本文以一款反激式開(kāi)關(guān)電源為例，闡述了其傳導(dǎo)共模干擾的產(chǎn)生、傳播機(jī)理。根據(jù)噪聲活躍節(jié)點(diǎn)平衡的思想，提出了一種新的變壓器EMC設(shè)計(jì)方法。通過(guò)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，該方法對(duì)傳導(dǎo)電磁干擾(EMI)的抑制能力更強(qiáng)，且能降低變壓器的制作成本和工藝復(fù)雜程度。本方法同樣適用于其他形式的帶變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)電源。

　　隨著功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源高功率體積比和高效率的特性使得其在現(xiàn)代軍事、工業(yè)和商業(yè)等各級(jí)別的儀器設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，并且隨著時(shí)鐘頻率的不斷提高，設(shè)備的電磁兼容性(EMC)問(wèn)題引起人們的廣泛關(guān)注。EMC設(shè)計(jì)已成為開(kāi)關(guān)電源開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。

　　傳導(dǎo)電磁干擾(EMI)噪聲的抑制必須在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期就加以考慮。通常情況下，加裝電源線濾波器是抑制傳導(dǎo)EMI的必要措施[1]。但是，僅僅依靠電源輸入 端的濾波器來(lái)抑制干擾往往會(huì)導(dǎo)致濾波器中元件的電感量增加和電容量增大。而電感量的增加使體積增加;電容量的增大受到漏電流安全標(biāo)準(zhǔn)的限制。電路中的其他 部分如果設(shè)計(jì)恰當(dāng)也可以完成與濾波器相似的工作。本文提出了變壓器的噪聲活躍節(jié)點(diǎn)相位干燥繞法，這種設(shè)計(jì)方法不僅能減少電源線濾波器的體積，還能降低成本。

　　1、反激式開(kāi)關(guān)電源的共模傳導(dǎo)干擾

　　電子設(shè)備的傳導(dǎo)噪聲干擾指的是：設(shè)備在與供電電網(wǎng)連接工作時(shí)以噪聲電流的形式通過(guò)電源線傳導(dǎo)到公共電網(wǎng)環(huán)境中去的電磁干擾。傳導(dǎo)干擾分為共模干擾與差模干擾兩種。共模 干擾電流在零線與相線上的相位相等;差模干擾電流在零線與相線上的相位相反。差模干擾對(duì)總體傳導(dǎo)干擾的貢獻(xiàn)較小，且主要集中在噪聲頻譜低頻端，較容易抑制;共模干擾對(duì)傳導(dǎo)干擾的貢獻(xiàn)較大，且主要處在噪聲頻譜的中頻和高頻頻段。對(duì)共模傳導(dǎo)干擾的抑制是電子設(shè)備傳導(dǎo)EMC設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，也是最主要的任務(wù)。

　　反激式開(kāi)關(guān)電源的電路中存在一些電壓劇變的節(jié)點(diǎn)。和電路中其他電勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)不同，這些節(jié)點(diǎn)的電壓包含高強(qiáng)度的高頻成分[2]。這些電壓變化十分活躍的 節(jié)點(diǎn)稱為噪聲活躍節(jié)點(diǎn)。噪聲活躍節(jié)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)電源電路中的共模傳導(dǎo)干擾源，它作用于電路中的對(duì)地雜散電容就產(chǎn)生共模噪聲電流ICM 。而電路中對(duì)EMI影響較大的對(duì)地雜散電容有：功率開(kāi)關(guān)管的漏極對(duì)地的寄生電容Cde，變壓器的主邊繞組對(duì)副邊繞組的寄生電容Cpa;變壓器的副邊回路對(duì)地的寄生電容Cae， 變壓器主、副邊繞組對(duì)磁芯的寄生電容Cpc、Cac 以及變壓器磁芯對(duì)地的寄生電容Cce這些寄生電容在電路中的分布如圖1所示。

　　圖1、共模噪聲電流在電路中的耦合途徑

　　圖1中的共模電流ICM在電路中的耦合途徑主要有3條：從噪聲源—— 功率開(kāi)關(guān)管的d極通過(guò)Cde耦合到地;從噪聲源通過(guò)Cpa耦合到變壓器次級(jí)電路，再通過(guò)Cae 耦合到地;從變壓器的前、次級(jí)線圈通過(guò)Cpc、Cac 耦合到變壓器磁芯，再通過(guò)Cce 耦合到地。這3種電流是構(gòu)成共模噪聲電流(圖1中的黑色箭頭所示)的主要因素。共模電流通過(guò)電源線輸入端的地線回流，從而被LISN取樣測(cè)量得到。

　　2、隔離變壓器的EMC設(shè)計(jì)

　　2.1、傳統(tǒng)變壓器EMC設(shè)計(jì)

　　共模噪聲的耦合除了通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管d極對(duì)地這條途徑外，開(kāi)關(guān)管d極的噪聲電壓通過(guò)變壓器的寄生電容將噪聲電流耦合到變壓器副邊繞組所在的回路，再通過(guò)次級(jí)回路 對(duì)地的寄生電容耦合到地也是共模電流產(chǎn)生的途徑。因此設(shè)法減小從變壓器主邊繞組傳遞到副邊繞組間的共模電流是一種有效的EMC設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的變壓器 EMC設(shè)計(jì)方法是在兩繞組間添加隔離層[3]，如圖2所示。

　　圖2、變壓器隔離層對(duì)噪聲電流的影響

　　金屬隔離層直接連接地線的設(shè)計(jì)會(huì)增大共模噪聲電流，使EMC性能變差。隔離層應(yīng)該是電路中電位穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)，比如將圖2中的隔離層連接到電路前級(jí)的負(fù)極就是一個(gè)很好的接法。這樣的連接能把原本流向大地的共模電流有效分流，從而大大降低電源線的傳導(dǎo)噪聲發(fā)射水平。

　　2.2、節(jié)點(diǎn)相位平衡法

　　在電路中，噪聲電壓活躍節(jié)點(diǎn)并不是單一的。以本文分析的電路為例：除功率開(kāi)關(guān)管的d極外，變壓器前級(jí)繞組的另一端Uin 也是一個(gè)噪聲電壓活躍節(jié)點(diǎn)，而且節(jié)點(diǎn)電壓的變化方向與場(chǎng)管的d極電壓情況相反。所以變壓器次級(jí)繞組的兩端是相位相反的噪聲電壓活躍節(jié)點(diǎn)。圖3所示的是采用節(jié)點(diǎn)相位平衡法后，變壓器骨架上的線圈分布情況。

　　圖3、噪聲電流在變壓器內(nèi)部的耦合情況

　　LED路燈是低電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)器件，其發(fā)光的強(qiáng)度由流過(guò)LED的電流決定，電流過(guò)強(qiáng)會(huì)引起LED的衰減，電流過(guò)弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，因此LED的驅(qū)動(dòng)需要提供恒流電源，以保證大功率LED使用的安全性，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。用市電驅(qū)動(dòng)大功率LED需要解決降壓、隔離、PFC(功率因素校正)和恒流問(wèn)題，還需有比較高的轉(zhuǎn)換效率，有較小的體積，能長(zhǎng)時(shí)間工作，易散熱，低成本，抗電磁干擾，和過(guò)溫、過(guò)流、短路、開(kāi)路保護(hù)等。本方案設(shè)計(jì)的PFC開(kāi)關(guān)電源性能良好、可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且效率高，在LED路燈使用過(guò)程中取得滿意的效果。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　采用隔離變壓器、PFC控制實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)電源，輸出恒壓恒流的電壓，驅(qū)動(dòng)LED路燈。電路的總體框圖如圖1所示。

　　LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。加強(qiáng)這方面的保護(hù)也很重要。LED路燈裝在戶外更要加強(qiáng)浪涌防護(hù)。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有抑制浪涌侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。EMI濾波電路主要防止電網(wǎng)上的諧波干擾串入模塊，影響控制電路的正常工作。

　　三相交流電經(jīng)過(guò)全橋整流后變成脈動(dòng)的直流在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。主開(kāi)關(guān)DC/AC電路將直流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電壓在變壓器的次級(jí)輸出。變壓器輸出的高頻脈沖經(jīng)過(guò)高頻整流、LC濾波和EMI濾波，輸出LED路燈需要的直流電源.

　　PWM控制電路采用電壓電流雙環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)整和輸出電流的限制。反饋網(wǎng)絡(luò)采用恒流恒壓器件TSM101和比較器，反饋信號(hào)通過(guò)光耦送給PFC器L6561.由于使用了PFC器件使模塊的功率因數(shù)達(dá)到0.95.

　　2 DC/DC變換器

　　DC/DC變換器的類型有多種，為了保證用電安全，本設(shè)計(jì)方案選為隔離式。隔離式DC/DC變換形式又可進(jìn)一步細(xì)分為正激式、反激式、半橋式、全橋式和推挽式等。其中，半橋式、全橋式和推挽式通常用于大功率輸出場(chǎng)合，其激勵(lì)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難;而正激式和反激式電路則簡(jiǎn)單易行，但由于反激式比正激式更適應(yīng)輸入電壓有變化的情況，且本電源系統(tǒng)中PFC輸出電壓會(huì)發(fā)生較大的變化，故DC/DC變換采用反激方式，有利于確保輸出電壓穩(wěn)定不變。

　　反激式開(kāi)關(guān)電源主要應(yīng)用于輸出功率為5~150W的情況。這種電源結(jié)構(gòu)是由Buck-Boost結(jié)構(gòu)推演并加上隔離變壓器而得到，如圖2所示。在反激式拓?fù)渲校勺儔浩髯鳛閮?chǔ)能元件。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器儲(chǔ)存能量，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供;開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器將儲(chǔ)存的能量傳送到負(fù)載和輸出濾波電容，以補(bǔ)償電容單獨(dú)提供負(fù)載電流時(shí)消耗的能量。

　　圖中T1為高頻隔離變壓器，VQ1為CMOS功率三極管17N80C3,VD7和VD8是瞬變抑制二極管，VD6為快恢復(fù)二極管，VD5為雙二極管，C3、C4、C5和C6為電解電容器。Ubout是來(lái)自整流橋的脈動(dòng)直流信號(hào)，GD是來(lái)自功率因數(shù)校正電路的控制信號(hào)。變壓器的引線l和2組成一個(gè)繞組，給PFC器件提供工作電源，引線11和12組成一個(gè)繞組，為恒流恒壓器件和比較器提供工作電源。

　　3 反饋網(wǎng)絡(luò)電路

　　3.1恒流恒壓電路

　　本設(shè)計(jì)使用恒流恒壓控制器件TSM101調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，使之穩(wěn)定。電路如圖3所示。通過(guò)TSM101的控制作用，保證了電源恒流(CC)和恒壓(CV)工作。圖3中，Uout+和Uout-是隔離變壓器經(jīng)過(guò)雙二極管和電解電容器濾波的電壓，再經(jīng)電感L4和電容濾波后的輸出為Uout+和Uout-,為本電源模塊的輸出電壓，直接加在LED路燈上?？烧{(diào)電阻器RV1和RV2分別調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的大小。R10和R11為22mΩ的電阻，分別對(duì)電源輸出的電壓和電流采樣。TMS101的輸出TOUT通過(guò)光電耦合器、可控硅和三極管等電路送到L6561的引腳5,通過(guò)反饋電路實(shí)現(xiàn)恒流控制。器件引腳8接輔助電源，引腳4接變壓器T1副邊地。