工程師不可不知的開關電源關鍵設計（三）
牽涉到開關電源技術設計或分析成為電子工程師的心頭之痛已是不爭的事實，由于廣大工程師網(wǎng)友對前兩期的熱烈反響，電子發(fā)燒友再接再厲推出《工程師不可不知的開關電源關鍵設計》系列三和工程師們一起分享，請各位繼續(xù)關注后續(xù)章節(jié)。
一、開關電源的電磁兼容性技術分析
1 引言
電磁兼容是一門新興的跨學科的綜合性應用學科。作為邊緣技術，它以電氣和無線電技術的基本理論為基礎，并涉及許多新的技術領域，如微波技術、微電子技術、計算機技術、通信和網(wǎng)絡技術以及新材料等。電磁兼容技術應用的范圍很廣，幾乎所有現(xiàn)代化工業(yè)領域，如電力、通信、交通、航天、軍工、計算機和醫(yī)療等都必須解決電磁兼容問題。其研究的熱點內(nèi)容主要有：電磁干擾源的特性及其傳輸特性、電磁干擾的危害效應、電磁干擾的抑制技術、電磁頻譜的利用和管理、電磁兼容性標準與規(guī)范、電磁兼容性的測量與試驗技術、電磁泄漏與靜電放電等。
電磁兼容的英文名稱為Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC。所謂電磁兼容是指設備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。這里包含兩層意思，即它工作中產(chǎn)生的電磁輻射要限制在一定水平內(nèi)，另外它本身要有一定的抗干擾能力。這便是設備研制中所必須解決的兼容問題。電磁兼容技術涉及的頻率范圍寬達0 GHz ~400GHz，研究對象除傳統(tǒng)設備外，還涉及芯片級，直到各種艦船、航天飛機、洲際導彈甚至整個地球的電磁環(huán)境。
電磁兼容三要素是干擾源（騷擾源）、耦合通路和敏感體。切斷以上任何一項都可解決電磁兼容問題，電磁兼容的解決常用的方法主要有屏蔽、接地和濾波。
2 電磁兼容技術名詞
（1）電磁兼容性
電磁兼容性是指設備或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。
（2）電磁騷擾
電磁騷擾是指任何可能引起設備、裝備或系統(tǒng)性能降低或者對有生命或者無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾可引起設備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。它的主要要素有自然和人為的騷擾源、通過公共地線阻抗/內(nèi)阻的耦合、沿電源線傳導的電磁騷擾和輻射干擾等。電子系統(tǒng)受干擾的路徑為：經(jīng)過電源，通過信號線或控制電纜、場滲透，經(jīng)過天線直接進入；通過電纜耦合，從其他設備來的傳導干擾；電子系統(tǒng)內(nèi)部場耦合；其他設備的輻射干擾；電子設備外部耦合到內(nèi)部場；寬帶發(fā)射機天線系統(tǒng)；外部環(huán)境場等。
（3）電磁環(huán)境
電磁環(huán)境是一種明顯不傳送信息的時變電磁現(xiàn)象，它可能與有用信號疊加或組合。
（4）電磁輻射
電磁輻射是指電磁波由源發(fā)射到空間的現(xiàn)象。“電磁輻射”一詞的含義有時也可引申，將電磁感應現(xiàn)象也包含在內(nèi)。RFI/EMI可以通過任何一種設備機殼的開口、通風孔、出入口、電纜、測量孔、門框、艙蓋、抽屜和面板以及機殼的非理想連接面等進行輻射。RFI/EMI也可由進入敏感設備的導線和電纜進行輻射，任何一個良好的電磁能量輻射器也可以作為良好的接收器。
（5）脈沖
脈沖是指在短時間內(nèi)突變，隨后又迅速返回至其初始值的物理量。
（6）共模干擾和差模干擾
電源線上的干擾有共模干擾和差模干擾兩種方式。共模干擾存在于電源任何一相對大地或電線對大地之間。共模干擾有時也稱縱模干擾、不對稱干擾或接地干擾。這是載流導體與大地之間的干擾。差模干擾存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。這是載流導體之間的干擾。共模干擾提示了干擾是由輻射或串擾耦合到電路中的，而差模干擾則提示了干擾是源于同一條電源電路。通常這兩種干擾是同時存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會相互轉(zhuǎn)化，所以情況十分復雜。干擾經(jīng)長距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模大，這是因為線間阻抗與線-地阻抗不同的緣故。出于同一原因，共模干擾在線路傳輸中還會向鄰近空間輻射，而差模則不會，因此共模干擾比差模更容易造成電磁干擾。不同的干擾方式要采取不同的干擾抑制方法才有效。判斷干擾方法的簡便方法是采用電流探頭。電流探頭先單獨環(huán)繞每根導線，得出單根導線的感應值，然后再環(huán)繞兩根導線（其中一根是地線），探測其感應情況。如感應值是增加的，則線路中干擾電流是共模的；反之則是差模的。
（7）抗擾度電平和敏感性電平
抗擾度電平是指將某給定的電磁騷擾施加于某一裝置、設備或者系統(tǒng)并使其仍然能夠正常工作且保持所需性能等級時的最大騷擾電平。也就是說，超過此電平時該裝置、設備或者系統(tǒng)就會出現(xiàn)性能降低。而敏感性電平是指剛剛開始出現(xiàn)性能降低的電平。所以，對某一裝置、設備或者系統(tǒng)而言，抗擾度電平與敏感性電平是同一數(shù)值。
（8）抗擾度裕量
抗擾度裕量是指裝備、設備或者系統(tǒng)的抗擾度電平限值與電磁兼容電平之間的插值。
3 開關電源的電磁兼容性
開關電源因工作在高電壓大電流的開關工作狀態(tài)下，引起電磁兼容性問題的原因是相當復雜的。從整機的電磁性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合及電磁波耦合幾種。共阻耦合主要是騷擾源與受騷擾體在電氣上存在的共同阻抗，通過該阻抗使騷擾信號進入受騷擾體。線間耦合主要是產(chǎn)生騷擾電壓及騷擾電流的導線或PCB線因并行布線而產(chǎn)生的相互耦合。電場耦合主要是由于電位差的存在，產(chǎn)生感應電場對受騷擾體產(chǎn)生的場耦合。磁場耦合主要是指在大電流的脈沖電源線附近，產(chǎn)生的低頻磁場對騷擾對象產(chǎn)生的耦合。電磁場耦合主要是由于脈動的電壓或電流產(chǎn)生的高頻電磁波通過空間向外輻射，對相應的受騷擾體產(chǎn)生的耦合。實際上，每一種耦合方式是不能嚴格區(qū)分的，只是側(cè)重點不同而已。
在開關電源中，主功率開關管在很高的電壓下，以高頻開關方式工作，開關電壓及開關電流均接近方波，從頻譜分析知，方波信號含有豐富的高次諧波。該高次諧波的頻譜可達方波頻率的1000次以上。同時，由于電源變壓器的漏電感及分布電容以及主功率開關器件的工作狀態(tài)非理想，在高頻開或關時，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波震蕩。該諧波震蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過開關管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續(xù)流的開關二極管，也是產(chǎn)生高頻騷擾的一個重要原因。因整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關狀態(tài)，二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻震蕩。整流及續(xù)流二極管一般離電源輸出線較近，其產(chǎn)生的高頻騷擾最容易通過直流輸出線傳出。開關電源為了提高功率因數(shù)，均采用了有源功率因數(shù)校正電路。同時，為了提高電路的效率及可靠性，減少功率器件的電應力，大量采用了軟開關技術。其中零電壓、零電流或零電壓/零電流開關技術應用最為廣泛。該技術極大的降低了開關器件所產(chǎn)生的電磁騷擾。但是，軟開關無損吸收電路多數(shù)利用L、C進行能量轉(zhuǎn)移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐崿F(xiàn)能量的單向轉(zhuǎn)換，因此，該諧振電路中的二極管成為電磁騷擾的一大騷擾源。
開關電源一般利用儲能電感及電容器組成L、C濾波電路，實現(xiàn)對差模及共模騷擾信號的濾波。由于電感線圈的分布電容，導致了電感線圈的自諧振頻率降低，從而使大量的高頻騷擾信號穿過電感線圈，沿交流電源線或直流輸出線向外傳播。濾波電容器隨著騷擾信號頻率的上升，引線電感的作用導致電容量及濾波效果不斷的下降，甚至導致電容器參數(shù)改變，也是產(chǎn)生電磁騷擾的一個原因。
4 電磁兼容性的解決方法
從電磁兼容的三要素講，要解決開關電源的電磁兼容性問題，可從三個方面入手：第一，減小騷擾源產(chǎn)生的騷擾信號；第二，切斷騷擾信號的傳播途徑；第三，增強受騷擾體的抗騷擾能力。在解決開關電源內(nèi)部的兼容性時，可以綜合利用上述三個方法，以成本效益比及實施的難易性為前提。因而，開關電源產(chǎn)生的對外騷擾，如電源線諧波電流、電源線傳導騷擾、電磁場輻射騷擾等只能用減小騷擾源的方法來解決。一方面，可以增強輸入/輸出濾波電路的設計，改善APFC電路的性能，減小開關管及整流、續(xù)流二極管的電壓、電流變化率，采用各種軟開關電路拓撲及控制方式等；另一方面，加強機殼的屏蔽效果，改善機殼的縫隙泄漏，并進行良好的接地處理。而對外部的抗騷擾能力（如浪涌、雷擊）應優(yōu)化交流電輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對1.2/50µs開路電壓及8/20µs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，通常采用氧化鋅壓敏電阻與氣體方電管等的組合方法來解決。對于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號電路中，采用TVS管及相應的接地保護、加大小信號電路與機殼等的電距離來解決或選用具有抗靜電騷擾的器件。快速瞬變信號含有很寬的頻譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，采用與防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強輸入電路的共模信號濾波（加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等）來提高系統(tǒng)的抗擾性能。
減小開關電源的內(nèi)部騷擾，實現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關電源的穩(wěn)定性及可靠性，應從以下幾個方面入手：①注意數(shù)字電路與模塊電路PCB布線的正確分區(qū)；②數(shù)字電路與模擬電路電源的去耦；③數(shù)字電路與模擬電路單點接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點接地以減小共阻騷擾，減小地環(huán)地影響，布線時注意相鄰線間的間距及信號性質(zhì)，避免產(chǎn)生串擾，減小輸出整流回路及續(xù)流二極管回路與支流濾波電路所包圍的面積，減小變壓器的漏電、濾波電感的分布電容，運用諧振頻率高的濾波電容器等。
5 濾波器結(jié)構(gòu)
濾波是一種抑制傳導干擾的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由開關電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元，在設備或系統(tǒng)的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。它不僅可以抑制傳輸線上的傳導干擾，同時對傳輸線上的輻射發(fā)射也具有顯著的抑制效果。在濾波電路中，選用穿心電容、三端電容、鐵氧體磁環(huán)，能夠改善電路的濾波特性。進行適當?shù)脑O計或選擇合適的濾波器，并正確的安裝濾波器是抗干擾技術的重要組成部分。在交流電輸入端加裝的電源濾波器電路如圖1所示。圖中Ld、Cd用于抑制差模噪聲，一般取Ld為100 mH -700mH，Cd取1µF -10µF。Lc、Cc用于抑制共模噪聲，可根據(jù)實際情況加以調(diào)整。
所有電源濾波器都必須接地（廠家特別說明允許不接地的除外），因為濾波器的共模旁路電容必須在接地時才起作用。一般的接地方法是除了將濾波器與金屬外殼相接之外，還要用較粗的導線將濾波器外殼與設備的接地點相連。接地阻抗越低，濾波效果越好。
濾波器盡量安裝在靠近電源入口處。濾波器的輸入及輸出端要盡量遠離，避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。
如在電源輸出端加輸出濾波器、加裝高頻電容、加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的容量，則可以抑制差模噪聲。如果把多個電容并聯(lián)，則效果會更好。
幾種濾波器的構(gòu)成如圖2所示。在圖2（a）中，阻抗Z=1/（ωC1），高頻區(qū)域用陶瓷電容、聚酯薄膜電容并聯(lián)，其濾波效果更好。圖2（b）中，噪聲能通過電容旁路到地線上，這種濾波器連接時應使接地阻抗盡量小。圖2（c）中，C1、C2對不對稱噪聲有良好的濾波效果，C3對對稱噪聲有良好的濾波效果，連接時應使電容器的引線及接地線盡量短。圖2（d）為常用的噪聲濾波電路，L1、L2對噪聲呈現(xiàn)高阻抗，而C1則對噪聲呈現(xiàn)低阻抗。當L1、L2采用共模電感結(jié)構(gòu)時，對對稱和非對稱噪聲都有較好的濾波效果。圖2（e）適用于共模噪聲進行濾波，應注意的是其接地阻抗同樣應盡量小。
圖3是對共模噪聲和差模噪聲都有效的濾波器電路。其中，L1、L2、C1為抑制差模噪聲回路，L3、C2、C3構(gòu)成抑制共模噪聲回路。L1、L2的鐵心應選擇不易磁飽和的材料及M-F特性優(yōu)良的鐵心材料。C1使用陶瓷電容或聚酯薄膜電容，應有足夠的耐壓值，其容量一般取0.22µF -0.47µF。L3為共模電感，對共模噪聲具有較高的阻抗、較好的抑制效果。
6 EMI濾波器選用與安裝
開關電源EMI濾波器中的4只電容器用了兩種不同的下標“x”和“y”，不僅說明了它們在濾波網(wǎng)絡中的作用，還表明了它們在濾波網(wǎng)絡中的安全等級。無論是選用還是設計EMI濾波器，都要認真的考慮Cx和Cy的安全等級。在實際應用中，Cx電容接在單相電源線的L和N之間，它上面除加有電源額定電壓外，還會疊加L和N之間存在的EMI信號峰值電壓。因此，要根據(jù)EMI濾波器的應用場合和可能存在的EMI信號峰值，正確選用適合安全等級的Cx電容器。Cy電容器是接在電源供電線L、N與金屬外殼（E）之間的，對于220V、50Hz電源，它除符合250V峰值電壓的耐壓要求外，還要求這種電容器在電氣和機械性能方面具有足夠的安全裕量，以避免可能出現(xiàn)的擊穿短路現(xiàn)象。
EMI濾波器是具有互異性的，即把負載接在電源端還是負載端均可。在實際應用中，為達到有效抑制EMI信號的目的，必須根據(jù)濾波器兩端將要連接的EMI信號源阻抗和負載阻抗來選擇該濾波器的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和參數(shù)。當EMI濾波器兩端阻抗都處于失配狀態(tài)時，即圖4中Zs≠Zin、ZL≠Zout時，EMI信號會在其輸入和輸出端產(chǎn)生反射，增加對EMI信號的衰減。其信號的衰減A與反射Γ的關系為：A=–10Lg（1-|Γ|2）。
在使用開關電源濾波器時，要注意濾波器在額定電流下的電源頻率。在安裝濾波器時，要特別注意濾波器的輸入導線與輸出導線的間隔距離，不能把它們捆在一起走線，否則EMI信號很容易從輸入線上耦合到輸出線上，這將大大降低濾波器的抑制效果。
7 結(jié)語
在開關電源設計中，為了少走彎路和節(jié)省時間，應充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設計完成后去進行抗干擾的補救措施。
二、基于UC3845的反激式開關電源設計
引言
反激式開關電源以其結(jié)構(gòu)簡單、元器件少等優(yōu)點在自動控制及智能儀表的電源中得到廣泛的應用。開關電源的調(diào)節(jié)部分通常采用脈寬調(diào)制（PWM）技術，即在主變換器周期不變的情況下，根據(jù)輸入電壓或負載的變化來調(diào)節(jié)功率MOSFET管導通的占空比，從而使輸出電壓穩(wěn)定。脈寬調(diào)制的方法很多，本文中所介紹的是一種高性能的固定頻率電流型脈寬集成控制芯片UC3845。該芯片是專為離線的直流至直流變換器應用而設計的。其主要特點是具有內(nèi)部振蕩器、高精度誤差比較器、逐周電流取樣比較、啟動電流小、大電流圖騰柱輸出等，是驅(qū)動MOSFET的理想器件。
1 UC3845簡介
UC3845芯片為SO8或SO14管腳塑料表貼元件。專為低壓應用設計。其欠壓鎖定門限為8.5v（通），7.6V（斷）；電流模式工作達500千赫輸出開關頻率；在反激式應用中最大占空比為0.5;輸出靜區(qū)時間從50%~70%可調(diào)；自動前饋補償；鎖存脈寬調(diào)制，用于逐周期限流；內(nèi)部微調(diào)的參考源；帶欠壓鎖定；大電流圖騰柱輸出；輸入欠壓鎖定，帶滯后；啟動及工作電流低。
芯片管腳圖及管腳功能如圖1所示。
圖1 UC3845芯片管腳圖
1腳：輸出/補償，內(nèi)部誤差放大器的輸出端。通常此腳與腳2之間接有反饋網(wǎng)絡，以確定誤差放大器的增益和頻響。
2腳：電壓反饋輸入端。此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準電壓（2.5 V）進行比較，調(diào)整脈寬。
3腳：電流取樣輸入端。
4腳：R T/CT振蕩器的外接電容C和電阻R的公共端。通過一個電阻接Vref通過一個電阻接地。
5腳：接地。
6腳：圖騰柱式PWM輸出，驅(qū)動能力為土1A.
7腳：正電源腳。
8腳：V ref，5V基準電壓，輸出電流可達50mA.
2 設計方法
如圖2為基于U C3845反激式開關電源的電路圖，虛線框內(nèi)為UC3845內(nèi)部簡化方框圖。
1）啟動電壓和電容的選擇
交流電源115VAC經(jīng)整流、濾波后為一個紋波非常小的直流高壓Udc，該電壓根據(jù)交流電源范圍往往可得到一個最大Udcmax， 一 和最小電壓Udcmin 。
當直流輸入電壓大于1 44V以上時，U C3845應啟動開始工作，啟動電阻應由線路直流電壓和啟動所需電流來確定。
根據(jù)UC3845的參數(shù)分析可知，當啟動電壓低于8.5V時，UC3845的整個電路僅消耗lmA的電流，即UC3845的典型啟動電壓為8.5V，電流為1mA.加上外圍電路損耗約0.5mA，即整個電路損耗約1.5mA.在輸入直流電壓為最小電壓 Ddcmmn時，啟動電阻Rin的計算如下：
圖2 基于UC3845反激式開關電源的電路圖
啟動過程完成后，UC3845的消耗電流會隨著MOSFET管的開通增至100mA左右。該電流由啟動電容在啟動時儲存的電荷量來提供。此時，啟動電容上的電壓會發(fā)生跌落到7.6V以上，要使UC3845fj~保持工作，反饋繞組L 應能及時提供饋電電壓。如電壓低于7.6V欠壓比較器動作，PWM輸出低電平。自饋電時間由UC3845的開關周期決定，取U C3845的振蕩頻率 54kHz.啟動電容的容量可由下式計算得到：
2）反饋繞組的匝數(shù)計算
Ns=Np（Vcc+0.8）（1一Dmax）/（UdcminiDmax ），NP其中為變壓器初級匝數(shù)。
3）濾波
為濾除供電端的高頻信號，Vcc對地接一個瓷片電容，在PCB布線時要注意，不能有電感成分的介入，以免產(chǎn)生干擾，引成電路不穩(wěn)定。
4）占空比D
UC3845會根據(jù)輸入電壓的變化來調(diào)整其工作的占空比。根據(jù)UC3845的參數(shù)要求，設UC3845對應最低直流電壓輸入時最大占空比Dmax=0.5.
當輸入直流電壓在144V和177V范圍內(nèi)，UC3845的占空比的范圍為：
5）調(diào)制頻率f
振蕩器OSC的頻率由定時元件RT和CT選擇值決定。電容CT由參考電壓V ref（=5V）通過電阻R充電，充至2.8V，再由內(nèi)部電流宿放電到1.2V，形成鋸齒波脈沖信號，如圖3.不管在大RT 小CT還是大CT小RT，振蕩器充電時鎖存器置位輸入方波為低電平，放電時輸入方波為高電平。
當鎖存器置位輸入方波為高電平時，或非門輸出始終為低電平，封鎖PWM，這段時問由內(nèi)部振蕩器OSC放電過程時間決定。在鎖存器置位輸入方波下降沿同時，如或非門其他三個輸入信號輸入無效電平時，或非門輸出為高電平，MOSFET管導通。
其他三個輸入信號分別為：一個為電流取樣比較器輸出，一個為誤差放大器輸出，一個為輸入欠壓比較器輸出。
為濾除參考端的高頻信號，V 對地接一個瓷片電容，在PCB布線時要注意，不能有電感成分的介人，以免產(chǎn)生干擾，引成電路振蕩打隔。
OSC振蕩頻率f=1.8/（RtCt）， 當取RT=33kf2，CT=1000PF，f=-54kHz.
6）電流取樣比較
在圖2中，MOSFET管導通時，Udc =Ldi/dt，變壓器電感電流以斜率Udc/L線性增長，L為變壓器的初級電感。在MOSFET管的源極與地間串接一個無感取樣電阻Rs，將變壓器的初級電流轉(zhuǎn)換成取樣電壓Ud =RS i.在輸出同樣的功率下，輸入直流電壓越小，變壓器一次電流也越大，通過MOSFET管的電流也越大。為保護M0SFET管不致?lián)p壞， 需計算電感峰值電流Ip=2P/（UdcminUmax ）。選擇功率MOSFET管的最大峰值電流Icmax應大于1.3Ip.
取樣電壓Ud經(jīng)RC濾波后，送到UC3845的3腳。當該電壓超過lV時，比較器輸出高電平，送到RS鎖存器的復位端，PWM輸出為低電平，使PWM的占空比減小，從而限制電感峰值電流。
無感取樣電阻尺。的電阻值為：Rs=l/Ip，功率1W.而RC濾波器的時間常數(shù)接近尖脈沖的持續(xù)時間，否則引起電源輸出的不穩(wěn)定。取R=lk，C=470PF.
7）誤差比較器
Vref經(jīng)電阻分壓為2.5V接至誤差比較器的正端，而負端（2腳）接外部監(jiān)測電壓輸入。誤差比較器（1腳）輸出用于外部回路的補償，如圖2，輸出電壓因兩個二極管壓降而失調(diào)（=1.4V），并在連接到取樣比較器反向輸入端之前被三分。2腳和1腳間接一個RC網(wǎng)絡進行環(huán)路補償。取R 11=150kQ，C11=100PF.
外部監(jiān)測電壓輸入端（2腳）可用于對輸出回路引入電壓反饋環(huán)節(jié)，如對主輸出回路5V的穩(wěn)定度要求不高，可將饋電電壓引入，以監(jiān)測輸出回路過電壓。Vcc經(jīng)電阻分壓接到UC3845~b部監(jiān)測電壓輸入端，當由于某種原因，輸出回路電壓升高時， 外部監(jiān)測電壓輸入端大于2.5V， 誤差比較器輸出小于2.5V，結(jié)合電流取樣比較輸入電壓，PWM輸出為低電平， 使PWM的占空比減小， 輸出回路電壓減小。如果對主回路輸出5V電壓的精度有要求。應采用反饋電路由光耦PC817、TL431及與之相連的阻容網(wǎng)絡構(gòu)成。其控制原理如下：
主回路5V輸出輸出電壓經(jīng)電阻分壓后得到采樣電壓，此采樣電壓與TL43 l提供的2.5V參考電壓進行比較，當輸出電壓正常（5V）時，采樣電壓與TL43l提供的2.5V參考電壓相等則TL431的K極電位不變，流過光耦二極管的電流不變，流過光耦的電流不變，UC3845的2腳輸入電壓不變，1腳電位穩(wěn)定，6腳輸出PWM驅(qū)動的占空比不變，輸出電壓穩(wěn)定在設定值不變。
當輸出5V電壓因為某種原因偏高時，經(jīng)電阻分壓值就會大于2.5V，則TL431的K極電位下降，流過光耦二極管的電流增大，則流過光耦的電流增大，UC3845的2腳輸入電壓上升到大于2.5V，l腳電位下降，6腳輸出驅(qū)動脈沖PWM的占空比下降，輸出電壓降低，這樣就完成了主回路輸出電壓反饋穩(wěn)壓的作用。
3 結(jié)束語
實踐證明，基于UC3845的反激式開關電源具有輸入電壓范圍寬、輸出電壓精度高、負載的調(diào)整效率高等特點。本電源應用于網(wǎng)絡電測儀表中，收到了良好的效果，具有一定的推廣價值。
三、開關電源中浪涌電流抑制模塊的應用
1 上電浪涌電流
目前，考慮到體積，成本等因素，大多數(shù)AC/DC變換器輸入整流濾波采用電容輸入式濾波方式，電路原理如圖1所示。由于電容器上電壓不能躍變，在整流器上電之初，濾波電容電壓幾乎為零，等效為整流輸出端短路。如在最不利的情況（上電時的電壓瞬時值為電源電壓峰值）上電，則會產(chǎn)生遠高于整流器正常工作電流的輸入浪涌電流，如圖2所示。當濾波電容為470μF并且電源內(nèi)阻較小時，第一個電流峰值將超過100A，為正常工作電流峰值的10倍。
浪涌電流會造成電源電壓波形塌陷，使得供電質(zhì)量變差，甚至會影響其他用電設備的工作以及使保護電路動作；由于浪涌電流沖擊整流器的輸入熔斷器，使其在若干次上電過程的浪涌電流沖擊下而非過載熔斷。為避免這類現(xiàn)象發(fā)生，而不得不選用更高額定電流的熔斷器，但將出現(xiàn)過載時熔斷器不能熔斷，起不到保護整流器及用電電路的作用；過高的上電浪涌電流對整流器和濾波電容器造成不可恢復的損壞。因此，必須對帶有電容濾波的整流器輸入浪涌電流加以限制。
2 上電浪涌電流的限制
限制上電浪涌電流最有效的方法是，在整流器與濾波電容器之間，或在整流器的輸入側(cè)加一負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），如圖3所示。利用負溫度系數(shù)熱敏電阻在常溫狀態(tài)下具有較高阻值來限制上電浪涌電流，上電后由于NTC流過電流發(fā)熱使其電阻值降低以減小NTC上的損耗。這種方法雖然簡單，但存在的問題是限制上電浪涌電流性能受環(huán)境溫度和NTC的初始溫度影響，在環(huán)境溫度較高或在上電時間間隔很短時，NTC起不到限制上電浪涌電流的作用，因此，這種限制上電浪涌電流方式僅用于價格低廉的微機電源或其他低成本電源。而在彩色電視機和顯示器上，限制上電浪涌電流則采用串一限流電阻，電路如圖4所示。最常見的應用是彩色電視機，這種方法的優(yōu)點是簡單，可靠性高，允許在寬環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作，其缺點是限流電阻上有損耗，降低了電源效率。事實上整流器上電處于穩(wěn)態(tài)工作后，這一限流電阻的限流作用已完成，僅起到消耗功率、發(fā)熱的負作用，因此，在功率較大的開關電源中，采用上電后經(jīng)一定延時后用一機械觸點或電子觸點將限流電阻短路，如圖5所示。這種限制上電浪涌電流方式性能好，但電路復雜，占用體積較大。為使應用這種抑制上電浪涌電流方式，象僅僅串限流電阻一樣方便，本文推出開關電源上電浪涌電流抑制模塊。
3 上電浪涌抑制模塊
3.1 帶有限流電阻的上電浪涌電流抑制模塊
將功率電子開關（可以是MOSFET或SCR）與控制電路封裝在一個相對很小的模塊（如400W以下為25mm×20mm×11mm）中，引出3～4個引腳，外接電路如圖6（a）所示。整流器上電后最初一段時間，外接限流電阻抑制上電浪涌電流，上電浪涌電流結(jié)束后，模塊導通將限流電阻短路，這樣的上電過程的輸入電流波形如圖6（b）所示。很顯然上電浪涌電流峰值被有效抑制，這種上電浪涌電流抑制模塊需外接一限流電阻，用起來很不方便，如何將外接電阻省掉將是電源設計者所希望的。
3.2 無限流電阻的上電浪涌電流抑制模塊
有人提出一種無限流電阻的上電浪涌電流抑制電路如圖7（a）所示，其上電電流波形如圖7（b）所示，其思路是將電路設計成線形恒流電路。實際電路會由于兩極放大的高增益而出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象，但不影響電路工作。從原理上講，這種電路是可行的，但在使用時則有如下問題難以解決：如220V輸入的400W開關電源的上電電流至少需要達到4A，如上電時剛好是電網(wǎng)電壓峰值，則電路將承受4×220×=1248W的功率。不僅遠超出IRF840的125W額定耗散功率，也遠超出IRFP450及IRFP460的150W額定耗散功率，即使是APT的線性MOSFET也只有450W的額定耗散功率。因此，如采用IRF840或IRFP450的結(jié)果是，MOSFET僅能承受有限次數(shù)的上電過程便可能被熱擊穿，而且從成本上看，IRF840的價格可以接受，而IRFP450及IRFP460則難以接受，APT的線性MOSFET更不可能接受。
欲真正實現(xiàn)無限流電阻的上電浪涌電流抑制模塊，需解決功率器件在上電過程的功率損耗問題。作者推出的另一種上電浪涌電流抑制模塊的基本思想是，使功率器件工作在開關狀態(tài)，從而解決了功率器件上電過程中的高功率損耗問題，而且電路簡單。電路如圖8（a）和圖8（b）所示，上電電流波形如圖8（c）所示。
3.3 測試結(jié)果
A模塊在400W開關電源中應用時，外殼溫升不大于40℃，允許間隔20ms的頻繁重復上電，最大峰值電流不大于20A，外形尺寸25mm×20mm×11mm或 35mm×25mm×11mm。
B模塊和C模塊用于800W的額定溫升不大于40℃，重復上電時間間隔不限，上電峰值電流為正常工作時峰值電流的3～5倍，外形尺寸35mm×30mm×11mm或者50mm×30mm×12mm。
模塊的鋁基板面貼在散熱器上，模塊溫度不高于散熱器5℃。
4 結(jié)語
開關電源上電浪涌電流抑制模塊的問世，由于其外接電路簡單，體積小給開關電源設計者帶來了極大方便，特別是無限流電阻方案，國內(nèi)外尚未見到相關報道。同時作者也將推出其它沖擊負載（如交流電機及各種燈類等）的上電浪涌電流抑制模塊。
四、開關電源中電磁干擾的抑制方法
引言
隨著開關電源技術的不斷發(fā)展和日趨成熟，各個應用領域?qū)?a href="http://www.lewole.cn" target=_blank>開關電源的需求也不斷增長，但是，開關電源存在嚴重的電磁干擾（）問題。它不僅對電網(wǎng)造成污染，直接影響到其它用電電器的正常工作，而且作為輻射干擾闖入空間，對空間也造成電磁污染。于是便產(chǎn)生了開關電源的電磁兼容（EMC）問題。電磁兼容是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。
開關電源的電磁干擾可分為傳導干擾和輻射干擾兩大類。傳導干擾通過交流電源傳播，頻率低于30 MHz。輻射干擾通過空氣傳播，頻率在30MHz以上。
本文針對一種桌面式180W塑殼開關電源（負載是12V／15A的半導體制冷冰箱，電源外形大小205mm×90mm×62mm）所存在的電磁干擾超標問題，從原理上進行了分析，并探討了解決方案。
1 180 W開關電源的電路結(jié)構(gòu)分析與電磁干擾測試
1．1 主電路與結(jié)構(gòu)布局分析
該開關電源的電路原理如圖1所示。
電容濾波整流器功率因數(shù)低，整流二極管導通時間較短，濾波電容充電電流瞬時值的峰值大，整流后的電流波形為脈動狀，產(chǎn)生高的諧波電流。
半橋電路中高頻導通和截止的S1、S2、D3、D4和變壓器T1是開關電源的主要騷擾源，產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過開關管與散熱器問的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。
該開關電源的內(nèi)部布局如圖2所示，左邊是交流電源輸入和直流輸出，靠左邊上下兩側(cè)留有通風孔，風機在右邊，采用向外抽風方式散熱，保證塑殼內(nèi)的熱量及時排出，避免熱量在塑殼內(nèi)積聚。該布局的優(yōu)點是通風路比較通暢，但也存在缺點—輸入輸出接口安裝得較近，在它們之間容易產(chǎn)生空間耦合，形成輻射騷擾。
1．2 電磁干擾測試
表l所列為測得的7～21次諧波電流的數(shù)值，其中11、15、17次諧波電流都超標。
輻射騷擾預測結(jié)果在30～50MHz和100MHz處超出限值，如圖4所示。
2 電磁干擾的抑制
2．1 諧波電流的抑制
采用功率因數(shù)校正可以解決諧波電流超標的問題。有源功率因數(shù)校正采用Boost升壓PFC電路，功率因數(shù)提高到O．99以上，使得諧波電流很小，但電路復雜，成本也不低，而且電路中的開關管和高壓整流二極管的開關噪聲將成為新的騷擾源，使整機的EMI達標增加了難度。
考慮到在交流輸入電壓（AC 220～250V）范圍內(nèi)，滿足電壓調(diào)整率情況下，適當減小濾波電容，輸入串聯(lián)電阻可以在一定程度上降低濾波電容充電電流瞬時值的峰值，滿足諧波電流限值，且功率損耗在可以接受的范圍之內(nèi)，整機電源效率下降不多，也不失為較好方法。采用這一方法后實測諧波電流值如表2所列。
2.2傳導騷擾的抑制
傳導噪聲主要來源半橋中功率開關管S1及S2以頻率25 kHz交替工作，功率開關管集電極發(fā)射極電壓Uce和發(fā)射極電流，。波形接近矩形波。傅立葉分析表明，矩形波脈沖具有相當寬的頻率帶寬，含有豐富的高次諧波，脈沖波形的頻譜幅度在低頻段較高。另外，功率開關管在截止期間．高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產(chǎn)生尖峰干擾。
輸入濾波器是為變換器的電磁騷擾電平和外界的電磁騷擾源設計的一種低阻抗通道（即低通濾波器），以抑制或去除電磁騷擾，達到電磁兼容的目的。
如圖5所示，輸人濾波器是由電感（LFI、LF2）和CY電容（C4、C5）及Cx電容（C1、C2、C3）組成的低通濾波器電路構(gòu)成。對頻率較高的噪聲信號有較大的衰減。C1、C2、C3是濾除共模干擾的電容，C4、C5是濾除差模干擾的電容，LF1、LF2是共模線圈。
圖3中低頻傳導干擾（O.15～lMHz范圍）超標，共模噪聲的主要騷擾源是功率開關管，低頻傳導干擾抑制以增加共模電感的電感量為主，當共模電感從原設計的15mH增加到24mH時，低頻傳導干擾最大處下降30dB，得到了顯著改善。如圖6所示。
輸入濾波器對20MHz以下噪聲抑制有明顯的效果。理想輸入濾波器是低通濾波器，但實際上是帶阻濾波器
當開關電源頻率增加時，所需的共模電感可大大減小，共模電感體積也減小。但是，開關電源在20MHz以上頻帶的輻射噪聲份量有所增加，給輻射騷擾的達標帶來麻煩。開關頻率和共模電感的關系如表3所列。
由于共模電感線圈存在寄生電容，高頻噪聲成分經(jīng)過寄生電容向外發(fā)射騷擾，故使用單個大感量共模電感不容易達到好的高頻濾波效果，一般采用兩個共模電感，同樣的電感量抑制高頻噪聲很見效，將有6dB以上的差值。
Cx電容器高頻阻抗頻率特性是一個關系電磁騷擾抑制效果的重要參數(shù)。電容器在高頻使用時等效為r（等效串聯(lián)電阻）+c+L（等效串聯(lián)電感）電路。由于電容器自身的固有電感（即等效串聯(lián)電感）存在，在頻率低的范圍，電容器電抗呈容性，在頻率高的范圍，電容器電抗呈感性，這時抑制騷擾的能力就明顯下降。電容器的固有引線電感越小和騷擾源的高頻內(nèi)阻抗越大，則抑制騷擾的效果越好。
首先，從電磁騷擾源產(chǎn)生的機理人手，查找輻射騷擾源的所在，從根本上降低其產(chǎn)生輻射騷擾噪聲的電平。在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流器和平滑電路的干擾可能比較
嚴重+通過減小環(huán)路面積可以抑制di／dt環(huán)路產(chǎn)生的磁場輻射。整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關狀態(tài)，也是個高頻騷擾源。二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻振蕩，二極管反向恢復的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。
C4及Cs的引線和連接地引線應盡量短，以使接地阻抗盡量小，噪聲能經(jīng)過電容旁路到地線，C4及C5取較大電容量濾波效果好，但是，隨著電容量的增加泄漏電流也增加了，而泄漏電流值是電氣安全中的重要指標，決不允許超過規(guī)定數(shù)值一一般的漏電流限制是3.5 mA，此桌面式塑殼開關電源屬手持式設備，最大漏電流限制為O．75 mA，實測值為O.55mA。
電源輸入線纜要短，濾波器盡量靠近輸入端口，避免濾波器輸入輸出發(fā)生耦合，而失去濾波作用。接地盡量簡短可靠，減小高頻阻抗，使干擾有效旁路。經(jīng)過數(shù)次整改后，得到滿意的結(jié)果如圖7所示。
2．3輻射騷擾的抑制
輻射騷擾足指由任何部件、天線、電纜或連接線輻射的電磁干擾。
通常在電路元件布局上，應盡量使輸入交流和輸出直流插座（包括引線）分開并遠離。采用一端輸入另一端輸出是．種合理的布局。但考慮電源內(nèi)部散熱通風，該電源采用圖2的散熱結(jié)構(gòu)。不可回避的問題是輸入輸出線纜之間可能發(fā)生空間耦合，當有高頻傳導電流通過時就會產(chǎn)生強烈的輻射。
首先，從電磁騷擾源產(chǎn)生的機理入手，查找輻射騷擾源的所在，從根本上降低其產(chǎn)生輻射騷擾噪聲的電平。在輸出電壓比較低的情況下，輸出整流器和平滑電路的干擾可能比較嚴重，通過減小環(huán)路面積可以抑制di／dt環(huán)路產(chǎn)生的磁場輻射。整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關狀態(tài)，也是個高頻騷擾源。二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，且產(chǎn)生高頻振蕩，二極管反向恢復的時間也越長，則尖峰電流的影響也越大。
鐵氧體磁環(huán)和磁珠使用方便，價格便宜，抑制電磁干擾效果明顯。鐵氧體電感的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯(lián)電路，L和R都是頻率的函數(shù)。電阻值隨著頻率增加而增加，這樣就構(gòu)成了一個低通濾波器。低頻時R很小，L起豐要作用，電磁干擾被反射而受到抑制；高頻時R增大，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，使高頻干擾大大衰減。不同的鐵氧體抑制元件，有不同的最佳抑制頻率范圍。通常磁導率越高，抑制的頻率就越低。此外，鐵氧體的體積越大，抑制效果越好。在體積一定時，長而細的形狀比短而粗的抑制效果好，內(nèi)徑越小抑制效果也越好。鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近干擾源的地方。對于輸入、輸出電路，則應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。
整流二極管使用肖特基二極管，其陽極套鐵氧體磁珠（φ3.5×φ1．3×3．5），直流輸出線纜用鐵氧體磁環(huán)繞（φ13．5×φ7.5×7）2.5圈且靠近出口處。整改后輻射干擾最大處下降了約lOdB，但40MHz和100 MHz處余量較小，準峰值測試僅有5dB裕量。考慮到認證過程繁瑣，周期長，而且各個認證檢測服務中心之間允許有2～3dB的誤差，產(chǎn)品的預測應在6dB以上的裕量為合適，如圖8所示。
鐵氧體磁珠、鐵氧體磁環(huán)的使用對騷擾源噪聲的抑制有了較大改善，如仍還不能滿足要求，只好采用屏蔽措施，在輸入輸出之間用2mm厚的鋁板隔離，以切斷通過空間耦合形成的電磁噪聲傳播途徑。結(jié)果輻射騷擾噪聲裕量達到了12dB以上，抑制噪聲效果相當明顯。通過以上措施大3m法電波暗室與IOm法電波暗室測試規(guī)定限值的轉(zhuǎn)換：由于標準GB9254認定ITE（信息技術設備）在10m測量距離處得到輻射騷擾限值，而較多的EMC檢測服務中心是在3m電波暗室內(nèi)測試，因為場強大小與距離成反比，所以在3m法中測得的噪聲電平比在10m法時的噪聲電平值要下降10 dB。
圖4、圖8、圖9是由3m法電波暗室測得，其輻射騷擾限值為30～230MHz準峰值限值40dB，230～1000MHz準峰值限值47dB。圖10是由10m法電波暗室測得，圖9與圖lO比較，輻射噪聲波形相差不多。僅在兒個頻率點的噪聲電平略有增加。
3 結(jié)語
經(jīng)過以上的整改后，再次測試l80W電源的電磁兼容完全達到了設計要求。在電源設計初期解決EMI問題，結(jié)構(gòu)尚未定型，可選用的方法多，有利于降低成本。
除以上所述的抑制措施外，還有其它一些方案，但設計方案都要兼顧電源成本。
與EMI相關的因素多且復雜，僅做到上述的幾點是遠遠不夠的，還有接地技術、PCB布局走線等都是很重要的。電磁兼容的設計任重而道遠，我們要不斷進行研究，以使我國的電子產(chǎn)品電磁兼容水平與國際同步。
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