基于LinkSwitch的電磁兼容性設(shè)計(jì)

0 引言

電源是各種電子設(shè)備必不可少的重要組

成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)電子系統(tǒng)的安全性和可靠性。單片開關(guān)電源集成電路由于其具有高集成度、高性價(jià)比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，顯示出了強(qiáng)大的生命力。

PI公司于2002年9月推出的LinkSwitch（簡稱LNK）系列單片電源在正常工作時(shí)的開關(guān)頻率一般在42kHz,不僅對前級電路帶來很大的電磁兼容問題，而且也對鄰近的某些電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。故必須對整個(gè)電路進(jìn)行電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)，使各個(gè)元件在復(fù)雜的電磁環(huán)境下都能正常運(yùn)行。

1 LNK的電磁兼容性問題

圖1 LNK開關(guān)電源電路模型

開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因，就是其在工作過程中產(chǎn)生的高di/dt與高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源。開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形、MOSFET漏源波形等矩形波在脈沖邊緣時(shí)的高頻變化對開關(guān)電源的基本信號造成了干擾。圖1為由LNK構(gòu)成開關(guān)電源的電路模型。下面具體分析圖1中噪聲產(chǎn)生的原因和途徑。

1．1 電源線引入的噪聲

電源線噪聲是電網(wǎng)中各種用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的，對外表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾分為共模（Common Mode―CM）干擾和差模（Differential Mode―DM）干擾。共模干擾定義為任何載流導(dǎo)體與參考地之間的不希望有的電位差，差模干擾定義為任何兩個(gè)載流導(dǎo)體之間的不希望有的電位差。由于開關(guān)電路寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)器件的高頻開通和關(guān)斷，使得開關(guān)電源在其輸入端產(chǎn)生較大的共模干擾和差模干擾。圖2即為圖1的共模差模干擾的傳播途徑。在高頻情況下，由于dv/dt很高，激發(fā)變壓器線圈間以及LNK的寄生電容，從而形成了共模干擾。如圖2的黑體虛線所示。在高頻情況下，在輸入輸出的濾波電容上產(chǎn)生很高的di/dt，從而形成了差模干擾。如圖2的淡體虛線所示。

圖2 共模、差模干擾傳播途徑

1．2 變壓器產(chǎn)生的干擾

高頻變壓器是開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)能量儲存、隔離輸出、電壓變換的重要元件，在不考慮漏感以及開關(guān)動(dòng)作時(shí)間時(shí)，高頻工作下的MOSFET產(chǎn)生的波形應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的方波。但在實(shí)際變壓器制作時(shí)，繞組漏感是不可避免的。由于漏感存在，開關(guān)閉合時(shí)，原邊漏感將儲存一定的能量，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，儲存的能量得到釋放，使得開關(guān)器件的兩端出現(xiàn)電壓關(guān)斷尖峰，與原來的直流高壓和感應(yīng)電壓疊加，可使MOSFET的漏極電壓超過700V（LNK系列的MOSFET的漏極擊穿電壓為700V），有可能影響開關(guān)的正常工作甚至損壞LNK。

1．3 輸出整流二極管的尖峰干擾

理想的二極管在承受反向電壓時(shí)截止，不會(huì)有反向電流通過。但實(shí)際二極管在承受反向電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)儲存的電荷在反向電場作用下被復(fù)合，形成反向恢復(fù)電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感、引線電感以及二極管的結(jié)電容的影響下將產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻衰減振蕩，高頻衰減振蕩電壓與關(guān)斷電壓疊加，將形成一個(gè)相當(dāng)大的關(guān)斷電壓尖峰。這個(gè)反向恢復(fù)噪聲也是開關(guān)電源的一個(gè)主要干擾源。

1．4 分布電容及寄生參數(shù)引起的干擾

開關(guān)電源的分布電容主要為開關(guān)電源與散熱器或外殼之間的分布電容、LNK的漏極與電源線之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布電容。以上的分布電容都可以傳輸共模干擾。

在高頻下，普通的電阻電容電感都將呈高頻寄生特性，這將對其正常工作產(chǎn)生影響。例如，高頻工作時(shí)，導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，這將使其變成一根發(fā)射線，即成了開關(guān)電源中的一個(gè)輻射干擾源。

2 EMC設(shè)計(jì)

圖3 未考慮EMC設(shè)計(jì)的EMI仿真曲線

圖3為未考慮EMC設(shè)計(jì)時(shí)的EMI仿真曲線，根據(jù)廣泛采用的GB9254中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線，可看出干擾強(qiáng)度超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)了，必須對電路進(jìn)行相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)。

EMC設(shè)計(jì)應(yīng)該從三個(gè)方面去考慮：

1） 減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號

2） 切斷干擾信號的傳播途徑

3） 增強(qiáng)敏感電路的抗干擾能力