工程師不可不知的開關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計(jì)（二）

???? 牽涉到開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)或分析成為電子工程師的心頭之痛已是不爭(zhēng)的事實(shí)，應(yīng)廣大網(wǎng)友迫切要求，電子發(fā)燒友推出開關(guān)電源設(shè)計(jì)整合系列和工程師們一起分享，請(qǐng)各位繼續(xù)關(guān)注后續(xù)章節(jié)。

???? 一、開關(guān)電源EMI的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

　　開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對(duì)開關(guān)電源的干擾主要來(lái)自電網(wǎng)的抖動(dòng)、雷擊、外界輻射等。

　　1.開關(guān)電源的EMI源

　　開關(guān)電源的EMI干擾源集中體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對(duì)開關(guān)電源的干擾主要來(lái)自電網(wǎng)的抖動(dòng)、雷擊、外界輻射等。

　　(1)功率開關(guān)管

　　功率開關(guān)管工作在On-Off快速循環(huán)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，dv/dt和di/dt都在急劇變換，因此，功率開關(guān)管既是電場(chǎng)耦合的主要干擾源，也是磁場(chǎng)耦合的主要干擾源。

　　(2)高頻變壓器

　　高頻變壓器的EMI來(lái)源集中體現(xiàn)在漏感對(duì)應(yīng)的di/dt快速循環(huán)變換，因此高頻變壓器是磁場(chǎng)耦合的重要干擾源。

　　(3)整流二極管

　　整流二極管的EMI來(lái)源集中體現(xiàn)在反向恢復(fù)特性上，反向恢復(fù)電流的斷續(xù)點(diǎn)會(huì)在電感(引線電感、雜散電感等)產(chǎn)生高 dv/dt，從而導(dǎo)致強(qiáng)電磁干擾。

　　(4)PCB

　　準(zhǔn)確的說，PCB是上述干擾源的耦合通道，PCB的優(yōu)劣，直接對(duì)應(yīng)著對(duì)上 述EMI源抑制的好壞。

　　2.開關(guān)電源EMI傳輸通道分類

　　(一). 傳導(dǎo)干擾的傳輸通道

　　(1)容性耦合

　　(2)感性耦合

　　(3)電阻耦合

　　a.公共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電阻傳導(dǎo)耦合

　　b.公共地線阻抗產(chǎn)生的 電阻傳導(dǎo)耦合

　　c.公共線路阻抗產(chǎn)生的電阻傳導(dǎo)耦合

　　(二). 輻射干擾的傳輸通道

　　(1)在開關(guān) 電源中，能構(gòu)成輻射干擾源的元器件和導(dǎo)線均可以被假設(shè)為天線，從而利用電偶極子和磁偶極子理論進(jìn)行分析;二極管、電容、功率開關(guān)管可以假設(shè)為電偶極子，電 感線圈可以假設(shè)為磁偶極子;

　　(2)沒有屏蔽體時(shí)，電偶極子、磁偶極子，產(chǎn)生的電磁波傳輸通道為空氣(可以假設(shè)為自由空間);

　　(3)有屏蔽體時(shí)，考慮屏蔽體的縫隙和孔洞，按照泄漏場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析處理。

　　3.開關(guān)電源EMI抑制的9大措施

　　在開關(guān)電源中，電壓和電流的突變，即高dv/dt和di/dt，是其EMI產(chǎn)生的主要原因。實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)技術(shù)措施主要基于以下兩點(diǎn)：

　　(1)盡量減小電源本身所產(chǎn)生的干擾源，利用抑制干擾的方法或產(chǎn)生干擾較小的元器件和電路，并進(jìn)行合理布局;

　　(2)通過接地、濾波、屏蔽 等技術(shù)抑制電源的EMI以及提高電源的EMS。

　　分開來(lái)講，9大措施分別是：

　　(1)減小dv/dt和di/dt(降 低其峰值、減緩其斜率)

　　(2)壓敏電阻的合理應(yīng)用，以降低浪涌電壓

　　(3)阻尼網(wǎng)絡(luò)抑制過沖

　　(4)采用軟恢復(fù)特 性的二極管，以降低高頻段EMI

　　(5)有源功率因數(shù)校正，以及其他諧波校正技術(shù)

　　(6)采用合理設(shè)計(jì)的電源線濾波器

　　(7)合理的接地處理

　　(8)有效的屏蔽措施

　　(9)合理的PCB設(shè)計(jì)

　　4.高頻變壓器漏感的控制

　　高頻變壓器的漏感是功率開關(guān)管關(guān)斷尖峰電壓產(chǎn)生的重要原因之一，因此，控制漏感成為解決高頻變壓器帶來(lái)的EMI首要面對(duì)的問題。

　　減小高頻變壓器漏感兩個(gè)切入點(diǎn)：電氣設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)!

　　(1)選擇合適磁芯，降低漏感。漏感與原邊匝數(shù)平方成正比，減小匝數(shù)會(huì)顯著降低漏感。

　　(2)減小繞組間的絕緣層?，F(xiàn)在有一種稱之為“黃金薄膜”的絕緣層，厚度20～100um，脈沖擊穿電壓可達(dá)幾千伏。

　　(3)增加繞組間耦合度，減小漏感。

　　5.高頻變壓器的屏蔽

　　為防止高頻變壓器的漏磁對(duì)周圍電路產(chǎn)生干擾，可采用屏 蔽帶來(lái)屏蔽高頻變壓器的漏磁場(chǎng)。屏蔽帶一般由銅箔制作，繞在變壓器外部一周，并進(jìn)行接地，屏蔽帶相對(duì)于漏磁場(chǎng)來(lái)說是一個(gè)短路環(huán)，從而抑制漏磁場(chǎng)更大范圍的 泄漏。

　　高頻變壓器，磁心之間和繞組之間會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，從而導(dǎo)致高頻變壓器在工作中產(chǎn)生噪聲(嘯叫、振動(dòng))。為防止該噪聲，需要對(duì)變 壓器采取加固措施：

　　(1)用環(huán)氧樹脂將磁心(例如EE、EI磁心)的三個(gè)接觸面進(jìn)行粘接，抑制相對(duì)位移的產(chǎn)生;

　　(2)用“玻璃珠”(Glass beads)膠合劑粘結(jié)磁心，效果更好。