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反激式功率因数校正电路的电磁兼容设计

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标签: 电源

电源

反激式功率因数校正电路的电磁兼容设计

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反激式功率因数校正电路的电磁兼容设计
杨益平
(浙江大学电气工程学院,浙江
杭州
310027)
摘要:
通过反激式功率因数校正电路说明了单级功率因数校正电路中的电磁兼容
问题,
分析了单级功率因数校正电路中骚扰的产生机理,
给出了电磁兼容的设计,
最后提出了其他几种减少电磁干扰的方法。
关键词:电磁干扰;电磁兼容;功率因数校正
0
引言
电磁兼容(EMC)是指电子设备或系统在其电磁环境中½正常工½且不对
该环境中任½事物构成不½承受的电磁骚扰的½力。
随着电子产品越来越多地采
用½功耗、高速度、高集成度的 LSI 电路,而½得这些装½比以往任½时候更容
易受到电磁干扰的威胁。而与此同时,大功率家电及办公自动化设备的增多,以
及移动通信、无线寻呼的广泛应用等,又大大增加了电磁骚扰源。这些变化迫½
人们把电磁兼容½为重要的技术问题加以关注。
特别是欧共½将产品的电磁兼容
性要求纳入技术法规,
强制执行 89/336/EEC 指令,即规定从 1996 年 1 月 1 日起
电气和电子产品½必须符合 EMC 要求,并加贴 CE 标志后才½在欧共½市场上销
售以来,促½了各½政府从½际贸易的角度,高度重视电磁兼容技术。
开关电源具有½积小、重量½、效率高的优点,且市场上已有开关电源
集成控制模块,
这½电源设计、
调试简化了许多,
所以,
在大多数的电子设备
(如
计算机、电视机及各种控制系统)中得到了广泛的应用。然而,开关电源自身产
生的各种噪声却½其成了一个很强的电磁骚扰源。这些骚扰随着开关频率的提
高、输出功率的增大而明显地增强,对电子设备的正常运行构成了½在的威胁。
因此,只有提高开关电源的电磁兼容性,才½½开关电源在那些对电源噪声指标
有严格要求的场合被采用。
电磁兼容包括两个方面的含义。
(1)电子设备或系统内部的各个部件和子系统、一个系统内部的各台设
备乃至相邻几个系统,
在它们自己所产生的电磁环境及在他们所处的外界电磁环
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境中,½按原设计要求正常运行。换句话说,它们应具有一定的电磁敏感度,以
保证它们对电磁干扰具有一定的抗扰度(Immunity of a Disturbance)。
(2)该设备或系统自己产生的电磁噪声(Electromagnetic Noise-EMN)
必须被限制在一定的电平,
½由它所造成的电磁干扰不致对它周围的电磁环境造
成严重的污染和½响其他设备或系统的正常运行。
众所周知,构成电磁干扰有三个要素,即:骚扰源(噪声)、噪声的耦
合途径及噪声接收器(被干扰设备)。因此,概括电磁兼容设计的任务就是要削
弱骚扰源的½量,隔离或减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗½力。
下面就以反激式(Flyback)电路为例,讨论小功率单级 PFC 电路的电磁兼容性
设计。
1
骚扰源的分析
如图 1 所示,在小功率 DC/DC 变换器中,主要的骚扰源是电磁感应噪声
和非线性开关过程噪声。
这½是由于功率变换电路中的整流二级管和功率开关管
在工½过程中所产生的电压和电流的跃变,并通过高频变压器、储½电感线圈以
及电路中的元件布局和器件本身自带的寄生参数之间相互½用而造成的。
图1
反激式功率因数校正电路图
换句话说,电路中产生的所有干扰问题的根源,就是功率开关管和高频
整流二极管在快速的开断过程中所产生的 di/dt 和 dv/dt。所以,在电路设计的
初期,即进行电路方案的选择时就应着手考虑 EMC 问题。在各方面条件成熟和允
许的情况下,对于主开关管的设计应采用½开关电路(例如中功率电路½中广为
采用的移相全桥电路等),这样不½可以极大地减小开关管的开关损耗,而且有
助于降½电路中的 di/dt。而在开关频率的选择上也不是越高越½,而是应½选
取合适的频率。
还有,由开关管和高频二极管以及输出电容构成的回路应½量地
小,因为回路小寄生电感就小了。在开关管和高频二极管开通和关断的瞬间会产
生很大的 di/dt,如果寄生电感大了就会感应出很高的电压,这样就½成了一个
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大的骚扰源。另外,高频二极管在关断的时候会出现反向恢复的情况,这也是一
个很大的骚扰源。我们必须注意削弱它,以免½响电路的正常工½,为此可以给
高频二极管串一个小的电感,
抑制高频二极管的反向恢复电流。½是这个电感不
½大,因为在高频下 di/dt 很大,也会引入一个骚扰,因此必须折中。
另一个产生电磁感应噪声的主要骚扰源是脉冲变压器。
在反激式电路中,
由于原副边绕组耦合系数不为 1,变压器存在着一定的漏感
L
s
。½开关关断时,
L
s
所产生的反电势-L
s
di/dt 会½开关管的漏源极之间的电压出现上冲。这是因
L
s
上的½量——漏磁通不½通过变压器耦合到副边进行释放,因此,这部分
½量同开关管的寄生电容
C
s
和输入电源
V
in
共同构成一个衰减的
LC
谐振,
叠加在
关断电压上,½成关断电压尖峰。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲,除了造成干扰
外,重者有可½击穿开关管。而且它还是一种传导性电磁干扰,既½响变压器的
初级,还会½干扰传导返回配电系统,造成输入侧电½的电磁干扰,从而½响其
它用电设备的安全和经济运行。
和开关管一样,电路½中的脉冲变压器也存在高频率的 di/dt 变化,也
会向空间辐射高频的电磁波,
干扰其他的元器件和设备。为此也应½想法将变压
器这些高频电磁波屏½掉。
对于电磁场而言,电场分量和磁场分量总是同时存在的。所以,在屏½
电磁场时,
必须对电场与磁场同时加以屏½。高频电磁屏½的机理主要是基于电
磁波穿过金属屏½½产生波反射和波吸收的机理。电磁波达到屏½½表面时,之
所以会产生波反射,
其主要原因是电磁波的波阻抗与金属屏½½的特征阻抗不相
等,两者数值相差越大,反射引起的损耗就越大。反射波还和频率有关,频率越
½,反射越严重。而电磁波在穿透屏½½时产生的吸收损耗则主要是由电磁波在
屏½½中的感生涡流引起的。感生的涡流可以产生一个反磁场抵消原干扰磁场,
同时,涡流在屏½½内流动产生热损耗。
2
电磁兼容的设计
电磁兼容性设计包括电路选择、元器件的选择、滤波、屏½、接地、布
局等。
2.1
½开关技术
选择零电压开关、零电流开关谐振技术或其他½开关技术。在零电压谐
振变换器中,功率开关上的电压波½为准正弦,dv/dt 小;在零电流准谐振变换
中,流过功率开关的电流为准正弦,di/dt 小,这样就可以减小 EMI 电平。因为,
干扰频谱窄,且集中在谐振频率附近,易于滤波器的设计。
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要特别注意降½功率开关的 di/dt 与 dv/dt 和减小整流二极管噪声的缓
冲电路的设计。
2.2
滤波
滤波是抑制干扰的一种有效措½,尤其是在对付传导干扰方面,具有明
显的效果。
欲削弱传导干扰,把 EMI 电平控制在有关 EMC 标准规定的极限电平以
下。除抑制骚扰源以外,最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装
EMI 滤波器。在滤波电路中,选用穿心电容、三端电容、铁氧½磁环,½够改善
电路的滤波特性。EMI 滤波器如图 2 所示。
图2
输入 EMC 滤波器原理图
这种 EMI 滤波器既½抑制共模干扰又½抑制差模干扰。
它是开关电源 EMI
滤波器的基本½络结构,其中
L
1
L
2
是绕在同一磁环上两只独立线圈,匝数相
同,有相同方向的同名端,称之为共模电感线圈或者共模线圈。L
3
L
4
是独立的
差模抑制电感,C
1
、C
2
C
3
是电容器。如果把该滤波器一端接入干扰源,负½½端
接上被干扰设备,那么
L
1
C
1
,L
2
C
2
就分别构成了两对独立端口间的½通滤
波器,用来抑制电源线上存在的共模 EMI 信号,½之衰减,并被控制到很½的电
平上。L
3
L
4
½成的独立差模抑制电感和电容
C
3
组成了一个½通滤波器,用来
抑制电源线上存在的差模 EMI 信号。
适½的设计或选择合适的滤波器,并正确地安装滤波器是抗干扰技术的
重要组成部分,具½措½如下。
1)在交流电输入端加装电源滤波器,其电路图如图 2 所示。其中
L
3
,L
4
C
3
用于抑制差模噪声,L
1
,L
2
,C
1
C
2
用于抑制共模噪声。所有的电源滤波器
½必须接地,因为滤波器的共模旁路电容必须在接地时才起½用。一般的接地方
法除了将滤波器与金属外壳相接之外,
还要用较粗的导线将滤波器外壳与设备的
接地点相连,接地阻抗越小滤波效果越½。另外,滤波器应½量安装在靠近电源
入口处,避免干扰信号从输入端直接耦合到输出端。
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2)在电源输出端加输出滤波器。加装高频电容,加大输出滤波电感的电
感量及滤波电容的容量,可以抑制差模噪声。如果把多个电容并联,效果将会更
½。
在½用滤器器的时候,我们还必须注意以下几点。
1)滤波器必须有良½的屏½,屏½½与电源良½搭接。
2)输入滤波器应装在输入端口处,输出滤波器应装在输出端口处,并远
离内部电磁发射很强的电感器、功率开关等。若可½的话,½可½½为一个独立
部件与电源合理连接。
3)
滤波器的输入、
输出线不½交叉,
应采用屏½线或相互间设½屏½层。
4)滤波器内部的元件,自身要进行良½的电磁屏½和接地处理,以免流
过滤波器接地导线的短路电流造成有害电磁辐射。
5)
滤波电感的铁芯最½采用½型或者环型,若用其他½状可加短路环或
磁屏½。线圈采用单层或分段式绕法,小电流时可采用蜂房绕制的多层线圈。共
½线圈不½采取双线并绕,应是对称的两个独立线圈。
6)应选用高频特性½的电容器。
2.3
接地
必须注意电路中的接地问题,因为公共阻抗耦合主要通过公共地阻抗进
行。如果接地没有处理½,可½会对电路引入很大的地干扰,从而½电路不½正
常工½。以 Boost 电路为例,如果 MOSFET 的 S 极接地没有处理,也就是说 G 极、
S 极、
PWM 信号和地之间构成地回路很大的话,
电路就不½正常工½,
有时候 PWM
信号无法驱动 MOSFET,这就是通过公共地阻抗给 Boost 电路引入了一个很大的
干扰。因此,在½用通用板子来布电路的时候,必须注意这些细节,S 极与地之
间的导线要½量短。½用通用板子时,½量用粗一点线来½为地线,还有,½够
连在一起的地应½量连在一起,接地点½量粗一点,还可以½量加粗地线½度,
减少环路电阻。若地线很细或者接地点很小,接地电½则随电流的变化而变化,
½抗噪声性½变坏。
½用通用板子时,
还必须注意功率电路的地对信号地的干扰。
2.4
变压器的设计
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