電源設計小貼士 47：解決隔離式開(kāi)關(guān)的傳導性共模輻射問(wèn)題

在《電源設計小貼士 40：非隔離式電源的共模電流》中，我們討論了開(kāi)關(guān)級中大電壓擺動(dòng)如何形成共模電流的問(wèn)題，并介紹了它驅動(dòng)電流進(jìn)入電容到機架接地的過(guò)程。在這篇《電源設計小貼士》中，我們將繼續討論共模電流的問(wèn)題。

在隔離式電源中，這種情況變得更加糟糕，因為隔離變壓器的次級繞組最終連接至機架接地。因此，存在相當大的初級到次級寄生電容。圖 1 顯示了一個(gè)這種情況的簡(jiǎn)化示意圖。

圖 1 Q1 高壓開(kāi)關(guān)驅動(dòng) C-STRAY 中共模電流

這是一種離線(xiàn)工作的隔離式反向結構。110 伏到 220 伏 AC 輸入電源經(jīng)過(guò)整流，從而向功率級提供 100 伏到 400 伏DC。電源開(kāi)關(guān)迅速開(kāi)啟和關(guān)閉，在 Q1 漏極上產(chǎn)生 500 伏到 600 伏開(kāi)關(guān)波形，其同時(shí)也施加于電源變壓器的初級繞組。這種開(kāi)關(guān)電壓，在變壓器初級繞組到次級繞組之間的雜散電容中形成電流。該電流流經(jīng)負載的預設機架接地，或者只是以電容方式接地耦合。該電流必須完成噪聲返回通路，從而產(chǎn)生開(kāi)關(guān)式電源。在沒(méi)有 C1 的情況下，它流回 AC 輸入電源，然后流入電源的輸入線(xiàn)，其很可能會(huì )超出 EMI 輻射規格。

由于其高電源阻抗，這種電流的濾波特別困難。變壓器的雜散電容大小級別為　100 pF，其典型電源開(kāi)關(guān)頻率的阻抗為 10 千歐。只在電流通路中添加一個(gè)電感來(lái)減小這種電流的方法并不實(shí)際。例如，如果我們希望將電流減小 10 倍，其要求100 千歐的電抗(也即 0.1 亨)，且分布電容小于 10 pF，這并不現實(shí)。

電容器 C1 帶來(lái)了另一種解決方案。它為電流提供了一條本地返回通路。大多數共模電流通過(guò)該電容器在電源內部回流，而不是通過(guò) AC 輸入電源回流。另外，C1 還減小了系統的電源阻抗，這樣共模串聯(lián)電感 L1 就變得現實(shí)了。

在共模濾波器的設計過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵因素是 C1 值的選擇。從電磁干擾 (EMI) 的角度來(lái)看，其值越大越好。更大的電容可獲得更小的 EMI 信號，且電源阻抗也更低。你可以利用電容的平方原則，估計 EMI 信號的減小程度。但是，高電容也意味著(zhù)機架連線(xiàn)的線(xiàn)頻率電流更大。另外，這種電流還有一些安全限制，目的是減少觸電事故的發(fā)生機率。當電源機架連線(xiàn)斷裂時(shí)，人員進(jìn)入電流通路便會(huì )發(fā)生觸電事故，如圖 2 所示。IEC Std 601-1 將這種電流的大小限制為 0.5 mA RMS，同時(shí)人們還在討論出臺更為嚴格的安全規定。輸入為 230 伏時(shí)，IEC 可有效地將 C1 值限制為 4700 pF。

圖 2 C1 可以成為一種觸電風(fēng)險

總之，驅動(dòng)寄生電容機架接地的高 dV/dt 電壓波形，會(huì )形成共模電流。這種電流特別難以濾波，原因是其存在高電源阻抗。濾波要求使用一個(gè)機架電容器，提供另一條本地返回通路，并降低阻抗。盡管從 EMI 濾波器的角度來(lái)看，電容越大越好，但是總電容受限于安全規定。