反激式电源中电磁干扰及其抑制.docx
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反激式电源中电磁干扰及其抑制
反激式电源中电磁干扰及其抑制
李志江,吴国忠,钱照明
(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)
摘要:
在介绍Flyback反激式DC/DC电源及其性能的基
础上,主要讨论了该电源中的网侧谐波及其抑制,开关
缓冲电路,光耦隔离等问题。
关键词:
噪声;干扰;高次谐波;电磁干扰
1电路介绍
反激式电源原理图如图1所示。
输入为交流85~200V,经功率二极管整流桥变为直
流,作为DC/DC反激变换器的输入,输出为三组直流:
5
V、15V、20V,另外还有一辅助电源5V,用来给光耦NEC2501
供电。
控制电路为反馈控制,开关选用TOPSwitch电源芯
片(TOP223)。
TOPSwitch为三端离线式PWM电源集成控制器,
它将PWM控制器与功率开关MOSFET合为一体,采用TO-220
或8脚DIP封装,除D、C2脚外,其余6脚连在一起作为S
端。
本电路中TOP223采用UDS>700V的MOSFET,fs=100kHz。
在这
个Flyback反激式电源中,变压器原边绕组33匝,副边有
四组:
6匝(对应于输出Uo2=5V)、11匝(对应于输出Uo3=15
V)、12匝(对应于输出Uo1=20V)、6匝(对应于辅助电源
U=5V)。
在副边,WY1和WY2为稳压器件,WY1输入在
≥
8V
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时,输出可稳在5V;WY2输入
≥
18V时,输出可稳在15V。
2EMI分析
开关电源工作时,其内部的电压和电流波形都是在
非常短的时间内上升和下降的,所以开关电源本身就
是一个噪声发生源。
开关电源的干扰按噪声干扰源种
类可分为尖峰干扰和谐波干扰两种。
使电源产生的干
扰不至于对电子系统和电网造成危害的根本办法就是
采用耗能电路来削弱噪声发生源,或者切断电源噪声
和电子系统、电网之间的耦合途径。
2.1网侧高次谐波电流
2.1.1高次谐波电流的危害
参照图1,交流输入电压Vi经功率二极管整流桥变为
正弦脉动电压,被电容C1平滑后成为直流,但电容电流
的波形不是正弦波而是脉冲波。
如图2所示。
由图2中电流波形可知,电流中含有高次谐波。
大量
电流谐波分量倒流入电网,对电网造成谐波污染,一方
面,产生
“二次效应
”,即电流经过线路阻抗造成谐波
电压降,反过来使电网电压(原来是正弦波)也发生畸
变;另一方面,会造成电路故障,如线路和配电变压器
过热,谐波电流会引起电网LC谐振,或高次谐波电流流
过电网的高压电容,使之过流、过热而爆炸等。
另外,
由于电流是脉冲波,使电源输入功率因数降低。
因此,
必须想办法解决它。
2.1.2高次谐波电流的抑制
1)最简单的办法是在整流桥与电容C1之间接入电感
线圈L,用其阻止对电容C1较大的充电电流。
L对交流呈
现感抗为ωL,电容充电电流的平均值常与放电直流电
流值相等,则峰值电流被限制,导通角变大(
□′>□)。
如图3所示。
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2)若线圈电感足够大,则电流导通角可达到180°,
电流近似正弦波,功率因数趋于1。
但是,在实际应用
中,如果电感值太大,那么其体积重量随之变大,从而
影响了电源的小型化,而且整流电压随着负载变化较
大,因此,线圈L也不能太大。
本电路中共模扼流圈L2
可起到电感的作用,其等效电感为L,则可抑制电容电
流的高次谐波。
3)本电路中采用共模扼流圈L2(如图1所示)
(1)对开关电源二根进线而言,存在共模干扰(二
根线上受干扰信号相对参考点大小、方向相同)和差模
干扰(二根线上受干扰信号相对参考点大小相等、方向
相反)。
共模扼流圈如图4所示。
——在差模干扰信号作用下,干扰源产生的电流i,
在磁芯中产生方向相反的磁通□,磁芯中等于没有磁
通,线圈电感几乎为0,因此不能抑制差模干扰信号。
——在共模干扰信号作用下,两线圈产生的磁通方
向相同,有相互加强的作用,每一线圈电感值为单独存
在时的两倍。
因此,这种绕法的电磁线圈对共模干扰有
强的抑制作用。
本电路中在电网与整流桥之间插入一共模扼流圈,
该扼流圈对电网频率的差模网侧电流呈现极低的阻
抗,因而对电网频率的压降极低;而对电源产生的高频
共模噪声,等效阻抗较高,因而可以得到希望的插入损
耗。
(2)扼流圈L2与电容C10、C1组成低通滤波器
扼流圈L2的等效电感为L,以电源端作为输入,电网
方向作为输出,则电路图如图5所示。
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其传递函数为
-40lgωLC10。
A(ω),L(ω)随频率ω的变化如图6所示。
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由此可见,以上LC网络组成一个低通滤波器,可滤
除以上的高次谐波。
2.2开关缓冲电路
由于开关的快速通断,开关电流、电压波形为脉冲
形式,产生噪声污染,既增大了电源输出的纹波,又影
响电源的性能,因此,要想办法抑制。
本电路中,输入为交流85~200V,经整流桥后电容上
的电压约为此交流有效值的1.2~1.4倍,最大时为
Ucm=200×1.4=280V。
另外,变压器副边折合到原边的电压
Up=Us×
33/6,Us取副边第一绕组(5V绕组)的电压。
考虑
到WY1输入
≥
8V,取10V,则Up=Us×
33/6=10×
33/6=55V。
那么开
关关断时所要承受的总电压Ut=Ucm+Up=280+55=335V。
可见
对开关的过压保护是必要的。
本Flyback电源中采用
TOPSwitch开关,其内部有过压保护和缓冲电路。
为保险
起见,在电路中还是加入了外部的过压保护电路(R21
和C21)。
1)未加缓冲电路和加入缓冲电路之后开关管电压Ut
和电流i及功耗Pt的波形如图7所示。
由图7可知,加RC
缓冲电路后,开关电压上升速率减慢,变小,噪声减
弱,抑制了EMI。
另外,开关功耗变小,使管子不致因过
流过热而损坏。
缓冲电路中的R21是在开关开通,电容C21放电时起到
限流作用,避免对管子的冲击。
2)对于开关开通时的电流冲击,因为有变压器原边
线圈Np电感的限流,因此本电路中没有加限流电感。
2.3光耦隔离
由于控制电路对噪声敏感,一旦有噪声,将会引起
控制电路中的控制信号紊乱,而严重影响电源的工作。
为了保证开关电源的正常工作,要求控制电路必须具
有高精度和高稳定性,为此,必须将主电路与控制电路
隔离。
本电路中,用NEC2501将电源中的两部分进行电隔
离:
一部分是作为控制电路电源的变压器副边辅助电
源,另一部分是主电路。
这样就防止了噪声通过传导的
途径传入到控制电路中。
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3为更好抑制
EMI对电路的一些改进
本电路中主要的EMI是电源噪声对电网的干扰。
可将
原来的共模扼流圈L2与电容C10、C1组成的滤波电路,改善
为如图8所示电路,则L1、L2、C1可除去差模干扰,L3、C2、
C3可除去共模干扰。
L1、L2的磁芯为不易饱和的材质。
C1
可选陶瓷电容,耐压必须考虑输入电压的最大可能值,
通常选用0.22~0.47μF。
L3是共模扼流圈。
选定C=C2=C3,截
止频率f0,则可根据计算L3;选定C1,截止频率f0,
可根据计算L1、L2。
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