)管,。R4和C4構(gòu)成EMI吸收回路,，或在VT2，VT3兩端并聯(lián)C5,，C6,，由于VT2，VT3開(kāi)通和關(guān)斷時(shí),，開(kāi)關(guān)時(shí)間很短以及引線電感,、變壓器漏感的存在，回路會(huì)產(chǎn)生較高的di／dt,，du／dt,，從而形成EMI。C4,，C5,，C6采用低感電容，其容量的大小由公式LI2／2=C△U2／2求得C的值(L為回路電感,，I為回路電流,，△U為過(guò)沖電壓值)。
1．4 輸出整流電路的EMC設(shè)計(jì)
輸出整流電路的EMC設(shè)計(jì)如圖4所示,。
VD6為整流二極管,，VD7為續(xù)流二極管。由于VD6,，VD7工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài),，是產(chǎn)生EMI的主要源頭。把R5,，C12和R6,，C13分別連接成VD6，VD7的吸收回路,，用于吸收其開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰,。
減少整流二極管的數(shù)量可減少EMI的能量，因此,，在同等條件下采用半波整流比全波整流和全橋整流產(chǎn)生的EMI要小,。為減少二極管的EMI,，選用具有軟恢復(fù)特性的,、反向恢復(fù)電流小的且時(shí)間短的二極管,。
1．5 輸出直流濾波電路的EMC設(shè)計(jì)
直流EMI濾波器雙端口網(wǎng)絡(luò)模型如圖5所示，其混合參數(shù)方程為：
式中：g11為輸入導(dǎo)納,；g22為輸出阻抗,；g12為反向電流增益；g21為正向電壓增益,。
由式(1)可以等效出如圖6所示的原理圖,。
直流EMI濾波器的設(shè)計(jì)必須滿足以下的要求：
(1)要保證濾波器在濾波的同時(shí)不影響電源的帶負(fù)載能力；
(2)對(duì)于輸入的直流分量,，要求濾波器盡量不造成衰減,；
(3)對(duì)于諧波分量，濾波器要有良好的濾波效果,。
結(jié)合混合參數(shù)方程及等效原理圖,，根據(jù)第一條要求，應(yīng)使濾波器的輸入導(dǎo)納和輸出阻抗盡可能小,，即g11=g22=0,。根據(jù)第二條要求，在低頻時(shí)反向電流增益g12和正向電壓增益g21的設(shè)計(jì)值要盡量為1,，而輸入導(dǎo)納和輸出阻抗盡可能小,，即g12=g21=1，g11=g22=0,。根據(jù)第三條要求,，在高頻時(shí)，g11,g12,g21,，g22都要盡可能的小,。根據(jù)以上的條件，輸出直流濾波電路的EMC設(shè)計(jì)電路如圖7所示,，L2,，C17,C18組成LC濾波電路，減少輸出電壓,、電流紋波的大小,，從而減小通過(guò)輻射傳播的EMI。濾波電容C17,C18應(yīng)盡量采用多個(gè)電容并聯(lián),，以減小等效串聯(lián)電阻,，從而減小紋波電壓。輸出電感L2應(yīng)盡量大,，以減小輸出紋波電流,。
C19用于濾除導(dǎo)線上的共模干擾,，選用低感電容，接線要短,。C20,，C21,C22，C23用于濾除輸出線上的差模干擾,，選用低感的三端電容,。Z2為直流濾波器，濾波器的輸入,、輸出線要屏蔽隔離,。
1．6 開(kāi)關(guān)電源印制電路板的EMC設(shè)計(jì)
印制電路板是高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，如果印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng),，由于PCB上既有小信號(hào)控制線,，又有高壓母線，還有高頻功率開(kāi)關(guān)和磁性元件,，將直接影響到電路中各元件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性,，造成電源工作不穩(wěn)定。單根導(dǎo)線的特性阻抗由直流電阻R和自感L組成,，其計(jì)算公式如下兩式所示,。
式中：l為導(dǎo)線的長(zhǎng)度；b為導(dǎo)線的寬度,。
顯然,，印制線越短，直流電阻R就越小,，同時(shí)增大印制線的寬度和厚度也可降低直流電阻R,。從式(3)可知，印制線長(zhǎng)度l越短,，自感L就越小,，而且增加印制線的寬度b也可降低自感L。多根印制線的特性阻抗除由直流電阻R和自感L組成外,，還有互感M的影響,，由互感M計(jì)算公式(4)可知，除受印制板的長(zhǎng)度和寬度影響外,，印制線的距離也起著重要作用,。
M=2l[ln 2l／(b+s)-1] (4)
式中：s為兩線之間的距離。增大兩線之間的距離可減小互感,。
由以上分析可知,，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，應(yīng)盡量降低電源線和地線的阻抗,，因?yàn)殡娫淳€,、地線和其他印制線都有電感,，當(dāng)電源電流變化較大時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大的壓降,，而地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素,，所以應(yīng)盡量縮短地線，盡量加粗電源線和地線線條,。
2 結(jié) 語(yǔ)
電磁兼容是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題,，在設(shè)計(jì)高頻開(kāi)關(guān)電源時(shí),，應(yīng)對(duì)電源可能的電磁環(huán)境進(jìn)行充分估計(jì),，盡可能全面地考慮高頻開(kāi)關(guān)電源與外界環(huán)境的耦合途徑，利用各種抑制干擾技術(shù)來(lái)消除干擾耦合,，增強(qiáng)高頻開(kāi)關(guān)電源的抗干擾能力,。主要的措施包括合適的接地，良好的搭接,，合理的布線及屏蔽,、濾波、限幅等,。只有在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮EMC的設(shè)計(jì),，才能使高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾降到最低點(diǎn)。