TOPSwitchⅡ系列開關電源的電磁兼容性設計

作者Email: SHUJUN.WANG@MT.COM

摘 要： 系統(tǒng)地分析了TOPSwitchⅡ系列開關電源產生噪聲的主要原因及產生噪聲的回路和部件，給出了相應的抗干擾措施，從而提高了開關電源的電磁兼容性。

關鍵詞： 開關電源 噪聲 電磁兼容性

TOPSwitchⅡ開關電源具有單片集成化、外圍電路簡單、效率高的優(yōu)點，在大多數(shù)的電子設備中得到了廣泛的應用。然而，開關電源自身產生的各種噪聲卻形成了一個很強的電磁干擾源。這些干擾隨著開關頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強，對電子設備的正常運行構成了潛在的威脅；同時，一些國家對此也有嚴格的指標，不能滿足者將被拒之門外。本文以美國PI公司TOPSwitchⅡ系列為例，介紹開關電源的電磁干擾及其抑制。

1 開關電源產生噪聲的原因

開關電源工作在高頻、高壓、大電流開關狀態(tài)，并以開和關的時間比來控制輸出電壓的高低。TOPSwitchⅡ系列器件工作頻率為100kHz，電源線路內的dv/dt很大，產生的各種噪聲通過電源線以共模或差模方式向外傳導，同時還向周圍空間輻射噪聲。圖1給出了一種典型TOPSwitchⅡ系列的開關電源電路圖，下面以此為例分析其產生噪聲的主要原因。

1.1電源一次側回路的噪聲

在一次整流回路中，整流二極管D1～D4只有在脈動電壓超過C2的充電電壓的瞬間，電流才從電源輸入側流入。所以，一次整流回路產生高次畸變波，如圖1，形成噪聲，這是影響傳導輻射的一個重要指標。此外， 電源在工作時，TOPSwitchⅡ處于高頻率通斷狀態(tài)，在由脈沖變壓器初級線圈L1、TOPSwitchⅡ和濾波器C2構成的高頻電流環(huán)路中，如果布局、布線不合適，造成環(huán)路面積過大，可能會產生較大的空間輻射噪聲。如圖2（A），為初級電流Ipri的波形，其基波為開關頻率，諧波即為干擾波形。

1.2 電源二次側回路的噪聲

電源在工作時，整流二極管D7也處于高頻通斷狀態(tài)，由脈沖變壓器次級線圈L2、整流二極管D7和濾波電容C6構成了高頻開關電流環(huán)路，如果布局、布線不合適，造成環(huán)路面積過大，可能向空間輻射噪聲。同時，硅二極管在正向導通時ＰＮ結內的電荷被積累，二極管加反向電壓時積累的電荷將消失并產生反向電流。由于二次整流回路中D7在開關轉換時頻率很高，即由導通轉變?yōu)榻刂沟臅r間很短，在短時間內要讓存儲電荷消失就產生反電流的浪涌。由于直流輸出線路中的分布電容、分布電感的存在，使因浪涌引起的干擾成為高頻衰減振蕩。如圖2(C)所示，Vd波形具有電壓變化率高、上升沿和下降沿陡峭的特點。其峰值電壓由變壓器和輸出整流管的分布電容所決定。振鈴干擾波形的頻率變化是20-30MHZ。

1.3脈沖變壓器的噪聲

脈沖變壓器是開關電源中進行能量儲存與傳輸?shù)闹匾考?，其性能的?yōu)劣，不僅對電源效率有較大的影響，而且直接關系到電源電磁兼容性（EMC） 。對EMC而言，要求脈沖變壓器漏感小、繞組本身的分布電容及各繞組之間的耦合電容要小。

2.開關電源的電磁兼容性設計

抑制開關電源的噪聲可采取三方面的技術：一是濾波；二是變壓器的繞制；三是屏蔽。

2.1 濾波

針對開關電源主要通過電源線向外傳輸噪聲的特點，采用濾波技術抑制干擾，可分為：交流側濾波、
直流側濾波及其他一些輔助措施。

(1)交流側濾波：開關電源的交流電源線輸入端插入共模和差模濾波器，防止開關電源的共模和差模噪聲傳遞到電源線中，影響電網(wǎng)中其它用電設備，同時也抑制來自電網(wǎng)的噪聲。交流側濾波器如圖3A、B、C、D所示，其中L為共模扼流圈，圖A、B中的電容器C能濾除串模干擾。圖C、D抑制電磁干擾的效果更佳，圖C中的L、C1和C2用來濾除共模干擾，C3和C4用來濾除串模干擾，R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進線端L、N不帶電，保證用戶的安全。

(2)直流側濾波：在開關電源的直流輸出側插入如圖3所示的電源濾波器，它由共模扼流圈L1、扼流圈L2和電容C1、C2組成。為了防止磁芯在較大的磁場強度下飽和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場強度大的恒μ磁芯。

(3)其他：C3為安全電容，能濾除初、次級繞組耦合電容引起的干擾。C8和R7并聯(lián)在D7兩端，能防止D7在高頻開關狀態(tài)下產生自激振蕩（振鈴現(xiàn)象）；此外，在二次側整流濾波器上串聯(lián)磁珠也有一定效果。TOPSwitchⅡ由導通變成截止時，在開關電源的一次繞組上就會產生尖峰電壓，這是由于脈沖變壓器漏感造成的，通常用瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）D6和超快恢復二極管（SRD）D5組成的電路進行鉗位，也有用R、C電路的，但效果要稍差一些。

2.2 減小脈沖變壓器的漏感及分布電容

對于一個符合絕緣及安全性標準的脈沖變壓器，其漏感量應為次級開路時初級電感量的1％～3％。在磁芯結構尺寸、繞線匝數(shù)一定的情況下，線圈的繞組排列是減小漏感的重要因素，如圖4所示，繞組應按同心方式排列，全部用漆包線繞制，留有安全邊距，且在次級繞組與反饋繞組之間加上強化絕緣層。對于多路輸出的開關電源，輸出功率最大的那個次級繞組應靠近初級，以增加耦合，減小磁場泄漏。當次級匝數(shù)很少時，為了增加與初級的耦合，宜采用多股線平行并繞方式均勻分布在整個骨架上，以增加覆蓋面積。在條件允許的情況下，用箔繞組作為次級也是增加耦合的一種好辦法。

在開關電源的工作過程中，繞組的分布電容反復被充、放電，不僅使電源效率降低, ，它還與繞組的分布電感構成LC振蕩器，會產生振鈴噪聲。初級繞組分布電容的影響尤為顯著。為減小分布電容，應盡量減小每匝導線的長度，并將初級繞組的始端接漏極，利用一部分初級繞組起到屏蔽作用，減小相鄰繞組的分布參數(shù)耦合程度。

2.3 屏蔽

抑制輻射噪聲的有效方法是屏蔽。用導電良好的材料對電場屏蔽，用導磁率高的材料對磁場屏蔽。將電路置于屏蔽殼中，屏蔽殼可靠接地或中性線，接縫處最好焊接，以保證電磁的連續(xù)性。

對于脈沖變壓器內部而言的屏蔽，即在一次側和二次側間加屏蔽層，簡單的辦法，用漆包線均勻繞滿骨架一層，繞組的一端接高壓+V端，另一端浮空。如圖5所示，減少了一、二次側的電場的耦合干擾。此外，將原邊繞在骨架最里邊，原邊起始端與TOPSwitchⅡ的D端連接也是抑制干擾的有效方法。

為防止脈沖變壓器的泄漏磁場對相鄰電路造成干擾，可把一銅片環(huán)繞在變壓器外部，構成如圖5所示的屏蔽帶。該屏蔽帶相當于短路環(huán)，能對泄漏磁場起到抑制作用，屏蔽帶應與地接通。

3. 開關電源的電磁兼容性設計考慮的因素還很多，如印制板的制作、元器件的布局以及各種電源線、信號線的捆扎、配置等，有許多工作要做。全面抑制開關電源的各種噪聲會大大提高開關電源的電磁兼容性，使開關電源得到更廣泛的應用。

參考文獻
1 美國PI公司產品資料，2000
2 沙占友．單片開關電源的最新應用技術.機械工業(yè)出版社，2003
3 白同云．電子電路實用抗干擾技術．北京郵電大學出版社，2002