0 引 言

　　電源裝置是電子電氣設(shè)備中所不可缺少的部件，開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">開關(guān)電源以其效率高,、體積小,、重量輕、電壓適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn),，受到相關(guān)行業(yè)的青睞,。但目前存在的缺陷是電磁騷擾" title="電磁騷擾">電磁騷擾大，對(duì)環(huán)境或?qū)ζ渌O(shè)備造成不利影響,。目前對(duì)于可變負(fù)載的開關(guān)電源,，筆者所了解到的產(chǎn)品最低輸出噪聲電壓也在70 mV以上。設(shè)計(jì)低電磁騷擾的開關(guān)電源,，也就成了許多設(shè)計(jì)人員的希望,，為此提出了種種方法。本例設(shè)計(jì)要點(diǎn)不同于常規(guī)技術(shù),，而是采取了從源頭上對(duì)電磁噪聲進(jìn)行消除,，再結(jié)合一些常規(guī)措施。將電源輸出端口的噪聲電壓降至20 mV以下,，顯著提高開關(guān)電源的電磁兼容性指標(biāo),。

　　1 開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)與降噪原理

　　該開關(guān)電源的設(shè)計(jì)目標(biāo)是穩(wěn)定20 V輸出，輸出電流0～2 A可變,，用于音響系統(tǒng),。為了突出降低電磁噪聲的處理技術(shù),，簡化電路，用單片開關(guān)電源芯片TOP224Y進(jìn)行設(shè)計(jì),。TOP224Y內(nèi)部已包含了PWM調(diào)制所需的所有電路以及激勵(lì)管輸出,，由它激勵(lì)變壓器" title="變壓器">變壓器，開關(guān)頻率為100 kHz,，內(nèi)部MOS激勵(lì)管的耐壓為700 V,，輸出功率小于45 W。電路如圖1所示,，該電路可以獲得更大的輸出功率,，只需更改部分器件。圖1中左邊的電路R1,，L1,，D1，C1至C7是常規(guī)的共模濾波" title="濾波">濾波和整流電路,，獲取約300 V的直流電壓供DC-DC變換電路使用,；最右邊電路L5，C11等是普通的LC濾波電路,；IC2,，D8，R9,，R10組成電壓反饋電路,，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定電源輸出電壓,；中間部分是DC-DC變換器,，降噪聲的關(guān)鍵是對(duì)這一部分的電路進(jìn)行適當(dāng)處理。

　　對(duì)于中間部分電路而言,，TOP224Y作為PWM控制,、激勵(lì)，都是常規(guī)處理,?？刂贫薈的工作電壓取自變壓器的反激勵(lì)電壓，其中D3是整流管,，D4是發(fā)光二極管,，用作指導(dǎo)燈。C端的反饋信號(hào)來自IC2的輸出,。芯片的漏極輸出端D連接變壓器和R1,，D2，其中R1是半導(dǎo)體壓敏電阻，與D2一起組成芯片限壓保護(hù)電路,，防止芯片因過壓而擊穿,。該項(xiàng)電路的激勵(lì)方式采用以正激勵(lì)為主的正、反混合激勵(lì)式,，變壓器有4個(gè)繞組,，其中2個(gè)是基本相似的輸出繞組n3,n4，它的同名端關(guān)系如圖2所示,。

　　DC-DC變換后的整流管使用了三只：D5,，D6和D7，沒有獨(dú)立設(shè)置續(xù)流二極管,，不同于其他電源電路。D5為續(xù)流而設(shè)置的復(fù)用二極管,，D6和是正激勵(lì)脈沖整流二極管,，D7是反激勵(lì)電壓整流二極管。L4是DC-DC變換后的第一級(jí)濾波電感,。在正激勵(lì)期間,，變壓器輸出繞組n3經(jīng)D6，L4輸出電流,，第一級(jí)濾波電感L4中電流i4增大,，同時(shí)，變壓器自身利益的激勵(lì)磁電流i1也在增大,。

　　當(dāng)正激勵(lì)結(jié)束馬上就進(jìn)入反激勵(lì)階段,，濾波電感L4中電流i4將從原值逐步減小。而變壓器中也會(huì)保持勵(lì)磁電流,，但它是多繞組結(jié)構(gòu),，勵(lì)磁電流可以出現(xiàn)在任意一個(gè)繞組中，各電流方向以維持原磁場方向?yàn)闇?zhǔn),。如果控制當(dāng)時(shí)的濾波電感電流i4>n1i1／n4,，可以將變壓器磁芯中的勵(lì)磁電流全部轉(zhuǎn)移至n4繞組。也就是電流i4流經(jīng)變壓器輸出繞組n4,，除了維持變壓器磁芯磁場,，尚有多余，其余量在n4與n3中按匝數(shù)比分配,。此時(shí),，二極管D5馬上導(dǎo)通，二極管D6繼續(xù)導(dǎo)通,，而二極管D7仍然截止,。變壓器繞組無感生電壓，不放釋放磁場能。隨著濾波電感儲(chǔ)能的釋放,，電流i4逐步減小,，直至i4=n1i1／n4時(shí)，D6進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài),?？梢奃6沒有被除數(shù)強(qiáng)迫截止，處理得當(dāng),，可以消除其關(guān)斷噪聲,。接著，變壓器開始產(chǎn)生反激勵(lì)電動(dòng)勢(shì)而釋放儲(chǔ)能,，二極管D7開始導(dǎo)通,，變壓器的反激勵(lì)電壓被限制。直到變壓器儲(chǔ)能釋放盡,，等待下一個(gè)周期的激勵(lì),。

　　按照這一方法處理，可以消除整流二極管D6的硬關(guān)斷噪聲,，但變壓器漏感造成的芯片激勵(lì)管的硬關(guān)斷噪聲仍然存在,，這里的輔助繞組可以起到一定的吸收作用。對(duì)于整流二極管的硬開通噪聲,，仍采用RC電路吸收能量,，降低噪聲，如圖1中的R7,，C10電路,。

　　2 主要器件參數(shù)的設(shè)定

　　2．1 確定變壓器參數(shù)

　　電路的正激勵(lì)電壓U為300 V，根據(jù)芯片的反向耐壓參數(shù)和可靠性要求,，反激電壓設(shè)為200 V,。開關(guān)周期為10μs，因此,，其中正激勵(lì)時(shí)間為t1=4．0 μs,，反激勵(lì)時(shí)間為t2=6．0 μs。按照15 W反激勵(lì)輸出功率計(jì)算,，每一個(gè)周期里變壓器儲(chǔ)能應(yīng)該達(dá)到150μJ,，即Li1m2=300μJ而Lilm=U1t1，所以有：

　　式中：i1m為變壓器初級(jí)線圈的最大電流值(單位：A),?？梢运愕米儔浩鞒跫?jí)繞組的電感量L0應(yīng)該達(dá)到4．8 mH。若該電感量取得再大一些也可以,，只是反激勵(lì)能量會(huì)減小,，要更多地依靠正激勵(lì)輸出,。

　　對(duì)于變壓器初級(jí)繞組的匝數(shù)．按照40 W輸出功率的要求，變壓器可以采用E128錳鋅鐵氧體磁芯,，其平均磁路長度為56 mm,，中心磁芯截面積Ae1為77 mm2。這一規(guī)格的變壓器為了避免磁芯出現(xiàn)磁飽和,，初級(jí)繞組的最少匝數(shù)為：

　　Bmax是變壓器磁芯允許的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度,。為了達(dá)到4．8 mH電量的初級(jí)繞組匝數(shù)：

　　顯然，繞制75匝磁路閉合時(shí)已接近磁飽和狀態(tài),。為了可靠起見,，增加初級(jí)繞組匝數(shù)，控制在80～100匝間,，這里取為100匝,。同時(shí)，在磁路中設(shè)置氣隙以增加磁路磁阻Rm,。氣隙厚度通常根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況確定,。這類單極性激勵(lì)電路將變壓器輸出繞組設(shè)計(jì)成不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。根據(jù)輸出20 V輸出電壓的限制,，輸出繞組n4反激電壓定為21 V，變比n=200：21=9．5,。反激勵(lì)輸出繞組n4的匝數(shù)根據(jù)變壓比可確定為各11匝,；輸出繞組n3正激電壓定為20／0．4=50 V。正激勵(lì)輸出繞組n3的匝數(shù)為100x 50／300=16匝,；反饋電壓采用反激勵(lì)輸出,，以穩(wěn)定輸出電壓值。按照200：15計(jì)算,，繞組的匝數(shù)為8匝,。按照以上這些參數(shù)，合理繞制變壓器,。

　　2．2 確定第一級(jí)濾波電感參數(shù)

　　第一濾波電感的電感量確定原則是：在變壓器的正激勵(lì)期間,，濾波電感中形成的勵(lì)磁電流i4足以維持變壓器雄姿磁芯中勵(lì)磁的需要。如果是大電流輸出,，按連續(xù)濾波考慮,，L4的電感量取值為：

　　式中：n是變壓器的反激匝比，在此為9．5,；U1是原邊正激勵(lì)電壓,；U2是副邊正激勵(lì)電壓；U0是電源輸出的直流電壓,。如果是小電流輸出,，按斷續(xù)濾波考慮,，L4的電感量為：

　　考慮不同輸出電流均能符合續(xù)流要求，第一濾波電感L4的電感量可以取為45μH,，這一電感量不能取得過小,。

　　濾波器磁芯的材料一般采用粉芯磁環(huán)，它比鐵氧體磁芯的儲(chǔ)能值大,。若選用φ22鐵粉芯磁環(huán),，其平均磁路長度為50 mm，磁芯橫截面積Ac2為6×11 mm2,，相對(duì)磁導(dǎo)率為70,。達(dá)到50μH的線圈匝數(shù)為：

　　濾波器不飽和最大工作電流與磁芯材料的關(guān)系為Imax=(BmaxAe2Rm／N)=(Bmaxl／μ0μτN)。由此算得允許的最大工作電流為16 A,，遠(yuǎn)大于電源的實(shí)際輸出電流,，不會(huì)出現(xiàn)磁飽和，可以放心使用,。該濾波實(shí)際在φ22鐵粉芯磁環(huán)上繞26匝,，實(shí)測(cè)為0．048 mH。

　　2．3 確定其他主要元件參數(shù)

　　第二級(jí)濾波電感器也采用同規(guī)格的鐵粉芯磁環(huán),，在不出現(xiàn)磁飽和的條件下,，電感量以大為好，一般要達(dá)到100μH以上,。

　　濾波電容的容量在體積與成本許可的條件下,，以大為好，一般取1 000μF左右,。而且要將電解電容器與高速的CBB電容順聯(lián)合使用,，以提高高頻脈沖的濾波能力。

　　高頻整流二極管應(yīng)采用快恢復(fù)管或者肖特基管,，否則,，開關(guān)噪聲還是難以消除。各二極管的最大整流電流值在2 A以上,，反向耐壓參數(shù)在80 V以上,。為了降低共模傳導(dǎo)和輻射騷擾，開關(guān)電源在裝配時(shí)應(yīng)該保證高頻交流信號(hào)共地結(jié)構(gòu),，采取有效的電磁屏蔽等措施,。

　　3 電源測(cè)試與效果

　　這一例開關(guān)電源電磁騷擾抑制技術(shù)主要依靠變壓器與濾波器互相協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)的，可以稱之為系統(tǒng)互補(bǔ)抑制噪聲技術(shù),。該電源經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,，其輸出噪聲相比采用同樣器件的常規(guī)電源低得多。圖3是兩者輸出端口噪聲電壓波形的比較,，其中,，圖3(a)是普通電路的效果,，圖3(b)是系統(tǒng)互補(bǔ)抑制噪聲技術(shù)的效果。在圖3(b)中的噪聲波形已經(jīng)包含部分共模輻射噪聲波形(淡灰色部分),，實(shí)際差模噪聲電壓比圖中的幅度還要小,，在20 mV以下。這一點(diǎn)可以將示波器探頭芯線與地線短接后,，單點(diǎn)連接電源輸出端顯示波形加以證明,。如果是差模電壓，不會(huì)在單點(diǎn)連接時(shí)顯示在示波器上,，共模噪聲電壓則會(huì)顯示,。而且，不管連接在正極還是負(fù)極上,，顯示波形幅度與特征均相同,。共模噪聲幅度需要在接地方式和加裝外屏蔽殼進(jìn)行抑制。

　　4 結(jié) 語

　　系統(tǒng)互補(bǔ)抑制噪聲技術(shù)可以大幅度地降低差模噪聲電壓輸出,。從開關(guān)器件上電流,、電壓變化的特點(diǎn)上看，這一種設(shè)計(jì)實(shí)際是降低了開關(guān)器件的硬特性要求,，對(duì)于提高電路的工作效率也十分有效,。所制作的整個(gè)電源裝置發(fā)熱情況比較理想，說明工作效率較高,。開關(guān)電源產(chǎn)生電磁騷擾的最主要原因是開關(guān)器件上的電流發(fā)生突變,，合理使用電感器可以很好地抑制這種電磁騷擾。

　　以上重點(diǎn)對(duì)于一種新的抑制電磁騷擾技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),，開關(guān)電源的電磁噪聲產(chǎn)生的因素有很多，應(yīng)該有針對(duì)性地逐個(gè)加以排除,，才能獲得性能比較完善的電源裝置,。