反激式開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)(寶典)

摘要

電源模塊EMC的設(shè)計(jì)效果，直接影響附近其他設(shè)備的使用效果，問題嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)電子設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)失常或損壞。注意開關(guān)電源調(diào)制頻率控制、布局與走線、軟開關(guān)技術(shù)、電源屏蔽、EMI 耦合、開關(guān)電源模塊外圍電路的EMC與防護(hù)設(shè)計(jì)等方面的細(xì)節(jié)，有助于電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果優(yōu)化。

1 開關(guān)電源

開關(guān)電源引起電磁干擾問題的原因是很復(fù)雜的。針對開關(guān)電源的EMC 問題，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用以下主要措施：

1.1 軟開關(guān)技術(shù)

這是改善開關(guān)器件EMC 特性的重要方法。器件開通和關(guān)斷電源時(shí)，會產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關(guān)管產(chǎn)生電磁干擾的主要原因。軟開關(guān)技術(shù)主要是使開關(guān)電源中的開關(guān)管在零電壓、零電流時(shí)，進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而有效地抑制電磁干擾。

1.2 調(diào)制頻率控制

開關(guān)頻率的變化，會使干擾的能量隨著離散的開關(guān)分布變化。頻率點(diǎn)上發(fā)布的能量變化，導(dǎo)致干擾強(qiáng)度變化。通過調(diào)制開關(guān)信號的能量分布，使之發(fā)布在一個(gè)很寬的頻帶上，將干擾能量分布在離散頻帶上，這樣就將干擾頻譜展開，從而降低開關(guān)頻率點(diǎn)上的電磁干擾強(qiáng)度。

1.3 布局與走線

將電源輸入信號和輸出信號相關(guān)聯(lián)的元器件都放置在相應(yīng)的端口附近，以避免因耦合路徑而產(chǎn)生干擾。走線能短則短，減少干擾；將關(guān)聯(lián)的元器件集中布局放在一起，也可減少電磁干擾。

另外還要盡量避免信號線平行走線。如果無法避免，盡量加大線間距。或者在中間加一根地線，以減少相互之間的干擾。

2 電源部分的屏蔽

2.1 屏蔽罩

電源部分的屏蔽不好，會造成較大的干擾，影響傳導(dǎo)。并且由于電源的發(fā)熱很厲害，所以屏蔽罩一定要注意散熱的問題。通常屏蔽罩上都有開口和接縫，也會造成電磁泄露，影響屏蔽效果，屏蔽罩電磁泄露與該開口的尺寸大小、輻射源的特性、開口處到輻射源的距離等都有關(guān)。在接縫處使用電磁密封襯墊，設(shè)計(jì)時(shí)密切注意開口尺寸，以及控制輻射源到開口的距離等措施，都可以增強(qiáng)屏蔽的效果。

2.2 電纜的屏蔽

一般情況下使用屏蔽電纜，將電纜的屏蔽層與連接器的外殼連接。同時(shí)電源線、信號線都通過濾波連接器轉(zhuǎn)接，這樣既可濾波，又能達(dá)到屏蔽效果。

2.3 電纜選用及敷設(shè)

絕大多數(shù)電磁兼容問題，是由電纜材料選擇不當(dāng)，電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作不嚴(yán)密造成的。電纜是電磁波接收和輻射的高效直接的天線，同時(shí)也是干擾傳導(dǎo)的重要通道。應(yīng)選取屏蔽層質(zhì)量好、低阻抗搭接的電纜；布線時(shí)，注意電源配電線路、信號線等各類線路保持適當(dāng)距離；敏感電路單獨(dú)敷設(shè)，不要交叉重疊，加大間距，避免耦合。

2.4 EMC 電源線濾波器

EMC 電源線濾波器的作用是抑制電源輸入端高頻干擾信號對整個(gè)系統(tǒng)的影響。濾波器性能在很大程度上取決于安裝方式，不同于一般電子元器件。所以在安裝方式上，輸入與輸出線的間距要適度偏遠(yuǎn)，以避免兩端耦合，提高高頻濾波效果；低阻抗接觸，減短濾波器和電源端口的連線距離，先進(jìn)入濾波器，再進(jìn)入其他各單元；對濾波器和電源端口之間的連線，進(jìn)行屏蔽，從源頭控制干擾。

3 設(shè)備電源的EMI 耦合

在電子設(shè)備內(nèi)，電源同其它功能有廣泛密切的關(guān)系。電源中產(chǎn)生的信號，很容易耦合到各功能單元。電磁兼容首關(guān)電源，須注意：使用公共電源的電路，集中靠近且必須兼容；在電源線干線敷設(shè)濾波器以防外部騷擾進(jìn)入；注意開關(guān)電源引起高頻輻射和傳導(dǎo)騷擾；在射頻范圍，保持低輸出阻抗，保證穩(wěn)壓器有效抑制高頻紋波和瞬變加載；電源變壓器所用鐵芯材料的驅(qū)動避免飽和狀態(tài)；用靜電屏蔽的電源變壓器抑制電源線上的共模騷擾。

4 開關(guān)電源模塊外圍電路的EMC 與防護(hù)設(shè)計(jì)

單個(gè)的開關(guān)電源模塊，幾乎很難通過surge、EFT、CE、RE 等EMC 實(shí)驗(yàn)，尤其是國外的電源模塊，盡管其可靠性高、壽命長、EMI 控制得很好，但其抗干擾性（Surge、EFT）不強(qiáng)。因此，根據(jù)開關(guān)電源模塊特性，做好外圈電路的EMC 與防護(hù)設(shè)計(jì)，是設(shè)備通過EMC 測試，或者提高其現(xiàn)場抗干擾性的關(guān)鍵所在。

4.1 了解開關(guān)電源的特性參數(shù)

開關(guān)電源最核心的EMC 特性參數(shù)：開關(guān)電源的輸入電壓與電流范圍、開關(guān)電源的最大瞬態(tài)干擾承受電壓（input surge Withstand）。瞬態(tài)抑制器件（壓敏電阻、TVS 管、保險(xiǎn)絲）不應(yīng)該在其正常輸入范圍內(nèi)動作，外部電磁干擾經(jīng)過瞬態(tài)抑制器件，或電容電感的濾波后，其殘留的干擾，一定不能大于該限值。

4.2 利用好開關(guān)電源模塊的絕緣耐壓特性

開關(guān)電源絕緣耐壓，其實(shí)是一種共模防護(hù)性能。例如開關(guān)電源輸入+110、-110V 與機(jī)殼地PG 的絕緣強(qiáng)度為AC1500V，也就意味著該電源模塊的浪涌、EFT 的共模抗擾度至少在DC2000V 以上，即在通過浪涌、雷擊、EFT 共模三級（2KV）測試時(shí)，不需要添加任何共模防護(hù)措施（絕緣防護(hù)，共模干擾無法擊穿其絕緣材料，導(dǎo)致干擾只能電壓沒有形成回路，即無法形成有效的電磁干擾）。如果要通過更高級別的浪涌或雷擊測試（如四級，4KV），可以將瞬態(tài)抑制器件的共模動作電壓提高。比如使用動作電壓為DC3600V 的氣體放電管，僅在DC4KV 的共模沖擊中動作，這樣能夠在不影響電源抗干擾性能的前提下，提高防護(hù)器件的使用壽命（減小動作次數(shù)），以及不影響其安規(guī)耐壓測試（部分耐壓測試時(shí)，不僅拆除瞬態(tài)抑制器件）。

4.3 了解開關(guān)電源的EMI 測試方法

很多開關(guān)電源是通過UL、3C 認(rèn)證的，其EMI 的性能是有保證的。但是集成到系統(tǒng)中，你就會發(fā)現(xiàn)RE、CE 不通過，很大程度上是開關(guān)電源引起的。這主要是由于開關(guān)電源的EMI 測試方法不同造成的，許多開關(guān)電源CE、RE 測試時(shí)，使用電阻性負(fù)載測試（行業(yè)通用做法），與系統(tǒng)或帶實(shí)際負(fù)載測試時(shí)不同。實(shí)際負(fù)載，可能包含了大量的高頻電磁騷擾，導(dǎo)致CE、RE 測試失敗。因此，即使通過3C、UL 等認(rèn)證的開關(guān)電源，我們也要預(yù)留EMI 整改的空間（如添加濾波器）。

4.4 了解防護(hù)器件的失效機(jī)理或弱點(diǎn)

在可靠性要求性高的場合，如軌道交通，一般采用串聯(lián)氣體放電管、串聯(lián)保險(xiǎn)絲、提升壓敏電阻動作電壓。

4.5 適當(dāng)?shù)墓材V波與防護(hù)

某些號稱能夠通過浪涌、EFT 測試的開關(guān)電源模塊，也是帶負(fù)載電阻進(jìn)行EMC 測試的，其測試時(shí)，只要保證不死機(jī)（無輸出）即可。某開關(guān)電源模塊（號稱可以通過3 級EFTSurge 測試）在抗干擾測試中，其+5V 電源輸出端口的干擾甚至高達(dá)300V，如果不對開關(guān)電源進(jìn)行共模抑制或防護(hù)，極容易損壞+5V 弱電系統(tǒng)。如果在輸出（+5V、GND）上添加共模電感濾波、加TVS 管進(jìn)行瞬態(tài)抑制的話，輸出端的瞬態(tài)過壓可以降低到20V以下。