低電磁騷擾開(kāi)關(guān)電源的實(shí)現

電源裝置是電子電氣設備中所不可缺少的部件，開(kāi)關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕、電壓適應性好等優(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大，對環(huán)境或對其他設備造成不利影響。目前對于可變負載的開(kāi)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。設計低電磁騷擾的開(kāi)關(guān)電源，也就成了許多設計人員的希望，為此提出了種種方法。本例設計要點(diǎn)不同于常規技術(shù)，而是采取了從源頭上對電磁噪聲進(jìn)行消除，再結合一些常規措施。將電源輸出端口的噪聲電壓降至20 mV以下，顯著(zhù)提高開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性指標。

1 開(kāi)關(guān)電源電路結構與降噪原理

該開(kāi)關(guān)電源的設計目標是穩定20 V輸出，輸出電流0～2 A可變，用于音響系統。為了突出降低電磁噪聲的處理技術(shù)，簡(jiǎn)化電路，用單片開(kāi)關(guān)電源芯片TOP224Y進(jìn)行設計。TOP224Y內部已包含了PWM調制所需的所有電路以及激勵管輸出，由它激勵變壓器，開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz，內部MOS激勵管的耐壓為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是常規的共模濾波和整流電路，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)結構，穩定電源輸出電壓;中間部分是DC-DC變換器，降噪聲的關(guān)鍵是對這一部分的電路進(jìn)行適當處理。

對于中間部分電路而言，TOP224Y作為PWM控制、激勵，都是常規處理?？刂贫薈的工作電壓取自變壓器的反激勵電壓，其中D3是整流管，D4是發(fā)光二極管，用作指導燈。C端的反饋信號來(lái)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是半導體壓敏電阻，與D2一起組成芯片限壓保護電路，防止芯片因過(guò)壓而擊穿。該項電路的激勵方式采用以正激勵為主的正、反混合激勵式，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(méi)有獨立設置續流二極管，不同于其他電源電路。D5為續流而設置的復用二極管，D6和是正激勵脈沖整流二極管，D7是反激勵電壓整流二極管。L4是DC-DC變換后的第一級濾波電感。在正激勵期間，變壓器輸出繞組n3經(jīng)D6，L4輸出電流，第一級濾波電感L4中電流i4增大，同時(shí)，變壓器自身利益的激勵磁電流i1也在增大。

當正激勵結束馬上就進(jìn)入反激勵階段，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 )保持勵磁電流，但它是多繞組結構，勵磁電流可以出現在任意一個(gè)繞組中，各電流方向以維持原磁場(chǎng)方向為準。如果控制當時(shí)的濾波電感電流i4>n1i1/n4，可以將變壓器磁芯中的勵磁電流全部轉移至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(chǎng)，尚有多余，其余量在n4與n3中按匝數比分配。此時(shí)，二極管D5馬上導通，二極管D6繼續導通，而二極管D7仍然截止。變壓器繞組無(wú)感生電壓，不放釋放磁場(chǎng)能。隨著(zhù)濾波電感儲能的釋放，電流i4逐步減小，直至i4=n1i1/n4時(shí)，D6進(jìn)入截止狀態(tài)?？梢?jiàn)D6沒(méi)有被除數強迫截止，處理得當，可以消除其關(guān)斷噪聲。接著(zhù)，變壓器開(kāi)始產(chǎn)生反激勵電動(dòng)勢而釋放儲能，二極管D7開(kāi)始導通，變壓器的反激勵電壓被限制。直到變壓器儲能釋放盡，等待下一個(gè)周期的激勵。

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。對于整流二極管的硬開(kāi)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 主要器件參數的設定

2.1 確定變壓器參數

電路的正激勵電壓U為300 V，根據芯片的反向耐壓參數和可靠性要求，反激電壓設為200 V。開(kāi)關(guān)周期為10μs，因此，其中正激勵時(shí)間為t1=4.0 μs，反激勵時(shí)間為t2=6.0 μs。按照15 W反激勵輸出功率計算，每一個(gè)周期里變壓器儲能應該達到150μJ，即Li1m2=300μJ而Lilm=U1t1，所以有：

式中：i1m為變壓器初級線(xiàn)圈的最大電流值(單位：A)?？梢运愕米儔浩鞒跫壚@組的電感量L0應該達到4.8 mH。若該電感量取得再大一些也可以，只是反激勵能量會(huì )減小，要更多地依靠正激勵輸出。

對于變壓器初級繞組的匝數.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(cháng)度為56 mm，中心磁芯截面積Ae1為77 mm2。這一規格的變壓器為了避免磁芯出現磁飽和，初級繞組的最少匝數為：

Bmax是變壓器磁芯允許的最大磁感應強度。為了達到4.8 mH電量的初級繞組匝數：

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(jiàn)，增加初級繞組匝數，控制在80～100匝間，這里取為100匝。同時(shí)，在磁路中設置氣隙以增加磁路磁阻Rm。氣隙厚度通常根據實(shí)際測試情況確定。這類(lèi)單極性激勵電路將變壓器輸出繞組設計成不對稱(chēng)結構。根據輸出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。反激勵輸出繞組n4的匝數根據變壓比可確定為各11匝;輸出繞組n3正激電壓定為20/0.4=50 V。正激勵輸出繞組n3的匝數為100x 50/300=16匝;反饋電壓采用反激勵輸出，以穩定輸出電壓值。按照200：15計算，繞組的匝數為8匝。按照以上這些參數，合理繞制變壓器。

2.2 確定第一級濾波電感參數

第一濾波電感的電感量確定原則是：在變壓器的正激勵期間，濾波電感中形成的勵磁電流i4足以維持變壓器雄姿磁芯中勵磁的需要。如果是大電流輸出，按連續濾波考慮，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是原邊正激勵電壓;U2是副邊正激勵電壓;U0是電源輸出的直流電壓。如果是小電流輸出，按斷續濾波考慮，L4的電感量為：

考慮不同輸出電流均能符合續流要求，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(guò)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能值大。若選用φ22鐵粉芯磁環(huán)，其平均磁路長(cháng)度為50 mm，磁芯橫截面積Ac2為6×11 mm2，相對磁導率為70。達到50μH的線(xiàn)圈匝數為：

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，遠大于電源的實(shí)際輸出電流，不會(huì )出現磁飽和，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)測為0.048 mH。

2.3 確定其他主要元件參數

第二級濾波電感器也采用同規格的鐵粉芯磁環(huán)，在不出現磁飽和的條件下，電感量以大為好，一般要達到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。

高頻整流二極管應采用快恢復管或者肖特基管，否則，開(kāi)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，反向耐壓參數在80 V以上。為了降低共模傳導和輻射騷擾，開(kāi)關(guān)電源在裝配時(shí)應該保證高頻交流信號共地結構，采取有效的電磁屏蔽等措施。

3 電源測試與效果

這一例開(kāi)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)調工作實(shí)現的，可以稱(chēng)之為系統互補抑制噪聲技術(shù)。該電源經(jīng)過(guò)實(shí)驗室測試，其輸出噪聲相比采用同樣器件的常規電源低得多。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)是系統互補抑制噪聲技術(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(xiàn)與地線(xiàn)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 語(yǔ)

系統互補抑制噪聲技術(shù)可以大幅度地降低差模噪聲電壓輸出。從開(kāi)關(guān)器件上電流、電壓變化的特點(diǎn)上看，這一種設計實(shí)際是降低了開(kāi)關(guān)器件的硬特性要求，對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(shuō)明工作效率較高。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生電磁騷擾的最主要原因是開(kāi)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)對于一種新的抑制電磁騷擾技術(shù)進(jìn)行設計，開(kāi)關(guān)電源的電磁噪聲產(chǎn)生的因素有很多，應該有針對性地逐個(gè)加以排除，才能獲得性能比較完善的電源裝置。