抗磁干擾雙路輸出隔離反激式電源設(shè)計(jì)

想要干擾電表非常簡(jiǎn)單，只需在電源變壓器附近放置一塊強(qiáng)磁鐵。外加磁場(chǎng)會(huì)破壞功率變換器并阻礙電表準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)用電量的能力。磁鐵很容易使電表失效，因?yàn)橥ǔ?shí)施的防干擾方案無法檢測(cè)到它。目前還沒有準(zhǔn)確的數(shù)字來估計(jì)究竟有多少電量被以這種方式竊取，但行業(yè)專家認(rèn)為這個(gè)問題不容小覷，值得防范。

本文簡(jiǎn)要回顧了反激式電源中磁干擾背后的物理學(xué)原理，并介紹了一種抗磁干擾的雙路輸出隔離反激式電源設(shè)計(jì)。最后討論了抗磁干擾電源與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源之間的測(cè)試和性能比較。

亞磁鐵與磁鐵

變壓器鐵氧體磁芯的亞鐵磁性（鐵氧體具有晶體隨機(jī)排列的磁極對(duì)，可以自發(fā)重新排列）是潛在干擾的來源，通常需要重新設(shè)計(jì)變壓器。鐵氧體磁芯材料用于開關(guān)模式變壓器。當(dāng)暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，亞鐵磁材料的晶極排列會(huì)發(fā)生變化。在電源變壓器中，這可能會(huì)對(duì)變壓器（及電源）性能產(chǎn)生連鎖影響：

外部磁場(chǎng)的存在導(dǎo)致鐵氧體磁芯的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)減弱

通量密度β降低

總磁通量降低，從而降低初級(jí)電感

如果外部磁場(chǎng)足夠強(qiáng)，電感量將充分減小，那么在有用的能量傳輸發(fā)生之前，隨著開關(guān)電流上升到其限流點(diǎn)，電源將進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)狀態(tài)。在沒有設(shè)置初級(jí)限流點(diǎn)的電路中，發(fā)生開關(guān)故障的可能性是非常高的。

Power Integrations開發(fā)了一種防磁干擾、雙路輸出隔離反激式電源，可在85至350VAC的輸入電壓范圍內(nèi)提供16.5VDC@300mA和16.5VDC@100mA的輸出電流（圖1）。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括優(yōu)化變壓器以補(bǔ)償外部磁場(chǎng)的影響， 以及元件的選擇和布局。

圖1：使用設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)淖儔浩?，這款反激式電源可以在存在外部磁場(chǎng)的情況下繼續(xù)正常工作

該設(shè)計(jì)采用LinkSwitch-XT2 900V產(chǎn)品系列的LNK3696P設(shè)計(jì)而成。LNK3696P IC內(nèi)部集成了900V功率MOSFET、振蕩器、簡(jiǎn)單的ON/OFF控制方式、高壓開關(guān)電流源、頻率調(diào)制、逐周期限流以及熱關(guān)斷，可實(shí)現(xiàn)元件數(shù)非常少的電源方案。

由于ON/OFF控制方式，在每個(gè)開關(guān)周期之前都會(huì)檢查輸出。如果輸出已降至閾值限值以下，則啟動(dòng)開關(guān)周期。如果輸出在限值范圍內(nèi)，則跳過開關(guān)周期。在每個(gè)開關(guān)周期中，開關(guān)電流在升高過程中受到監(jiān)測(cè)，當(dāng)電流超過預(yù)設(shè)限值時(shí)終止開關(guān)脈沖。因此，每個(gè)開關(guān)周期的長(zhǎng)度均相同，向負(fù)載傳輸?shù)目偰芰恳彩枪潭ǖ模▓D2）。

圖2：每當(dāng)輸出電壓降至設(shè)定限值以下時(shí)，就會(huì)提供輸出功率，并由反饋引腳（VEN）進(jìn)行測(cè)量。在短路情況下，電壓將保持低電平，并且每個(gè)時(shí)鐘周期都需要能量。如果連續(xù)的開關(guān)請(qǐng)求過多，則會(huì)觸發(fā)保護(hù)性重啟動(dòng)，從而降低輸出能量。

由于僅在需要時(shí)進(jìn)行開關(guān)，因此其輕載效率高于傳統(tǒng)PWM驅(qū)動(dòng)器。ON/OFF控制方式也不需要環(huán)路補(bǔ)償，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。

啟動(dòng)及工作時(shí)的功率直接來自于漏極引腳，無需使用偏置繞組及相關(guān)電路。在100%負(fù)載下，當(dāng)向傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的變壓器施加有害磁場(chǎng)時(shí)，LinkSwitch-XT2通過以下過程強(qiáng)制進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)狀態(tài)：

外加磁場(chǎng)導(dǎo)致初級(jí)電感的下降幅度高達(dá)其額定值的50% （1338μH）

隨著電感的降低，磁芯在每個(gè)開關(guān)周期中存儲(chǔ)的能量越來越少

為了繼續(xù)支持100%功率，控制器增加了額外的開關(guān)周期以更頻繁地提供較少的能量

全頻的一長(zhǎng)串連續(xù)循環(huán)被視為輸出短路，然后啟動(dòng)保護(hù)性自動(dòng)重啟動(dòng)。電源無法正常開關(guān)- 反復(fù)嘗試重啟動(dòng)。

為防止在有外部磁場(chǎng)的情況下自動(dòng)重啟動(dòng)，初始初級(jí)電感需要從1338μH翻倍至2676μH。由于上述亞鐵磁效 應(yīng)的存在，施加外部磁場(chǎng)可以將電感降低多達(dá)50%，降至1338μH。憑借1338μH的電感，電源可以啟動(dòng)并支持100%負(fù)載，而不會(huì)進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)狀態(tài)。

元件的選擇和布局

元件的選擇和放置也有助于提高抗磁干擾的能力。為了防止任何磁鐵過于靠近變壓器，高大的元件（例如大電容、Y電容和輸出電容）位于變壓器周圍以形成屏障（圖3）。使用扁平骨架也能增強(qiáng)“元件屏障”的 效果。

圖3：所示為DER-711的電路板實(shí)例 - 在變壓器周圍放置“高大”元件， 可最大程度防止任何外部磁鐵接近變壓器

測(cè)試方法

測(cè)試時(shí)使用的磁鐵可以從側(cè)面或頂部移向變壓器。在此處描述的測(cè)試中，將一塊強(qiáng)度為3451高斯的6.35mm方 形N35級(jí)釹鐵硼（NdFeB）磁鐵放置在變壓器鐵芯旁邊，以制造初級(jí)電感至少減少50%的“最差情況”（圖4）。在此測(cè)試條件下，電源能夠在100%負(fù)載和75VAC輸入電壓下啟動(dòng)（也是最差情況）。

圖4. 使用3451高斯磁鐵對(duì)DER-711 PCB進(jìn)行測(cè)試， 磁鐵直接放置在磁芯旁邊（紅色方框中的銀色元件）

測(cè)試結(jié)果和性能比較

設(shè)計(jì)抗磁干擾電源時(shí)，需要考慮更高的電磁干擾（EMI）、更長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間、更低的功率變換效率以及可能產(chǎn) 生音頻噪聲。將磁鐵放置到磁芯上會(huì)降低符合標(biāo)準(zhǔn)所需的EMI裕量，而抗磁干擾電源設(shè)計(jì)需要更大的EMI裕 量。DER-711設(shè)計(jì)具有》6dB的傳導(dǎo)EMI裕量。

如上所述，當(dāng)在磁芯附近放置外部磁場(chǎng)時(shí)，電感會(huì)降低，從而導(dǎo)致開關(guān)頻率增加。漏極電壓的弛張振蕩的頻率也會(huì)隨之相應(yīng)增加。需要使用屏蔽繞組和適當(dāng)?shù)妮斎?a href="http://wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器設(shè)計(jì)，以控制弛張振鈴帶來的EMI增大。除EMI 因素外，當(dāng)磁鐵在鐵芯上時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，從9.68ms增加到15.84ms（圖5）。

圖5：在存在外部磁場(chǎng)的情況下，啟動(dòng)時(shí)間從9.68ms 增加到15.84ms，增加了大約6ms

經(jīng)測(cè)試，在磁鐵直接緊鄰變壓器的極端情況下，系統(tǒng)效率的下降僅為4-6%（圖6）。在這些情況下，IC溫度在滿載時(shí)僅增加16°C。如果外加磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，則效率下降和相應(yīng)的溫升都較小。

圖6：在最差情況下，將磁鐵放置在變壓器旁邊，效率僅下降4-6%

本設(shè)計(jì)中的最大磁通密度為2650高斯，明顯高于LinkSwitch-XT2設(shè)計(jì)中建議的最大1500高斯。因此，滿載時(shí)的 開關(guān)頻率會(huì)降低，并且可能低到足以進(jìn)入音頻噪聲范圍。對(duì)于電表應(yīng)用中的電源而言，這通常并不是缺點(diǎn)。

總結(jié)

可以以最小的設(shè)計(jì)折衷為電表設(shè)計(jì)一種抗磁干擾的隔離反激式電源。設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于增加初級(jí)電感，以確保電源有足夠的裕量在存在外部磁干擾的情況下保持滿載不間斷工作。同時(shí)，還可以使用扁平的變壓器骨架，并在變壓器周圍放置高大的元件，形成一道“屏障”，最大程度防止外部磁鐵靠近變壓器，這些也是有用的設(shè)計(jì)策略。