摘 要： 為確保單片開關(guān)電源" title="單片開關(guān)電源">單片開關(guān)電源正常工作，必須在電路設(shè)計(jì)和制造工藝上采取相應(yīng)措施，有效地抑制瞬態(tài)干擾" title="瞬態(tài)干擾">瞬態(tài)干擾及音頻噪聲" title="音頻噪聲">音頻噪聲，為此闡述其抑制方法與改進(jìn)電路。
關(guān)鍵詞： 單片開關(guān)電源 瞬態(tài)干擾 音頻噪聲 抑制 電磁兼容性
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本文介紹抑制TOPSwitch和TinySwitch系列單片開關(guān)電源瞬態(tài)干擾及音頻噪聲的方法，這對(duì)提高其電磁兼容性(EMI)至關(guān)重要。
1 抑制瞬態(tài)干擾
瞬態(tài)干擾是指交流電網(wǎng)上出現(xiàn)的浪涌電壓" title="浪涌電壓">浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號(hào)，其特點(diǎn)是作用時(shí)間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會(huì)造成單片開關(guān)電源輸出電壓的波動(dòng)；當(dāng)瞬態(tài)電壓疊加在整流濾波后的直流輸入電壓Vi上，使Vi超過內(nèi)部功率開關(guān)管的漏－源擊穿電壓V(BR)DS時(shí)，還會(huì)損壞TOPSwitch芯片，因此必須采用抑制措施。
1.1 瞬態(tài)電壓的特點(diǎn)
瞬態(tài)電壓的兩種典型波形分別如圖1(a)、(b)所示。(a)圖是由國際電工委員會(huì)制定的IEC1000－4－5標(biāo)準(zhǔn)中給出的典型浪涌電壓波形，VP為浪涌電壓的峰值，通常選VP＝3000V的測(cè)試電壓。T是浪涌電壓從0.3VP上升到0.9VP的時(shí)間間隔。T1為上升時(shí)間，T1＝1.67T＝1.2μs±30％。浪涌電壓降到0.5VP 所持續(xù)的時(shí)間為T2，T2＝50μs。(b)圖示出由IEEE－587標(biāo)準(zhǔn)中給出的典型振鈴電壓波形，其峰值也是3000V(典型值)。第一個(gè)周期內(nèi)的正向脈沖上升時(shí)間T1＝0.5μs、持續(xù)時(shí)間T＝10μs；負(fù)向脈沖的峰值已衰減為0.6VP。
1.2 抑制瞬態(tài)干擾的方法
1.2.1 改進(jìn)電路
現(xiàn)以TOP202Y構(gòu)成7.5V、15W開關(guān)電源模塊的電路為例，闡述抑制瞬態(tài)干擾的方法。其改進(jìn)電路如圖2所示，主要做了以下改進(jìn)：①將交流兩線輸入方式改成三線輸入方式，G端接通大地；②采用兩級(jí)電磁干擾(EMI)濾波器，為避免兩個(gè)EMI濾波器在產(chǎn)生諧振時(shí)的干擾信號(hào)互相疊加，應(yīng)使L2(L3)≤10mH，L3≥2L2；③增加C9和L4，并將C8換成0.1μF普通電容器。C7～C9為安全電容，分別與高頻變壓器的引出端相連。其中，C7接初級(jí)直流高壓的返回端，C8接次級(jí)返回端，C9接初級(jí)直流高壓端。它們的公共端則經(jīng)過濾波電感L4接通大地。L4用鐵氧體磁環(huán)繞制而成。設(shè)計(jì)印制板時(shí)，連接C7～C9的各條印制導(dǎo)線應(yīng)短而寬。采用上述連接方式可保證瞬態(tài)電流被C7～C9旁路掉，而不進(jìn)入TOP202Y中。此外，反饋繞組接地端和C4的引出端，各經(jīng)一條單獨(dú)導(dǎo)線接TOP202Y的對(duì)應(yīng)管腳。旁路電容C5直接跨在控制端與源極上，以減小控制端上的噪聲電壓。④增加電阻R6，其阻值范圍在270～620Ω，它與光耦合器發(fā)射極相串聯(lián)。當(dāng)控制環(huán)路失控時(shí)，R6能限制峰值電流，使之小于芯片中關(guān)斷觸發(fā)器的關(guān)斷電流。
1.2.2 減小瞬態(tài)干擾的其他措施
·為減小瞬態(tài)峰值電流，應(yīng)在初、次級(jí)繞組之間繞3～5層0.05mm厚的聚酯絕緣膠布，使高頻變壓器的分布電容量降低。
·TOPSwitch的外接散熱器應(yīng)與芯片上的小散熱板連通。若兩者之間加絕緣墊片，且散熱器與電路連通位置又不合適，則散熱器與小散熱板的分布電容就會(huì)和電路中的電感發(fā)生諧振，產(chǎn)生高頻振鈴電壓，使TOPSwitch中的關(guān)斷觸發(fā)器誤操作。
·提高整流橋耐壓值并適當(dāng)增加輸入濾波電容C1的容量。
·利用共模扼流圈對(duì)過大的共模干擾電流進(jìn)行抑制。
·在110～115VAC低壓輸入時(shí)，選擇TOPSwitch－II系列產(chǎn)品，以提高芯片的漏－源擊穿電壓值。
·在交流進(jìn)線端并聯(lián)一只壓敏電阻器(VSR)，對(duì)瞬態(tài)電壓進(jìn)行鉗位，電路如圖3所示。
2 抑制音頻噪聲
單片開關(guān)電源的音頻噪聲用人耳即可聽到，它主要是由電容器和高頻變壓器產(chǎn)生的。
2.1 電容噪聲
電介質(zhì)材料具有壓電效應(yīng)，其形變大小與電場(chǎng)力的平方有關(guān)，二者呈線性或非線性關(guān)系。某些非線性電介質(zhì)在常溫下就具有壓電效應(yīng)，例如在TOPSwitch漏極RC吸收回路中使用的耐高壓陶瓷電容器，是由非線性電介質(zhì)鈦酸鋇等材料燒結(jié)而成的，在周期性尖峰電壓的作用下，使電介質(zhì)不斷發(fā)生形變，能產(chǎn)生較大的音頻噪聲。采用耐高壓的聚脂薄膜電容能降低電容噪聲。
2.2 高頻變壓器噪聲
高頻變壓器EE或EI型磁芯" title="磁芯">磁芯之間的吸引力，能使兩個(gè)磁芯發(fā)生位移，繞組電流相互間的引力或斥力，也能使線圈產(chǎn)生偏移。此外，受機(jī)械振動(dòng)時(shí)能導(dǎo)致周期性的形變。上述因素均會(huì)使高頻變壓器在工作時(shí)發(fā)出音頻噪聲。10W以下單片開關(guān)電源的音頻噪聲頻率，約為10～20kHz。
為防止磁芯之間產(chǎn)生相對(duì)位移，通常以環(huán)氧樹脂作膠合劑，將兩個(gè)磁芯的3個(gè)接觸面(含中心柱)進(jìn)行粘接。但這種剛性連接方式的效果并不理想。因?yàn)檫@無法將音頻噪聲減至最低，況且膠合劑過多，磁芯在受機(jī)械應(yīng)力時(shí)還容易折斷。國外最近采用一種特殊的“玻璃珠”(glass beads)膠合劑，來粘合EE、EI等類型的鐵氧體磁芯，效果甚佳。這種膠合劑是把玻璃珠和膠著物按照1:9的比例配制而成的混合物，它在100°C以上的溫度環(huán)境中放置1小時(shí)即可固化。但其作用與滾珠軸承有某種相似之處，固化后每個(gè)磁芯仍能獨(dú)立地在小范圍內(nèi)變形或移位，而總體位置不變，這就對(duì)形變起到了抑制作用。用玻璃珠膠合劑粘接的高頻變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用這種工藝可將音頻噪聲降低5dB。
給線圈浸入清漆、烘干之后，不僅能隔絕潮氣，加強(qiáng)堅(jiān)固性，還有助于減小音頻噪聲。不過灌入清漆后也會(huì)增大初級(jí)繞組的分布電容，降低高頻變壓器的固有諧振頻率。
2.3 抑制TinySwitch開關(guān)電源中的音頻噪聲
由TinySwitch構(gòu)成開關(guān)電源時(shí)，音頻噪聲主要是由鉗位保護(hù)電路和RC吸收回路產(chǎn)生的。為此可采取以下幾種措施：
(1)將RCD型鉗位保護(hù)電路中的二級(jí)管VD，換成高壓穩(wěn)壓管VDz；把漏極RC吸收回路中的高壓陶瓷電容器換成壓電效應(yīng)很小的聚脂薄膜電容器。改進(jìn)電路如圖5所示。
(2)為進(jìn)一步減小音頻噪聲，還可選擇磁通密度較低的磁芯，例如當(dāng)最大磁通密度從0.3T減小到0.2T時(shí)，可使音頻噪聲降低10～15dB。
參考文獻(xiàn)
1 沙占友. 電磁兼容性的設(shè)計(jì)與測(cè)量.電子測(cè)量技術(shù)，1997；(4)
2 沙占友.單片開關(guān)電源的發(fā)展及其應(yīng)用.電子技術(shù)應(yīng)用，2000；26(1)