反激式开关电源实用电磁干扰设计方法

时间：2024-04-25

摘要：本文叙述了反激式开关电源中电磁干扰（EMI）产生的一些原因，根据EMI产生的不同原因的理论分析，结合工程实践当中的经验，给出了合适的、实用的解决方法和一些关键参数的计算方法，对反激式开关电源的EMI工程设计有一定的实际指导意义。

关键词：反激；EMI设计；开关电源

0.引言

反激式变换器由于具有一些显著的优点，如：电路元件少、原副边电气隔离、对输入电压变化的适应性强等等，它被广泛运用于中、小功率的AC/DC开关电源中。但同时，它也会或多或少的带来了一些电磁干扰（EMI），因此在某些应用场合，特别是在一些对EMI比较敏感的应用场合或区域，就需要对EMI进行处理，也就是进行EMI设计。

1. 反激式变换器EMI设计

反激式开关电源在AC/DC电源中的电路原理图如图1所示，具体的工作原理就不再赘述。由于开关管或二极管不断的导通、关断，导致了电路中电压和电流的急剧变化，也就是du/dt和di/dt，这也就是产生EMI的源头。

在一次侧，当MOSFET关断时，由于变压器漏感Llk和MOSFET寄生电容Coss的谐振，会在MOSFET上形成很高的电压尖峰，如图2所示。这个电压尖峰含有丰富的谐波，会造成严重的EMI，所以需要一个电路来抑制和吸收该电压尖峰。通常我们用RCD电路作为吸收电路。吸收电路中的电容电压随着输入电压增加而减小，所以我们以最低输入电压及满载条件来确定。因此，消耗在吸收电路上的能量：

而这些能量是消耗在电阻上的，所以吸收电路上的电阻：

吸收电路里面电容上的纹波电压：

一般来说，5～10%的纹波电压是比较合适的。因此，吸收电路中的电容值可由上式计算得到。

在二次侧，由于次级漏感Lls和输出二极管的节电容Cd谐振，同样会在输出二极管上产生较大的高频电压尖峰，恶化电磁环境。

输出二极管D1先不接RC吸收电路时，在最大输入电压、最大负载的条件下，用示波器（不打带宽）测出二极管电压尖峰波形的振荡频率f1；然后在二极管上并联一个合适的电容，使并联电容后的二极管电压尖峰的振荡频率减小为之前的一半。此时谐振频率：

为了使谐振衰减，可以用一个电阻与C4串联后再与输出二极管D1并联，这时R4的取值应满足：

而电阻R4的功率应满足：

其中：为变压器二次侧电压。

从前面的分析我们可以知道，反激变换器中一些关键点的电压振荡跟变压器的漏感有很大关系，所以在变压器的设计当中要处理好原副边的耦合。在实际工程当中，变压器绕法采用“三明治”结构是一种非常有效的方法，如图3所示。

2.前级滤波电路设计

开关电源的干扰有差模干扰和共模干扰。在变换器设计中虽然采用各种办法来尽量减少各种干扰的产生，但实际并不能完全消灭这些干扰。同样，电网也并不是非常纯净，存在一些干扰。为了避免电网和变换器之间的相互干扰，就需要在电网和变换器之间加滤波电路，也就是变换器的前级滤波电路。

对于共模干扰的抑制，主要由图1中的共模扼流圈L1和安规电容CY1、CY2来实现。其中L1的两个线圈匝数相等，方向相同，这两个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是方向相反、互相抵消的，因而不起作用；而对于共模干扰信号，两线圈产生的磁通方向相同，有相互加强的作用，从而对共模干扰起到良好的抑制作用。CY1与CY2可以给共模噪声提供旁路。在制作共模扼流圈时，可根据实际的EMI测试结果来调整参数。一般来说，应选用高μ值的铁氧体磁芯和较少的线圈匝数以实现较高的感量和较小的寄生电容，但同时要避免低电压输入满负载工作时磁性饱和的问题。

对于差模干扰的抑制，则主要由图1中的L2、C2来完成。它们构成一个低通滤波器，转折频率：

其中：L2为差模电感，

C2为X电容。

fc 应大于交流输入电源，C2一般取值在0.1～0.47μF之间，因此L2感量的选择也是在一个明确的范围之内。

3.其它设计注意事项

除了上述几个重要环节之外，还有很多其它方面是需要注意的。如：一、二次侧去耦（在一二次侧的静点跨接Y电容），PCB设计，敏感元器件屏蔽等方面，都有可能影响到整个电源产品的EMI设计的成败。因此，在反激式开关电源设计的各个方面都应该小心谨慎，不能麻痹大意。

4.小结

随着电力电子设备在家用、商用、军用等领域中被广泛的使用，且各种应用领域对电子设备的EMI要求越来越高，因此电子设备的EMI设计也显得越来越重要。本文根据理论分析及实践经验，给出了反激式开关电源EMI设计的实用解决方案，希望对工程实践有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 王志強等译：开关电源设计（第二版）北京：电子工业出版社2005.

[2] 赵修科：开关电源中的磁性元件辽宁科学技术出版社2014

[3] （美国）Sanjaya Maniktala：精通开关电源设计（第2版）人民邮电出版社2008