几种抑制开关电源传导干扰的新方法

  一、引言

    在开关电源的工作过程中，寄生器件（如寄生电容、寄生电感等）中能量的高频变化会产生大量的电磁干拢（Electromagnetic In．terference，EMI）。EMI信号占有很宽的频率范围，又有一定的幅度，经过在电路、空间中的传导和辐射，污染了周围的电磁环境，影响了与其它电子设备的电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility）。随着近年来各国对电子设备的电磁干扰和电磁兼容性能要求的不断提高，对电磁干扰的抑制方法的研究已成为开关电源研究中的热点。

    开关电源中的电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。其中传导干扰经电网传播，会对其它电子设备产生严重的影响，往往会引起更严重的问题。本文总结了几种近年来提出的抑制开关电源电磁干扰产生及传播的新方法，希望对实际工程应用有所启发。

   二、几种新的抑制传导干扰的方法

   在工程应用中，一般可以通过采用缓冲器、减少耦合路径、降低功率器件寄生器件效应等方法抑制传导干扰。近年来，各种新的国际，国内标准对电子设备电磁干扰的限制越来越严格，又出现了一些新的抑制方法，主要集中在新的频率控制方法、新的无源缓冲电路设计等几个方面。下面分别予以介绍。

  （一）新的控制方法—调制频率（Modulated Frepuecy）控制
   电磁干扰是根据开关频率周期变化的，干扰能量集中在离散的开关频率点上，很难满足EMI标准的要求。如果把开关信号的能量调制分布在一个很宽的频带上，产生一系列分立边频带，则可以将干扰频谱展开，使干扰能量分布在各个频段上，这样更容易达到EMI标准。频率调制方法就是根据这种原理实现对开关电源电磁干扰的抑制。
   最初人们采用随机频率（Randomized Frequency）控制，其主要思想是：在控制回路中加入一个随机扰动分量，使开关间隔（占空比D）进行不规则变化。则开关噪声频谱由原来离散的尖峰脉冲噪声变成连续分布噪声，其峰值大大下降。具体办法是：由脉冲发生器产生两种（或多种）不同占空比的脉冲，再与电压误差放大器产生的误差信号进行采样选择，从而产生最终的控制信号，其具体的控制波形及控制框图如图1（a）、2（a）所示。
             
    图1两种不同的频率调制波形

    但是，这种方法在开关管开通时基本上采用PWM控制，在关断时才采用随机频率控制，因而其调制干扰能量的效果不是很好。调制频率控制则很好地解决了这些问题。其原理是：将主开关频率进行调制，在主频带周围产生一系列的边频带，从而将噪声能量分布在很宽的频带上，降低了干扰。这种控制方法的关键是对频率进行调制，使开关能量分布在边频带的范围，且幅值受调制系数β的影响（调制系数：β=△f／fm，△f为相邻边频带间隔；．fm为调制频率）。一般β越大调制效果越好。其控制波形及控制框图如图1（b）、2（b）所示。
上述两种频率控制策略均能较好的抑制电磁干扰，随机频率控制方法结构简单，比较容易实现，但效果一般；而频率调制方法具有更好的效果和灵活性，在不改变变换器工作特性的前提下能实现很好的效果，但硬件电路复杂。实际中可以根据应用场合选择。
 
   （二）新的无源缓冲电路设计
   开关变换器中主要的电磁干扰是在开关管开关时刻产生的。以整流二极管为例，在开通时，其反向恢复电流不仅引起大量的开通损耗，还产生很大的di/dt。导致电磁干扰；在关断时，其两端的电压快速升高，有很大的dv/dt，从而产生电磁干扰。缓冲电路不仅可抑制开通时di/dt变化率、限制关断时dv/dt的变化，还具有电路简单、成本低的特点，因而得到广泛应用。

   1．二级管反向恢复电流抑制电路
    对于图3（a）的Boost电路，Q1开通后，D1将关断。但由于此前D1上的电流为工作电流要降为零，其dv/dt将很高。Dl的关断只能靠反向恢复电流尖峰，而现有的抑制二级管反向恢复电流的方法大多只适用于特定的变换器电路，而且只对应某一种的输入输出模式，适用性很差，George.Mantov等人提出了图3（b）的电路，可以较好的解决这一缺陷。
 
 
    图3 Boost电路及其二极管反向恢复电路
    图3（b）的关键在于把一个辅助二极管、一个小的辅助电感与主功率电感的部分线圈串联，然后与主二极管并联。其工作原理为：在Q1开通时，利用辅助电感及辅助二极管构成的辅助回路进行分流，使主二极管D1上的电流降为零，并维持到Q1关断。由于电感L2的作用，辅助二极管D2上的反向恢复电流是很小的，可以忽略。
这种方法除了可用于一般的变换器电路，以限制主二极管的反向恢复电流，还可以在输入输出整流二极管的恢复电流抑制上。图4是这种应用的举例。这种技术应用在一般的电源电路里，都可以有效抑制反向恢复尖峰电流、降低EMI、减少损耗提高效率。
 
    2 ．无损缓冲电路
    在变换器电路中，主二极管反向恢复时，会对开关管造成很大的电流、电压应力，引起很大的功耗，极易造成器件的损坏。为了抑制这种反向恢复电流，减少损耗，Xuezhi Wu等人提出了一种无损缓冲电路，如图5所示。
 
   其主要工作原理是：主开关D开通时的di/dt应力、关断时的dv/dt应力分别受L1、C1所限制，利用L1、C1、C2之间相互的谐振及能量转换，实现对主二极管D反向恢复电流的抑制，开关损耗、EMI大大减少。不仅如此，由于开通时C1上的能量转移到C2，关断时C2和L1上的能量转移到负载，这种缓冲电路的损耗很低，效率很高。

   （三）无源补偿技术
   传统的共模干扰抑制电路如图6所示。为了使通过滤波电容Cy流入地的漏电流维持在安全范围，Cy的值都较小，相应的扼流线图LCM就变大，特别是由于LCM要传输全部的功率，其损耗、体积和重量都会变大。应用无源补偿技术，则可以在不影响主电路工作的情况下较好地抑制电路的共模干扰，并可减少LCM、节省成本。
 
    由于共模干扰是由开关器件的寄生电容在高频时的di/dt产生的，因此，用一个额外的变压器绕组在补偿电容上产生一个180度的反向电压，产生的补偿电流再与寄生电容上的干扰电流迭加，从而消除干扰。这就是无源补偿的原理。
如图7（a）为加入补偿电路的隔离式半桥电路。由于半桥、全桥电路常用于大功率场合，滤波电感LCM较大，所以补偿的效果会更明显。该电路在变压器上加了一个补偿线圈肌，匝数与原边绕组一样；补偿电容CCMOP的大小则与寄生电容CPARA一样。这样一来，工作时的NC使CCMOP产生一个与CPARA上干扰电流大小相同、方向相反的补偿电流，迭加后消除了干扰电流。补偿线圈不流过全部的功率，仅传输干扰电流，补偿电路十分简单。
 
    同样，对于图7（b）中的正激式电路，利用其自身的磁复位线圈，可以更加方便地实现补偿电路，无源补偿技术还可以应用于非隔离式的变换器电路中，如图8所示，原理是一样的。
 
 

    需要注意的是：无源补偿技术有一定的应用条件，受开关时电流、电压的上升、下降时间，以及变压器结构等因素的影响，特别当变压器的线问隔耦合电容远大于寄生电容时，干扰电流不经补偿线圈而直接进入大地，此时抑制效果就不很理想。

四、结束语

    产生噪声的来源很多，如外来干扰、机械振动、电路设计不当、元件选择不当以及结构布局或布线不合理等。在开关变换器中。功率三极管和二极管在开一关翻转过程中所产生的射频能量是干扰的主要来源之一。由于频率较高，或以电磁能的形式直接向空间辐射（辐射干扰），或以干扰电流的形式沿着输入、输出导线传送（传导干扰），其中后者的危害更为严重。

    开关电源技术是一项综合性技术，我们可以利用先进半导体设计技术、磁性材料、电感元件技术以及开关器件技术等来有效地减少和抑制EMI信号干扰。目前，开关电源日益广泛地应用到各种控制设备、通信设备以及家用电器中，其电磁干扰问题、及与其它电子设备的电磁兼容问题已日益成为人们关注的热点，未来电磁干扰及其相关问题必将得到更多研究。