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反激式電源中電磁干擾及其抑制

發(fā)布時間:2009-06-16

中心議題:

  • 開關電源EMI產生和解決方法

解決方案:

  • 網側高次諧波抑制
  • 高次諧波電流的抑制
  • 采用共模扼流圈
  • 光耦隔離
  • 開關緩沖電路


電路介紹

反激式電源原理圖如圖1所示。
                  
                     
輸入為交流85~200V,經功率二極管整流橋變?yōu)橹绷?,作為DC/DC反激變換器的輸入,輸出為三組直流:5V、15V、20V,另外還有一輔助電源5V,用來給光耦NEC2501供電??刂齐娐窞榉答伩刂疲_關選用TOPSwitch電源芯片(TOP223)。TOPSwitch為三端離線式PWM電源集成控制器,它將PWM控制器與功率開關MOSFET合為一體,采用TO-220或8腳DIP封裝,除D、C2腳外,其余6腳連在一起作為S端。

本電路中TOP223采用UDS>700V的MOSFET,fs=100kHz。在這個Flyback反激式電源中,變壓器原邊繞組33匝,副邊有四組:6匝(對應于輸出Uo2=5V)、11匝(對應于輸出Uo3=15V)、12匝(對應于輸出Uo1=20V)、6匝(對應于輔助電源U=5V)。在副邊,WY1和WY2為穩(wěn)壓器件,WY1輸入在≥8V時,輸出可穩(wěn)在5V;WY2輸入≥18V時,輸出可穩(wěn)在15V。

EMI分析

開關電源工作時,其內部的電壓和電流波形都是在非常短的時間內上升和下降的,所以開關電源本身就是一個噪聲發(fā)生源。開關電源的干擾按噪聲干擾源種類可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種。使電源產生的干擾不至于對電子系統(tǒng)和電網造成危害的根本辦法就是采用耗能電路來削弱噪聲發(fā)生源,或者切斷電源噪聲和電子系統(tǒng)、電網之間的耦合途徑。

網側高次諧波電流

高次諧波電流的危害參照圖1,交流輸入電壓Vi經功率二極管整流橋變?yōu)檎颐}動電壓,被電容C1平滑后成為直流,但電容電流的波形不是正弦波而是脈沖波。如圖2所示。
                      
由圖2中電流波形可知,電流中含有高次諧波。大量電流諧波分量倒流入電網,對電網造成諧波污染,一方面,產生“二次效應”,即電流經過線路阻抗造成諧波電壓降,反過來使電網電壓(原來是正弦波)也發(fā)生畸變;另一方面,會造成電路故障,如線路和配電變壓器過熱,諧波電流會引起電網LC諧振,或高次諧波電流流過電網的高壓電容,使之過流、過熱而爆炸等。另外,由于電流是脈沖波,使電源輸入功率因數降低。因此,必須想辦法解決它。

高次諧波電流的抑制

最簡單的辦法是在整流橋與電容C1之間接入電感線圈L,用其阻止對電容C1較大的充電電流。L對交流呈現感抗為ωL,電容充電電流的平均值常與放電直流電流值相等,則峰值電流被限制,導通角變大。如圖3所示。
                         
若線圈電感足夠大,則電流導通角可達到180°,電流近似正弦波,功率因數趨于1。但是,在實際應用中,如果電感值太大,那么其體積重量隨之變大,從而影響了電源的小型化,而且整流電壓隨著負載變化較大,因此,線圈L也不能太大。本電路中共模扼流圈L2可起到電感的作用,其等效電感為L,則可抑制電容電流的高次諧波。

本電路中采用共模扼流圈L2(如圖1所示)

對開關電源二根進線而言,存在共模干擾(二根線上受干擾信號相對參考點大小、方向相同)和差模干擾(二根線上受干擾信號相對參考點大小相等、方向相反)。共模扼流圈如圖4所示。
                                            
在差模干擾信號作用下,干擾源產生的電流i,在磁芯中產生方向相反的磁通,磁芯中等于沒有磁通,線圈電感幾乎為0,因此不能抑制差模干擾信號。——在共模干擾信號作用下,兩線圈產生的磁通方向相同,有相互加強的作用,每一線圈電感值為單獨存在時的兩倍。因此,這種繞法的電磁線圈對共模干擾有強的抑制作用。本電路中在電網與整流橋之間插入一共模扼流圈,該扼流圈對電網頻率的差模網側電流呈現極低的阻抗,因而對電網頻率的壓降極低;而對電源產生的高頻共模噪聲,等效阻抗較高,因而可以得到希望的插入損耗。

扼流圈L2與電容C10、C1組成低通濾波器扼流圈L2的等效電感為L,以電源端作為輸入,電網方向作為輸出,則電路圖如圖5所示。

                                 

其傳遞函數為




                  - 40lgω LC10。
A(ω ), L(ω )隨頻率ω的變化如圖6所示 。

由此可見,以上LC網絡組成一個低通濾波器,可濾除以上的高次諧波。

開關緩沖電路

由于開關的快速通斷,開關電流、電壓波形為脈沖形式,產生噪聲污染,既增大了電源輸出的紋波,又影響電源的性能,因此,要想辦法抑制。本電路中,輸入為交流85~200V,經整流橋后電容上的電壓約為此交流有效值的1.2~1.4倍,最大時為Ucm=200×1.4=280V。另外,變壓器副邊折合到原邊的電壓Up=Us×33/6,Us取副邊第一繞組(5V繞組)的電壓。考慮到WY1輸入≥8V,取10V,則Up=Us×33/6=10×33/6=55V。那么開關關斷時所要承受的總電壓Ut=Ucm+Up=280+55=335V??梢妼﹂_關的過壓保護是必要的。本Flyback電源中采用TOPSwitch開關,其內部有過壓保護和緩沖電路。為保險起見,在電路中還是加入了外部的過壓保護電路(R21和C21)。

                         
未加緩沖電路和加入緩沖電路之后開關管電壓Ut和電流i及功耗Pt的波形如圖7所示。由圖7可知,加RC緩沖電路后,開關電壓上升速率減慢,變小,噪聲減弱,抑制了EMI。另外,開關功耗變小,使管子不致因過流過熱而損壞。緩沖電路中的R21是在開關開通,電容C21放電時起到限流作用,避免對管子的沖擊。
2) 對于開關開通時的電流沖擊,因為有變壓器原邊線圈Np電感的限流,因此本電路中沒有加限流電感。

光耦隔離

由于控制電路對噪聲敏感,一旦有噪聲,將會引起控制電路中的控制信號紊亂,而嚴重影響電源的工作。為了保證開關電源的正常工作,要求控制電路必須具有高精度和高穩(wěn)定性,為此,必須將主電路與控制電路隔離。本電路中,用NEC2501將電源中的兩部分進行電隔離:一部分是作為控制電路電源的變壓器副邊輔助電源,另一部分是主電路。這樣就防止了噪聲通過傳導的途徑傳入到控制電路中。
 

為更好抑制EMI對電路的一些改進本電路中主要的EMI是電源噪聲對電網的干擾??蓪⒃瓉淼墓材6罅魅2與電容C10、C1組成的濾波電路,改善為如圖8所示電路,則L1、L2、C1可除去差模干擾,L3、C2、C3可除去共模干擾。L1、L2的磁芯為不易飽和的材質。C1可選陶瓷電容,耐壓必須考慮輸入電壓的最大可能值,通常選用0.22~0.47μF。L3是共模扼流圈。選定C=C2=C3,截止頻率f0,則可根據計算L3;選定C1,截止頻率f0,可計算出L1、L2。

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