反激式開關(guān)電源干式變壓器的電磁兼容性設(shè)計

以反激式開關(guān)電源為例，闡述了傳導(dǎo)共模干擾的產(chǎn)生和傳播機(jī)理。根據(jù)噪聲有源節(jié)點(diǎn)平衡的思想，提出了一種新型干式變壓器的電磁兼容設(shè)計方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，該方法對傳導(dǎo)電磁干擾具有更強(qiáng)的抑制能力，可以降低干式變壓器的制造成本和工藝復(fù)雜度。該方法也適用于其他干式變壓器拓?fù)涞拈_關(guān)電源。隨著功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源以其高功率體積比和高效率在現(xiàn)代軍事、工業(yè)和商用儀器設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。隨著時鐘頻率的不斷提高，設(shè)備的電磁兼容性引起了廣泛關(guān)注。電磁兼容設(shè)計已經(jīng)成為開關(guān)電源開發(fā)設(shè)計中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段，必須考慮抑制傳導(dǎo)電磁干擾(EMI)噪聲。一般來說，安裝電力線濾波器是抑制傳導(dǎo)電磁干擾的必要措施。而僅僅依靠電源輸入端的濾波器來抑制干擾，往往會導(dǎo)致濾波器中元件的電感和電容增大。體積隨著電感的增大而增大。電容的增加受到漏電流安全標(biāo)準(zhǔn)的限制。如果設(shè)計得當(dāng)，電路的其他部分可以完成與濾波器類似的工作。提出了干式變壓器噪聲有源節(jié)點(diǎn)的干相繞組法。這種設(shè)計方法不僅可以減小電力線濾波器的尺寸，還可以降低成本。1反激式開關(guān)電源共模傳導(dǎo)干擾電子設(shè)備傳導(dǎo)噪聲干擾是指設(shè)備與供電電網(wǎng)連接時，通過電源線以噪聲電流的形式傳導(dǎo)到公共電網(wǎng)環(huán)境的電磁干擾。傳導(dǎo)干擾可分為共模干擾和差模干擾。共模干擾電流的相位在零線和相線上相等。差模干擾電流的相位與零線中相線的相位相反。差模干擾對整體傳導(dǎo)干擾的貢獻(xiàn)較小，主要集中在噪聲頻譜的低頻端，易于抑制；共模干擾對傳導(dǎo)干擾的貢獻(xiàn)很大，主要存在于噪聲頻譜的中頻和高頻帶。共模傳導(dǎo)干擾的抑制是進(jìn)行電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計的難點(diǎn)和較重要的任務(wù)。反激式開關(guān)電源電路中存在一些電壓變化劇烈的節(jié)點(diǎn)。與電路中其他電位相對穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)不同，這些節(jié)點(diǎn)的電壓包含高強(qiáng)度高頻分量[2]。這些電壓變化非常活躍的節(jié)點(diǎn)稱為噪聲活躍節(jié)點(diǎn)。噪聲有源節(jié)點(diǎn)是開關(guān)電源電路中的共模傳導(dǎo)干擾源，它作用于電路中對地雜散電容，產(chǎn)生共模噪聲電流m。對電路中的電磁干擾影響較大的對地雜散電容包括：功率開關(guān)管漏極對地寄生電容C干式變壓器Cp初級繞組對次級繞組寄生電容；干式變壓器二次回路對地寄生電容c干式變壓器一次、二次繞組對磁芯寄生電容c以及干式變壓器鐵芯對地寄生電容c？這些寄生電容在電路中的分布如圖1所示。圖L電路中共模電流的耦合方式主要有三種：從噪聲源——，功率開關(guān)管D極通過C耦合到地；從噪聲源通過c。耦合到干式變壓器次級電路，然后通過C耦合到地；從干式變壓器的前、次級線圈通過C？c耦合到干式變壓器的鐵芯，然后通過c耦合到地。這三個電流是構(gòu)成共模噪聲電流的主要因素(如圖1中的黑色箭頭所示)。共模電流通過輸入端的接地線流回 #p#分頁標(biāo)題#e#

因此，試圖降低干式變壓器初級繞組向次級繞組傳輸?shù)墓材ｋ娏魇且环N有效的電磁兼容設(shè)計方法。干式變壓器傳統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計方法是在兩個繞組之間增加隔離層，如圖2所示。

金屬隔離層直接連接到地線的設(shè)計會增加共模噪聲電流，降低電磁兼容性能。隔離層應(yīng)該是電路中電位穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)。例如，將圖2中的隔離層連接到電路前級的負(fù)極是一種良好的連接。這種連接可以有效分流原本流向地的共模電流，從而大大降低電力線的傳輸噪聲發(fā)射水平。2.2節(jié)點(diǎn)相位平衡法在電路中，噪聲電壓有源節(jié)點(diǎn)不是單一的。以本文分析的電路為例：除了功率開關(guān)管的D極，干式變壓器前繞組的另一端U也是噪聲電壓的有源節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電壓的變化方向與場管的D極電壓相反。因此，干式變壓器次級繞組的兩端是相位相反的噪聲電壓的有源節(jié)點(diǎn)。圖3為采用節(jié)點(diǎn)相平衡法后干式變壓器骨架上線圈的分布。干式變壓器骨架較內(nèi)層為前一級繞組線圈的一半，與功率開關(guān)管D極相連；中間層的線圈是次級繞組；較外層是前繞組的另一半，與節(jié)點(diǎn)u相連，由于噪聲電流主要是通過前后線圈層之間的寄生電容耦合，在內(nèi)外兩層相對位置成對纏繞前后線圈方向相反的噪聲有源節(jié)點(diǎn)，可以使大部分噪聲電流相互抵消，大大降低較終耦合到次級的噪聲電流強(qiáng)度。在本文討論的電路中，還有用于前級電路和次級電路的輔助電源，它們也由纏繞在干式變壓器周圍的先立線圈供電。這兩個輔助線圈的存在為噪聲電流的傳播提供了額外的途徑。輔助線圈設(shè)計用于控制電路的電源。雖然控制電路本身的功率很小，但它們的存在增加了電路對地的寄生電容，從而分擔(dān)了將共模噪聲從有源節(jié)點(diǎn)耦合到地的部分工作。然而，通過將這些繞組夾在前繞組和次級繞組之間，可以增加前繞組和后繞組之間的距離，從而可以減小它們的層間寄生電容，并相應(yīng)地減小噪聲電流。因此，干式變壓器的較終繞制方法應(yīng)該如圖4所示。線圈繞組從內(nèi)向外依次排列

 3實(shí)驗(yàn)部分

 干式變壓器改進(jìn)繞法對開關(guān)電源的傳導(dǎo)EMC性能提高的有效性可以通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。

 3.1實(shí)驗(yàn)方法

 實(shí)驗(yàn)按照文獻(xiàn)[43中的電壓法進(jìn)行。頻段范圍為0.15～30MHz;頻譜分析儀的檢波方式為準(zhǔn)峰值檢波;測量帶寬為9kHz;頻譜橫軸(頻率)取對數(shù)形式;噪聲信號的單位為dB/~Vl5j

 3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  上下兩條平行折線分別為際無線電干擾特別委員會(簡稱CISPR)頒布的CISPR22標(biāo)準(zhǔn)中b級要求的準(zhǔn)峰值檢波限值和平均值檢波限值;而曲線為開關(guān)電源的傳導(dǎo)噪聲頻譜。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：與傳統(tǒng)方法相比，新方法有著更出色的對共模噪聲電流的抑制能力，尤其在中頻1～5MHz的頻段。在較低頻段，電源線上的傳導(dǎo)干擾主要是差模電流引起的;而在中高頻段，共模電流起主要作用。而本文提出的方法對共模電流的抑制較強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)和理論是相符合的。在10MHz以上的頻段，主要由電路中的其他寄生參數(shù)決定EMC性能，與干式變壓器關(guān)系不大。 #p#分頁標(biāo)題#e#

 4 結(jié)束語

 開關(guān)電源電路中的噪聲活躍節(jié)點(diǎn)是電路中的共模噪聲源。

要降低開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾水平，實(shí)際上是減小共模電流強(qiáng)度、增大噪聲源的對地阻抗。在傳統(tǒng)的隔離式EMC設(shè)計中，隔離層連接到電路中電位穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)上(如：干式變壓器前級的負(fù)極)要比直接連到地線對EMI干擾的抑制更有效。

 開關(guān)電源電路中的噪聲活躍節(jié)點(diǎn)通常都是成對存在的，這些成對節(jié)點(diǎn)之間的相位相反，利用這一特點(diǎn)活躍節(jié)點(diǎn)相位平衡繞法對EMI抑制的有效性高于傳統(tǒng)的隔離式設(shè)計。由于不需要添加隔離金屬層，干式變壓器的體積與成本都能被有效減小或降低。