基于TOPSwitCh的電磁兼容性設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2007/9/11 0:00:00 訪問次數(shù):2228
O 引言
隨著現(xiàn)代逆變技術(shù)的發(fā)展.開關(guān)電源正向著高頻化、小型化的方向發(fā)展:在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的三端隔離、脈寬調(diào)制型反激式單片開關(guān)電源,集成了高壓M0SFET、振蕩器、脈寬調(diào)制器、閉環(huán)控制電路以及限流、過熱保護(hù)功能的集成芯片。以其為核心構(gòu)成的單片開關(guān)電源外圍電路簡(jiǎn)單,輸入電壓范圍寬,達(dá)到85~265V,電能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%,已被廣泛應(yīng)用于中小功率開關(guān)電源中。
TOPSwitch單片電源應(yīng)用頻率一般在20kHz以上,這樣對(duì)前級(jí)電路(通常是電網(wǎng))帶來很大的電磁干擾問題,危及其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行;而且其本身產(chǎn)生的干擾直接危害到電子設(shè)備的正常工作。為此必須對(duì)電路進(jìn)行電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì),使電磁干擾問題限制在允許的范圍內(nèi)。
本文運(yùn)用TOP224Y構(gòu)成一款30W反激變換電路,對(duì)其進(jìn)行了電磁兼容分析,并在多個(gè)方面實(shí)施EMC優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明文中分析的有效性,為反激變換電路的EMC設(shè)汁提供了一定的理論根據(jù)。
1 電磁兼容分析
根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)定義,電磁兼容性是電子設(shè)備的一種功能,電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能完成其功能,而不產(chǎn)生不能容忍的干擾。解決EMC問題,主要考慮3個(gè)要素,即噪聲源、耦合途徑、噪聲接收機(jī)。因此,電磁兼容沒計(jì)的任務(wù)就是消弱千擾源的能量,隔離或減弱噪聲耦合途徑及提高設(shè)備對(duì)電磁干擾的抵抗能力。
1.1 共模、差模電路模型分析
單片開關(guān)電源的集成度很高,已經(jīng)通過合理的設(shè)計(jì)將引線電感和寄生電容參數(shù)減小到比較小的水平。電路的共模電磁干擾主要是漏一源電壓和輸出整流管反向恢復(fù)過程產(chǎn)生的,由于高頻變壓器的分布電容以及芯片對(duì)地分布電容的影響,高頻電流不能完全抵消,形成共模干擾,其電路模型如圖1所示。這種共模干擾可以通過EMI濾波器的共扼電感和Y電容提供高頻電流對(duì)地泄放通道進(jìn)行抑制。差模干擾電路模型如圖2所示,也可以通過EMI濾波器的X電容進(jìn)行抑制。
1.2 高頻變壓器噪聲
高頻變壓器是開關(guān)電源中實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存、隔離輸出、電壓變換的重要元件,同時(shí)它的漏感和分布電容對(duì)電路的性能帶來不可忽略的影響。其等效電路模型如圖3所示。
當(dāng)不考慮變壓器的漏感以及開關(guān)動(dòng)作時(shí)間時(shí),高頻工作下的MOSFET產(chǎn)生的波形是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波,如圖4所示。
而實(shí)際變壓器制作中,繞組漏感是不可避免的,由于漏感的存在,當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)(ton)原邊漏感儲(chǔ)存了一定的能量(與漏感大小和開關(guān)頻率有關(guān)),當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)(從ton到toff)儲(chǔ)存在原邊漏感中的能量釋放,使得開關(guān)器件的兩端出現(xiàn)電壓關(guān)斷尖峰,疊加在直流高壓V1和感應(yīng)反射電壓VOR上,可使MOSFET的漏極電壓超過700V,影響開關(guān)工作的可靠性甚至損壞TOPSwitch?紤]變壓器漏感時(shí)實(shí)際電路的波形如圖5所示。
1.3 輸出整流二極管的尖峰干擾
二極管導(dǎo)通時(shí),在P區(qū)和N區(qū)分別有少數(shù)載流子電子和空穴導(dǎo)電,當(dāng)突然加反向電壓時(shí),存儲(chǔ)電荷在反向電場(chǎng)作用下被復(fù)合,形成反向恢復(fù)電流。由于變壓器次級(jí)漏感、引線電感及二極管的結(jié)電容,在關(guān)斷電壓上疊加了一個(gè)衰減振蕩電壓,形成了關(guān)斷電壓尖峰,如圖5所示。對(duì)此可以通過外接RC吸收電路抑制二極管電荷存儲(chǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的浪涌電流。
電磁干擾有一定的標(biāo)準(zhǔn),目前被世界廣泛采用的是歐洲的EMC標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于開關(guān)電源電路可以應(yīng)用EN55022標(biāo)準(zhǔn)曲線,如圖6中虛線所示。圖6中上面一條曲線是為考慮EMC設(shè)計(jì)時(shí)的傳導(dǎo)E-MI測(cè)試曲線,可以看到干擾強(qiáng)度嚴(yán)重超過標(biāo)準(zhǔn),必須對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)。圖7是參加傳導(dǎo)EMI測(cè)試的反激變換電路,圖7中虛線部分是考慮EMC問題而添加的電路部分。
2 優(yōu)化EMC設(shè)計(jì)
2.1 輸入側(cè)EMC設(shè)計(jì)
一般開關(guān)電源與電網(wǎng)直接相連,高頻開關(guān)的兩端產(chǎn)生浪涌電壓,流過一定的浪涌電流,這個(gè)電流通過高頻變壓器原邊、直流電容和開關(guān)器件形成回路,產(chǎn)生高頻輻射干擾;同時(shí)高頻電流流過一次側(cè)整流電路,產(chǎn)生的脈沖電壓疊加在電網(wǎng)電壓上,形成差模干擾,對(duì)同一線路上的其他設(shè)備帶來干擾。如圖8所示,在開關(guān)電源的電源輸
O 引言
隨著現(xiàn)代逆變技術(shù)的發(fā)展.開關(guān)電源正向著高頻化、小型化的方向發(fā)展:在此基礎(chǔ)上開發(fā)出的三端隔離、脈寬調(diào)制型反激式單片開關(guān)電源,集成了高壓M0SFET、振蕩器、脈寬調(diào)制器、閉環(huán)控制電路以及限流、過熱保護(hù)功能的集成芯片。以其為核心構(gòu)成的單片開關(guān)電源外圍電路簡(jiǎn)單,輸入電壓范圍寬,達(dá)到85~265V,電能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%,已被廣泛應(yīng)用于中小功率開關(guān)電源中。
TOPSwitch單片電源應(yīng)用頻率一般在20kHz以上,這樣對(duì)前級(jí)電路(通常是電網(wǎng))帶來很大的電磁干擾問題,危及其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行;而且其本身產(chǎn)生的干擾直接危害到電子設(shè)備的正常工作。為此必須對(duì)電路進(jìn)行電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì),使電磁干擾問題限制在允許的范圍內(nèi)。
本文運(yùn)用TOP224Y構(gòu)成一款30W反激變換電路,對(duì)其進(jìn)行了電磁兼容分析,并在多個(gè)方面實(shí)施EMC優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明文中分析的有效性,為反激變換電路的EMC設(shè)汁提供了一定的理論根據(jù)。
1 電磁兼容分析
根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)定義,電磁兼容性是電子設(shè)備的一種功能,電子設(shè)備在電磁環(huán)境中能完成其功能,而不產(chǎn)生不能容忍的干擾。解決EMC問題,主要考慮3個(gè)要素,即噪聲源、耦合途徑、噪聲接收機(jī)。因此,電磁兼容沒計(jì)的任務(wù)就是消弱千擾源的能量,隔離或減弱噪聲耦合途徑及提高設(shè)備對(duì)電磁干擾的抵抗能力。
1.1 共模、差模電路模型分析
單片開關(guān)電源的集成度很高,已經(jīng)通過合理的設(shè)計(jì)將引線電感和寄生電容參數(shù)減小到比較小的水平。電路的共模電磁干擾主要是漏一源電壓和輸出整流管反向恢復(fù)過程產(chǎn)生的,由于高頻變壓器的分布電容以及芯片對(duì)地分布電容的影響,高頻電流不能完全抵消,形成共模干擾,其電路模型如圖1所示。這種共模干擾可以通過EMI濾波器的共扼電感和Y電容提供高頻電流對(duì)地泄放通道進(jìn)行抑制。差模干擾電路模型如圖2所示,也可以通過EMI濾波器的X電容進(jìn)行抑制。
1.2 高頻變壓器噪聲
高頻變壓器是開關(guān)電源中實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存、隔離輸出、電壓變換的重要元件,同時(shí)它的漏感和分布電容對(duì)電路的性能帶來不可忽略的影響。其等效電路模型如圖3所示。
當(dāng)不考慮變壓器的漏感以及開關(guān)動(dòng)作時(shí)間時(shí),高頻工作下的MOSFET產(chǎn)生的波形是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方波,如圖4所示。
而實(shí)際變壓器制作中,繞組漏感是不可避免的,由于漏感的存在,當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)(ton)原邊漏感儲(chǔ)存了一定的能量(與漏感大小和開關(guān)頻率有關(guān)),當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)(從ton到toff)儲(chǔ)存在原邊漏感中的能量釋放,使得開關(guān)器件的兩端出現(xiàn)電壓關(guān)斷尖峰,疊加在直流高壓V1和感應(yīng)反射電壓VOR上,可使MOSFET的漏極電壓超過700V,影響開關(guān)工作的可靠性甚至損壞TOPSwitch。考慮變壓器漏感時(shí)實(shí)際電路的波形如圖5所示。
1.3 輸出整流二極管的尖峰干擾
二極管導(dǎo)通時(shí),在P區(qū)和N區(qū)分別有少數(shù)載流子電子和空穴導(dǎo)電,當(dāng)突然加反向電壓時(shí),存儲(chǔ)電荷在反向電場(chǎng)作用下被復(fù)合,形成反向恢復(fù)電流。由于變壓器次級(jí)漏感、引線電感及二極管的結(jié)電容,在關(guān)斷電壓上疊加了一個(gè)衰減振蕩電壓,形成了關(guān)斷電壓尖峰,如圖5所示。對(duì)此可以通過外接RC吸收電路抑制二極管電荷存儲(chǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的浪涌電流。
電磁干擾有一定的標(biāo)準(zhǔn),目前被世界廣泛采用的是歐洲的EMC標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于開關(guān)電源電路可以應(yīng)用EN55022標(biāo)準(zhǔn)曲線,如圖6中虛線所示。圖6中上面一條曲線是為考慮EMC設(shè)計(jì)時(shí)的傳導(dǎo)E-MI測(cè)試曲線,可以看到干擾強(qiáng)度嚴(yán)重超過標(biāo)準(zhǔn),必須對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)。圖7是參加傳導(dǎo)EMI測(cè)試的反激變換電路,圖7中虛線部分是考慮EMC問題而添加的電路部分。
2 優(yōu)化EMC設(shè)計(jì)
2.1 輸入側(cè)EMC設(shè)計(jì)
一般開關(guān)電源與電網(wǎng)直接相連,高頻開關(guān)的兩端產(chǎn)生浪涌電壓,流過一定的浪涌電流,這個(gè)電流通過高頻變壓器原邊、直流電容和開關(guān)器件形成回路,產(chǎn)生高頻輻射干擾;同時(shí)高頻電流流過一次側(cè)整流電路,產(chǎn)生的脈沖電壓疊加在電網(wǎng)電壓上,形成差模干擾,對(duì)同一線路上的其他設(shè)備帶來干擾。如圖8所示,在開關(guān)電源的電源輸
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