工程師不可不知的開關電源關鍵設計（五）

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，推出《工程師不可不知的開關電源關鍵設計》系列五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，即它工作中產生的電磁輻射要限制在一定水平內，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

　?。?）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)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

　?。?）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產生損害作用的電磁現象。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：經過電源，通過信號線或控制電纜、場滲透，經過天線直接進入；通過電纜耦合，從其他設備來的傳導干擾；電子系統(tǒng)內部場耦合；其他設備的輻射干擾；電子設備外部耦合到內部場；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象，它可能與有用信號疊加或組合。

　?。?）電磁輻射

　　電磁輻射是指電磁波由源發(fā)射到空間的現象。“電磁輻射”一詞的含義有時也可引申，將電磁感應現象也包含在內。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。

　?。?）脈沖

　　脈沖是指在短時間內突變，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、橫模干擾或對稱干擾。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化，所以情況十分復雜。干擾經長距離傳輸后，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)就會出現性能降低。而敏感性電平是指剛剛開始出現性能降低的電平。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。線間耦合主要是產生騷擾電壓及騷擾電流的導線或PCB線因并行布線而產生的相互耦合。電場耦合主要是由于電位差的存在，產生感應電場對受騷擾體產生的場耦合。磁場耦合主要是指在大電流的脈沖電源線附近，產生的低頻磁場對騷擾對象產生的耦合。電磁場耦合主要是由于脈動的電壓或電流產生的高頻電磁波通過空間向外輻射，對相應的受騷擾體產生的耦合。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，常常產生高頻高壓的尖峰諧波震蕩。該諧波震蕩產生的高次諧波，通過開關管與散熱器間的分布電容傳入內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，均采用了有源功率因數校正電路。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生的電磁騷擾。但是，軟開關無損吸收電路多數利用L、C進行能量轉移，利用二極管的單向導電性能實現能量的單向轉換，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改變，也是產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?？焖偎沧冃盘柡泻軐挼念l譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內，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。

　　減小開關電源的內部騷擾，實現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注意數字電路與模塊電路PCB布線的正確分區(qū)；②數字電路與模擬電路電源的去耦；③數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，避免產生串擾，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 濾波器結構

　　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，可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害，也可以抑制由開關電源產生并向電網反饋的干擾。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。進行適當的設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，可根據實際情況加以調整。

　　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，則效果會更好。

　　幾種濾波器的構成如圖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，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對噪聲呈現高阻抗，而C1則對噪聲呈現低阻抗。當L1、L2采用共模電感結構時，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絡中的作用，還表明了它們在濾波網絡中的安全等級。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，以避免可能出現的擊穿短路現象。

　　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絡結構和參數。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、開關電源的穩(wěn)定性設計

　　引言

　　眾所周知，任何閉環(huán)系統(tǒng)在增益為單位增益，且內部隨頻率變化的相移為360°時，該閉環(huán)控制系統(tǒng)都會存在不穩(wěn)定的可能性。因此幾乎所有的開關電源都有一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，從而能獲得較好的性能。在負反饋系統(tǒng)中，控制放大器的連接方式有意地引入了180°相移，如果反饋的相位保持在180°以內，那么控制環(huán)路將總是穩(wěn)定的。當然，在現實中這種情況是不會存在的，由于各種各樣的開關延時和電抗引入了額外的相移，如果不采用適合的環(huán)路補償，這類相移同樣會導致開關電源的不穩(wěn)定。

　　1 穩(wěn)定性指標

　　衡量開關電源穩(wěn)定性的指標是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB時所對應的相位。增益裕度是指：相位為零時所對應的增益大?。▽嶋H是衰減）。在實際設計開關電源時，只在設計反激變換器時才考慮增益裕度，設計其它變換器時，一般不使用增益裕度。

　　在開關電源設計中，相位裕度有兩個相互獨立作用：一是可以阻尼變換器在負載階躍變化時出現的動態(tài)過程；另一個作用是當元器件參數發(fā)生變化時，仍然可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。相位裕度只能用來保證“小信號穩(wěn)定”。在負載階躍變化時，電源不可避免要進入“大信號穩(wěn)定”范圍。工程中我們認為在室溫和標準輸入、正常負載條件下，環(huán)路的相位裕度要求大于45°。在各種參數變化和誤差情況下，這個相位裕度足以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。如果負載變化或者輸入電壓范圍變化非常大，考慮在所有負載和輸入電壓下環(huán)路和相位裕度應大于30°。

　　如圖l所示為開關電源控制方框示意圖，開關電源控制環(huán)路由以下3部分構成。

　?。?）功率變換器部分，主要包含方波驅動功率開關、主功率變壓器和輸出濾波器；

　　（2）脈沖寬度調節(jié)部分，主要包含PWM脈寬比較器、圖騰柱功率放大；

　?。?）采樣、控制比較放大部分，主要包含輸出電壓采樣、比較、放大（如TL431）、誤差放大傳輸（如光電耦合器）和PWM集成電路內部集成的電壓比較器（這些放大器的補償設計最大程度的決定著開關電源系統(tǒng)穩(wěn)定性，是設計的重點和難點）。

　　2 穩(wěn)定性分析

　　如圖1所示，假如在節(jié)點A處引入干擾波。此方波所包含的能量分配成無限列奇次諧波分量。如果檢測到真實系統(tǒng)對不斷增大的諧波有響應，則可以看出增益和相移也隨著頻率的增加而改變。如果在某一頻率下增益等于l且總的額外相移為180°（此相移加上原先設定的180°相移，總相移量為360°），那么將會有足夠的能量返回到系統(tǒng)的輸入端，且相位與原相位相同，那么干擾將維持下去，系統(tǒng)在此頻率下振蕩。如圖2所示，通常情況下，控制放大器都會采用反饋補償元器件Z2減少更高頻率下的增益，使得開關電源在所有頻率下都保持穩(wěn)定。

　　波特圖對應于小信號（理論上的小信號是無限小的）擾動時系統(tǒng)的響應；但是如果擾動很大，系統(tǒng)的響應可能不是由反饋的線性部分決定的，而可能是由非線性部分決定的，如運放的壓擺率、增益帶寬或者電路中可能達到的最小、最大占空比等。當這些因素影響系統(tǒng)響應時，原來的系統(tǒng)就會表現為非線性，而且傳遞函數的方法就不能繼續(xù)使用了。因此，雖然小信號穩(wěn)定是必須滿足的，但還不足以保證電源的穩(wěn)定工作。因此，在設計電源環(huán)路補償時，不但要考慮信號電源系統(tǒng)的響應特性，還要處理好電源系統(tǒng)的大信號響應特性。電源系統(tǒng)對大信號響應特性的優(yōu)劣可以通過負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性來判斷，負載躍變響應特性和輸入電壓躍變響應特性存在很強的連帶關系，負載躍變響應特性好，則輸入電壓躍變響應特性一定好。

　　對開關電源環(huán)路穩(wěn)定性判據的理論分析是很復雜的，這是因為傳遞函數隨著負載條件的改變而改變。各種不同線繞功率元器件的有效電感值通常會隨著負載電流而改變。此外，在考慮大信號瞬態(tài)的情況下，控制電路工作方式轉變?yōu)榉蔷€性工作方式，此時僅用線性分析將無法得到完整的狀態(tài)描述。下面詳細介紹通過對負載躍變瞬態(tài)響應波形分析來判斷開關電源環(huán)路穩(wěn)定性。

　　3 穩(wěn)定性測試

　　測試條件：

　?。?）無感電阻；

　?。?）負載變化幅度為10％~100％；

　　（3）負載開關頻率可調（在獲得同樣理想響應波形的條件下，開關頻率越高越好）；

　?。?）限定負載開關電流變化率為5A／μs或者2A/μs，沒有聲明負載電流大小和變化率的瞬態(tài)響應曲線圖形無任何意義。

　　圖3（a）為瞬變負載波形。

　　圖3（b）為阻尼響應，控制環(huán)在瞬變邊緣之后帶有振蕩。說明擁有這種響應電源的增益裕度和相位裕度都很小，且只能在某些特定條件下才能穩(wěn)定。因此，要盡量避免這種類型的響應，補償網絡也應該調整在稍低的頻率下滑離。

　　圖3（c）為過阻尼響應，雖然比較穩(wěn)定，但是瞬態(tài)恢復性能并非最好?；x頻率應該增大。

　　圖3（d）為理想響應波形，接近最優(yōu)情況，在絕大多數應用中，瞬態(tài)響應穩(wěn)定且性能優(yōu)良，增益裕度和相位裕度充足。