PWM控制電路的基本構(gòu)成及工作原理

引言

　　開關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，其特點(diǎn)是頻率高，效率高，功率密度高，可靠性高。然而，由于其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過程本身就是一電磁騷擾（EMD）源，它產(chǎn)生的EMI信號有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。若把這種電源直接用于數(shù)字設(shè)備，則設(shè)備產(chǎn)生的EMI信號會變得更加強(qiáng)烈和復(fù)雜。

　　本文從開關(guān)電源的工作原理出發(fā)，探討抑制傳導(dǎo)干擾的EMI濾波器的設(shè)計(jì)以及對輻射EMI的抑制。

1 開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的機(jī)理

　　數(shù)字設(shè)備中的邏輯關(guān)系是用脈沖信號來表示的。為便于分析，把這種脈沖信號適當(dāng)簡化，用圖1所示的脈沖串表示。根據(jù)傅里葉級數(shù)展開的方法，可用式（1）計(jì)算出信號所有各次諧波的電平。

　　式中：An為脈沖中第n次諧波的電平；

　　Vo為脈沖的電平；

　　T為脈沖串的周期；

　　tw為脈沖寬度；

　　tr為脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間。

　　開關(guān)電源具有各式各樣的電路形式，但它們的核心部分都是一個(gè)高電壓、大電流的受控脈沖信號源。假定某PWM開關(guān)電源脈沖信號的主要參數(shù)為：Vo=500V，T=2×10－5s，tw=10－5s，tr=0.4×10－6s，則其諧波電平如圖2所示。

　　圖2中開關(guān)電源內(nèi)脈沖信號產(chǎn)生的諧波電平，對于其他電子設(shè)備來說即是EMI信號，這些諧波電平可以從對電源線的傳導(dǎo)干擾（頻率范圍為0.15～30MHz）和電場輻射干擾（頻率范圍為30～1000MHz）的測量中反映出來。

　　在圖2中，基波電平約160dBμV，500MHz約30dBμV，所以，要把開關(guān)電源的EMI電平都控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值內(nèi)，是有一定難度的。

2 開關(guān)電源EMI濾波器的電路設(shè)計(jì)

　　當(dāng)開關(guān)電源的諧波電平在低頻段（頻率范圍0.15～30MHz）表現(xiàn)在電源線上時(shí)，稱之為傳導(dǎo)干擾。要抑制傳導(dǎo)干擾相對比較容易，只要使用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器，就能將其在電源線上的EMI信號電平抑制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值內(nèi)。

　　要使EMI濾波器對EMI信號有最佳的衰減性能，則濾波器阻抗應(yīng)與電源阻抗失配，失配越厲害，實(shí)現(xiàn)的衰減越理想，得到的插入損耗特性就越好。也就是說，如果噪音源內(nèi)阻是低阻抗的，則與之對接的EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是高阻抗（如電感量很大的串聯(lián)電感）；如果噪音源內(nèi)阻是高阻抗的，則EMI濾波器的輸入阻抗應(yīng)該是低阻抗（如容量很大的并聯(lián)電容）。這個(gè)原則也是設(shè)計(jì)抑制開關(guān)電源EMI濾波器必須遵循的。

　　幾乎所有設(shè)備的傳導(dǎo)干擾都包含共模噪音和差模噪音，開關(guān)電源也不例外。共模干擾是由于載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時(shí)存在的。由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會互相轉(zhuǎn)變，情況十分復(fù)雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路，如圖3所示。

　　圖中：差模抑制電容Cx1，Cx20.1～0.47μF；

　　差模抑制電感L1，L2100～130μH；

　　共模抑制電容Cy1，Cy2<10000pF；

　　共模抑制電感L15～25mH。

　　設(shè)計(jì)時(shí)，必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開關(guān)電源的工作頻率，一般要低于10kHz，即

　　在實(shí)際使用中，由于設(shè)備所產(chǎn)生的共模和差模的成分不一樣，可適當(dāng)增加或減少濾波元件。具體電路的調(diào)整一般要經(jīng)過EMI試驗(yàn)后才能有滿意的結(jié)果，安裝濾波電路時(shí)一定要保證接地良好，并且輸入端和輸出端要良好隔離，否則，起不到濾波的效果。

　　開關(guān)電源所產(chǎn)生的干擾以共模干擾為主，在設(shè)計(jì)濾波電路時(shí)可嘗試去掉差模電感，再增加一級共模濾波電感。常采用如圖4所示的濾波電路，可使開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾下降了近30dB，比CISOR22標(biāo)準(zhǔn)的限值低了近6dB以上。

　　還有一個(gè)設(shè)計(jì)原則是不要過于追求濾波效果而造成成本過高，只要達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。

3 輻射EMI的抑制措施

　　如前所述，開關(guān)電源是一個(gè)很強(qiáng)的騷擾源，它來源于開關(guān)器件的高頻通斷和輸出整流二極管反向恢復(fù)。很強(qiáng)的電磁騷擾信號通過空間輻射和電源線的傳導(dǎo)而干擾鄰近的敏感設(shè)備。除了功率開關(guān)管和高頻整流二極管外，產(chǎn)生輻射干擾的主要元器件還有脈沖變壓器及濾波電感等。

　　雖然，功率開關(guān)管的快速通斷給開關(guān)電源帶來了更高的效益，但是，也帶來了更強(qiáng)的高頻輻射。要降低輻射干擾，可應(yīng)用電壓緩沖電路，如在開關(guān)管兩端并聯(lián)RCD緩沖電路，或電流緩沖電路，如在開關(guān)管的集電極上串聯(lián)20～80μH的電感。電感在功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)能避免集電極電流突然增大，同時(shí)也可以減少整流電路中沖擊電流的影響。

　　功率開關(guān)管的集電極是一個(gè)強(qiáng)干擾源，開關(guān)管的散熱片應(yīng)接到開關(guān)管的發(fā)射極上，以確保集電極與散熱片之間由于分布電容而產(chǎn)生的電流流入主電路中。為減少散熱片和機(jī)殼的分布電容，散熱片應(yīng)盡量遠(yuǎn)離機(jī)殼，如有條件的話，可采用有屏蔽措施的開關(guān)管散熱片。

　　整流二極管應(yīng)采用恢復(fù)電荷小，且反向恢復(fù)時(shí)間短的，如肖特基管，最好是選用反向恢復(fù)呈軟特性的。另外在肖特基管兩端套磁珠和并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)均可減少干擾，電阻、電容的取值可為幾Ω和數(shù)千pF，電容引線應(yīng)盡可能短，以減少引線電感。實(shí)際使用中一般采用具有軟恢復(fù)特性的整流二極管，并在二極管兩端并接小電容來消除電路的寄生振蕩。

　　負(fù)載電流越大，續(xù)流結(jié)束時(shí)流經(jīng)整流二極管的電流也越大，二極管反向恢復(fù)的時(shí)間也越長，則尖峰電流的影響也越大。采用多個(gè)整流二極管并聯(lián)來分擔(dān)負(fù)載電流，可以降低短路尖峰電流的影響。

　　開關(guān)電源必須屏蔽，采用模塊式全密封結(jié)構(gòu)，建議用1mm以上厚度的鍍鋅鋼板，屏蔽層必須良好接地。在高頻脈沖變壓器初、次級之間加一屏蔽層并接地，可以抑制干擾的電場耦合。將高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感等磁性元件加上屏蔽罩，可以將磁力線限制在磁阻小的屏蔽體內(nèi)。

　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，對輻射干擾超過標(biāo)準(zhǔn)限值20dB左右的某開關(guān)電源，采用了一些在實(shí)驗(yàn)室容易實(shí)現(xiàn)的措施，進(jìn)行了如下的改進(jìn)：

——在所有整流二極管兩端并470pF電容；

——在開關(guān)管G極的輸入端并50pF電容，與原有的39Ω電阻形成一RC低通濾波器；

——在各輸出濾波電容（電解電容）上并一0.01μF電容；

——在整流二極管管腳上套一小磁珠；

——改善屏蔽體的接地。

　　經(jīng)過上述改進(jìn)后，該電源就可以通過輻射干擾測試的限值要求。

4 結(jié)語

　　隨著電子產(chǎn)品的電磁兼容性日益受到重視，抑制開關(guān)電源的EMI，提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量，使之符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，已成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者越來越關(guān)注的問題。本文是在分析干擾產(chǎn)生機(jī)理、以及大量實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了行之有效的抑制措施。