摘要:在介紹Flyback反激式DC/DC電源及其性能的基礎(chǔ)上,主要討論了該電源中的網(wǎng)側(cè)諧波及其抑制,開關(guān)緩沖電路,光耦隔離等問題.
關(guān)鍵詞: 噪 聲 ;干擾 ;高次諧波;電磁干擾.
1 電路介紹反激式電源原理圖如圖1所示.
輸入為交流85~200V,經(jīng)功率二極管整流橋變?yōu)橹绷?作為DC/DC反激變換器的輸入,輸出為三組直流:5V、15V、20V,另外還有一輔助電源5V,用來給光耦NEC2501供電.控制電路為反饋控制,開關(guān)選用TOPSwitch電源芯片(TOP223).TOPSwitch為三端離線式PWM電源集成控制器,它將PWM控制器與功率開關(guān)MOSFET合為一體,采用TO-220或8腳DIP封裝,除D、C2腳外,其余6腳連在一起作為S端.本電路中TOP223采用UDS>700V的MOSFET,fs=100kHz.在這個(gè)Flyback反激式電源中,變壓器原邊繞組33匝,副邊有四組:6匝(對(duì)應(yīng)于輸出Uo2=5V)、11匝(對(duì)應(yīng)于輸出Uo3=15V)、12匝(對(duì)應(yīng)于輸出Uo1=20V)、6匝(對(duì)應(yīng)于輔助電源U=5V).在副邊,WY1和WY2為穩(wěn)壓器件,WY1輸入在≥8V時(shí),輸出可穩(wěn)在5V;WY2輸入≥18V時(shí),輸出可穩(wěn)在15V.2EMI分析
開關(guān)電源工作時(shí),其內(nèi)部的電壓和電流波形都是在非常短的時(shí)間內(nèi)上升和下降的,所以開關(guān)電源本身就是一個(gè)噪聲發(fā)生源.開關(guān)電源的干擾按噪聲干擾源種類可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種.使電源產(chǎn)生的干擾不至于對(duì)電子系統(tǒng)和電網(wǎng)造成危害的根本辦法就是采用耗能電路來削弱噪聲發(fā)生源,或者切斷電源噪聲和電子系統(tǒng)、電網(wǎng)之間的耦合途徑.
2.1網(wǎng)側(cè)高次諧波電流
2.1.1高次諧波電流的危害參照?qǐng)D1,交流輸入電壓Vi經(jīng)功率二極管整流橋變?yōu)檎颐}動(dòng)電壓,被電容C1平滑后成為直流,但電容電流的波形不是正弦波而是脈沖波.如圖2所示.
由圖2中電流波形可知,電流中含有高次諧波.大量電流諧波分量倒流入電網(wǎng),對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染,一方面,產(chǎn)生“二次效應(yīng)”,即電流經(jīng)過線路阻抗造成諧波電壓降,反過來使電網(wǎng)電壓(原來是正弦波)也發(fā)生畸變;另一方面,會(huì)造成電路故障,如線路和配電變壓器過熱,諧波電流會(huì)引起電網(wǎng)LC諧振,或高次諧波電流流過電網(wǎng)的高壓電容,使之過流、過熱而爆炸等.另外,由于電流是脈沖波,使電源輸入功率因數(shù)降低.因此,必須想辦法解決它.2.1.2高次諧波電流的抑制1)最簡(jiǎn)單的辦法是在整流橋與電容C1之間接入電感線圈L,用其阻止對(duì)電容C1較大的充電電流.L對(duì)交流呈現(xiàn)感抗為ωL,電容充電電流的平均值常與放電直流電流值相等,則峰值電流被限制,導(dǎo)通角變大(′>).如圖3所示.
2)若線圈電感足夠大,則電流導(dǎo)通角可達(dá)到180°,電流近似正弦波,功率因數(shù)趨于1.但是,在實(shí)際應(yīng)用中,如果電感值太大,那么其體積重量隨之變大,從而影響了電源的小型化,而且整流電壓隨著負(fù)載變化較大,因此,線圈L也不能太大.本電路中共模扼流圈L2可起到電感的作用,其等效電感為L(zhǎng),則可抑制電容電流的高次諧波.
3)本電路中采用共模扼流圈L2(如圖1所示)
(1)對(duì)開關(guān)電源二根進(jìn)線而言,存在共模干擾(二根線上受干擾信號(hào)相對(duì)參考點(diǎn)大小、方向相同)和差模干擾(二根線上受干擾信號(hào)相對(duì)參考點(diǎn)大小相等、方向相反).共模扼流圈如圖4所示.
--在差模干擾信號(hào)作用下,干擾源產(chǎn)生的電流i,在磁芯中產(chǎn)生方向相反的磁通,磁芯中等于沒有磁通,線圈電感幾乎為0,因此不能抑制差模干擾信號(hào).
--在共模干擾信號(hào)作用下,兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同,有相互加強(qiáng)的作用,每一線圈電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍.因此,這種繞法的電磁線圈對(duì)共模干擾有強(qiáng)的抑制作用.
本電路中在電網(wǎng)與整流橋之間插入一共模扼流圈,該扼流圈對(duì)電網(wǎng)頻率的差模網(wǎng)側(cè)電流呈現(xiàn)極低的阻抗,因而對(duì)電網(wǎng)頻率的壓降極低;而對(duì)電源產(chǎn)生的高頻共模噪聲,等效阻抗較高,因而可以得到希望的插入損耗.
(2)扼流圈L2與電容C10、C1組成低通濾波器扼流圈L2的等效電感為L(zhǎng),以電源端作為輸入,電網(wǎng)方向作為輸出,則電路圖如圖5所示.
2.2開關(guān)緩沖電路
由于開關(guān)的快速通斷,開關(guān)電流、電壓波形為脈沖形式,產(chǎn)生噪聲污染,既增大了電源輸出的紋波,又影響電源的性能,因此,要想辦法抑制.
本電路中,輸入為交流85~200V,經(jīng)整流橋后電容上的電壓約為此交流有效值的1.2~1.4倍,最大時(shí)為Ucm=200×1.4=280V.另外,變壓器副邊折合到原邊的電壓Up=Us×33/6,Us取副邊第一繞組(5V繞組)的電壓.考慮到WY1輸入≥8V,取10V,則Up=Us×33/6=10×33/6=55V.那么開關(guān)關(guān)斷時(shí)所要承受的總電壓Ut=Ucm+Up=280+55=335V.可見對(duì)開關(guān)的過壓保護(hù)是必要的.本Flyback電源中采用TOPSwitch開關(guān),其內(nèi)部有過壓保護(hù)和緩沖電路.為保險(xiǎn)起見,在電路中還是加入了外部的過壓保護(hù)電路(R21和C21).
1)未加緩沖電路和加入緩沖電路之后開關(guān)管電壓Ut和電流i及功耗Pt的波形如圖7所示.由圖7可知,加RC緩沖電路后,開關(guān)電壓上升速率減慢,
變小,噪聲減弱,抑制了EMI.另外,開關(guān)功耗變小,使管子不致因過流過熱而損壞.
緩沖電路中的R21是在開關(guān)開通,電容C21放電時(shí)起到限流作用,避免對(duì)管子的沖擊.
2)對(duì)于開關(guān)開通時(shí)的電流沖擊,因?yàn)橛凶儔浩髟吘€圈Np電感的限流,因此本電路中沒有加限流電感.
2.3光耦隔離
由于控制電路對(duì)噪聲敏感,一旦有噪聲,將會(huì)引起控制電路中的控制信號(hào)紊亂,而嚴(yán)重影響電源的工作.為了保證開關(guān)電源的正常工作,要求控制電路必須具有高精度和高穩(wěn)定性,為此,必須將主電路與控制電路隔離.本電路中,用NEC2501將電源中的兩部分進(jìn)行電隔離:一部分是作為控制電路電源的變壓器副邊輔助電源,另一部分是主電路.這樣就防止了噪聲通過傳導(dǎo)的途徑傳入到控制電路中.
3 為更好抑制EMI對(duì)電路的一些改進(jìn)
本電路中主要的EMI是電源噪聲對(duì)電網(wǎng)的干擾.可將原來的共模扼流圈L2與電容C10、C1組成的濾波電路,改善為如圖8所示電路,則L1、L2、C1可除去差模干擾,L3、C2、C3可除去共模干擾.L1、L2的磁芯為不易飽和的材質(zhì).C1可選陶瓷電容,耐壓必須考慮輸入電壓的最大可能值,通常選用0.22~0.47μF.L3是共模扼流圈.選定C=C2=C3,截止頻率f0,則可根據(jù)
