多路輸出反激式電源電磁兼容分析

式中：B和S均為矢量。

圖2 差模耦合途徑示意

結(jié)合式（1）及式（4）容易推得，寄生磁耦合電感M與涉及的干擾回路面積S成正比例關(guān)系。在圖2中，存在有較大的di/dt的回路主要包括變壓器輸入側(cè)環(huán)路S₀，二次側(cè)環(huán)路S₁和S₂以及驅(qū)動環(huán)路S₃。

仔細設(shè)計電路板走線，盡可能減小上述回路的圍繞面積。將高頻去耦電容C_d0盡量靠近變壓器原邊和MOS管，C_d1盡量靠近負載，以求減小圍繞面積S₀與S₂，并且要求C_d0和C_d1是低ESR和低ESL的電容器。

電源輸出端至負載的引線應(yīng)盡可能地短，而且多路輸出每一路都要使用雙絞線，因為，相鄰絞環(huán)中在同一導體上產(chǎn)生的電動勢方向相反，相互抵消，這對電磁干擾起到較好的抑制作用。

3.2 減弱共模輻射耦合

參照圖3，由式（2）可得，共模電流I_cm1及I_cm2的幅值與兩電氣節(jié)點①與②處dv/dt和對PE（安全地）的分布電容C_d1和C_d2的積成正比。圖中節(jié)點①是MOS管漏極與變壓器原邊的連接點，節(jié)點②為變壓器二次側(cè)與輸出二極管的連接點。共模電流輻射強度與共模電流圍繞回路面積有關(guān)，也就是說，電磁輻射強度和電流環(huán)路面積成正比，這里環(huán)路面積用陰影面積表示。因此，減弱共模輻射耦合應(yīng)從3個方面入手，即減小dv/dt；減小分布電容；減小共模電流環(huán)路面積。

圖3 共模耦合途徑示意

節(jié)點①及②存在非常大的電壓瞬變，因而在節(jié)點①及②處布線應(yīng)當占用盡可能小的面積，以減小分布電容值。分布電容一般為pF級，因而在低頻段（1MHz）其阻抗影響非常顯著，需要濾波器對共模電流進行衰減，共模扼流圈電感值一般取10～100mH。

裝在MOS管上的散熱器由于表面積很大，其對節(jié)點①的分布電容必須考慮。由圖4可知，采用屏蔽方法將銅箔夾在散熱器和MOS管之間，使原有分布電容C_k變成相互串聯(lián)的C_k1和C_k2，從而減小了分布電容。散熱器和變壓器磁芯同樣存在電壓瞬變，將散熱器和磁芯屏蔽分別就近與節(jié)點③及④連接，用以抑制散熱器和磁芯的電壓瞬變，并縮短共模電流的耦合路徑。

圖4 減弱共模耦合的措施

3.3 減弱公共阻抗傳導耦合

減弱公共阻抗傳導耦合，就是仔細布線以避免兩電氣回路的公共阻抗部分。其中尤為重要的是地線的鋪設(shè)，要遵循“模擬部分地和數(shù)字部分地分開，功率部分地和控制部分地分開”的原則。

在實際鋪設(shè)中采取了“星狀地”形式，如圖5所示，避免使用環(huán)形地。所謂“星狀地”是指不同回路地單獨走線，最后匯集到一點O。O點通常是去耦電容或者濾波電容的陰極。比如在控制芯片周圍，驅(qū)動回路的地單獨從控制芯片的去耦電容（O₁點）出發(fā)，連接到輸入端濾波電容處（O₂點），而MOS管源極功率部分引線也直接接入O₂點。電壓和電流反饋信號的地線均單獨接入星狀點O₁。

圖5 星型鋪地示意

圖5中L₁及L₂分別為電壓反饋和電流反饋的地線接入端。C_d1為控制（驅(qū)動）電路的電源去耦電容，C_d0為輸入濾波電容。

3.4 減弱外部電磁場干擾

設(shè)計合理的EMI濾波器。EMI濾波器除能衰減開關(guān)電源對電網(wǎng)的EMI之外，還能夠衰減電網(wǎng)引進的部分瞬態(tài)干擾。需要強調(diào)的是，增加安全地(PE)對衰減共模電流，抑制外界瞬態(tài)干擾十分必要。

如圖6所示，在交流進線端并聯(lián)高頻CBB電容C_a（2.2nF）和壓敏電阻(VSR)對瞬態(tài)電壓進行箝位。

圖6 利用壓敏電阻抑制瞬態(tài)電壓

除了對電路采取局部屏蔽措施外，在調(diào)試過程中還使用了整體屏蔽罩，以降低輔助電源子系統(tǒng)對外界的電磁輻射干擾。接入屏蔽罩的輸入、輸出引線（屏蔽線）應(yīng)當盡量短，并且要妥善接地。[!--empirenews.page--]

3.5 減弱電壓瞬變和電流瞬變

從上述分析可知，EMI的強度都和dv/dt和di/dt成正比。而由變壓器漏感和二極管反向恢復等引起的電壓、電流的過沖和振鈴相比開關(guān)周期非常的窄，會造成強的寬頻的瞬態(tài)電磁噪聲。因此，在實驗過程中，有針對性地對電路各部分的電壓、電流的過沖和振鈴進行了抑制。

3.5.1 針對開關(guān)管

1）考慮減慢MOS管的開關(guān)速度，采取增大門極驅(qū)動電阻，減小驅(qū)動電流來實現(xiàn)。但是要注意適度，因為開關(guān)速度越慢，MOS管的開通時間、關(guān)斷時間都相應(yīng)延長，開關(guān)損耗隨之增大，會造成開關(guān)管過熱，使變流器效率降低。

2）采用RCD緩沖電路，吸收變壓器原邊漏感產(chǎn)生的尖峰，減小MOS管的應(yīng)力，同時減小EMI。當開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器漏感能量轉(zhuǎn)移到電容C上來，然后由電阻R將這部分能量消耗。圖7（a）及圖7（b）分別為加入吸收電路前后開關(guān)管漏源電壓波形，實驗結(jié)果表明該電路可進一步吸收漏感L_p（線路寄生電感）和開關(guān)管結(jié)電容形成的電壓尖峰。

(a) 加吸收電路前 (b) 加吸收電路后

圖7 開關(guān)管漏源電壓波形

3.5.2 針對變壓器二次側(cè)續(xù)流回路

在續(xù)流二極管D旁并聯(lián)RC吸收電路，同時與續(xù)流二極管D串接可飽和磁芯電感L_s，如圖8所示?？娠柡痛判揪€圈在通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小，不會影響電路正常工作；一旦電流要反向流過時，磁芯線圈將產(chǎn)生很大的反電勢，阻止反向電流的上升，因此，將它與二極管D串聯(lián)就能有效地抑制二極管的反向浪涌電流。一種小型磁環(huán)，可以直接套在二極管的正極引線上，使用很方便。

圖8 接入RC吸收電路和可飽和磁芯

圖9（a）及圖9（b）分別是續(xù)流電路采取相應(yīng)措施前后的續(xù)流二極管電壓波形，可見對抑制電壓過沖效果明顯。

(a) 接入RC與L_s前 (b) 接入RC與L_s后

圖9續(xù)流二極管電壓波形

3.5.3 針對變壓器的漏感

在反激式拓撲中，可將變壓器等效為理想變壓器和原邊激磁電感的并聯(lián)。為了傳送足夠的功率，變壓器必須添加氣隙，以便在磁路中儲存能量，因而磁漏一般都較大。在實際繞制變壓器時，采取了三明治繞法以減小漏感。以其中一組變壓器為例，最里一層為原邊繞組，第二、三層是副邊，最外一層仍是原邊。這種繞法增強了原副邊的耦合程度，減小了變壓器漏感，這樣可以減小開關(guān)管上的尖峰電壓，由散熱器回路產(chǎn)生的共模干擾也會大幅度降低。三明治繞法的缺點是原邊繞組從內(nèi)層到外層穿越了中間的副邊繞組，在變壓器中軸端側(cè)絕緣性能大大降低，對于耐高壓實驗是不利的，因而多用在對絕緣性能要求不高的場合。

3.6 反饋環(huán)節(jié)的調(diào)整

在電路調(diào)試中，反饋環(huán)節(jié)調(diào)整至關(guān)重要，EMI往往是造成反饋環(huán)節(jié)特性差，電路出現(xiàn)振蕩的主要原因。由于使用的是電流峰值控制，反饋包括電壓和電流反饋。比如，在電流采樣電阻端添加的RC濾波網(wǎng)絡(luò)，是一個低通濾波網(wǎng)絡(luò)，示波器觀察，添加前后，開關(guān)管開通瞬間的電流毛刺降低了約3/4。而電壓反饋開始也采用了RC分壓濾波網(wǎng)絡(luò)，即在電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的接地電阻側(cè)并聯(lián)濾波電容，容值約為PI調(diào)節(jié)環(huán)電容值的1/10。

調(diào)試過程中，曾發(fā)生由于接地的不當，使在控制部分和主功率地之間存在分布的共模阻抗，導致電壓輸出端的共模噪聲通過共模阻抗傳導入控制芯片的地，造成占空比丟失，負載調(diào)整率不高等問題。當在輸出端接入共模EMI濾波器后，情況大為改觀，振蕩消失?？梢娫谳敵龆私尤牍材V波器作用明顯。在PCB制版中經(jīng)過對地線的改進，采用星狀鋪地后，便大大降低了共模噪聲的傳導途徑，即使不接入該濾波器，經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)自身的PI調(diào)整，變換器也同樣趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

上述的一些方法是針對一個具體的電源，從減小干擾源和切斷干擾途徑來進行分析研究的。由于電路拓撲采取的是硬開關(guān)電路，EMI的問題是其比較難以解決的問題。應(yīng)當說明的是，盡管軟開關(guān)工作方式較之硬開關(guān)工作方式對減小開關(guān)管的電流和電壓應(yīng)力效果是顯著的，但由于實現(xiàn)軟開關(guān)的方式存在多種途徑，其中一些途徑引入的有源及無源元器件在特定工作狀態(tài)和本身雜散參數(shù)的影響下，亦會成為EMI源，同樣不可忽視。因而是否采用可以降低開關(guān)應(yīng)力的軟開關(guān)電路，尚須有關(guān)試驗結(jié)果來證實。

另外，由于該開關(guān)電源存在兩組并聯(lián)的情況，各組之間存在未知的干擾，究竟是共模還是差模，需要在實驗中比較檢驗。況且控制電路沒有采用同步方式，不同步的開關(guān)相位引起的相互的干擾更加不可預料，有待進一步研究。