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电源设计小贴士之解决传导性共模辐射问题

2017-7-14 08:16 阅读: 286 评论: 0 编辑: ygzx1
[导读]在隔离式电源中,这种情况变得更加糟糕,因为隔离变压器的次级绕组最终连接至机架接地。因此,存在相当大的初级到次级寄生电容。图1显示了一个这种情况的简化示意图。图1:Q1高压开关驱动C-STRAY中共模电流这是一种 ...
在隔离式电源中,这种情况变得更加糟糕,因为隔离变压器的次级绕组最终连接至机架接地。因此,存在相当大的初级到次级寄生电容。图1显示了一个这种情况的简化示意图。图1:Q1高压开关驱动C-STRAY中共模电流这是一种离线工作的隔离式反向结构。110伏到220伏AC输入电源经过整流,从而向功率级提供100伏到400伏DC。电源开关迅速开启和关闭,在Q1漏极上产生500伏到600伏开关波形,其同时也施加于电源变压器的初级绕组。这种开关电压,在变压器初级绕组到次级绕组之间的杂散电容中形成电流。该电流流经负载的预设机架接地,或者只是以电容方式接地耦合。该电流必须完成噪声返回通路,从而产生开关式电源。在没有C1的情况下,它流回AC输入电源,然后流入电源的输入线,其很可能会超出EMI辐射规格。由于其高电源阻抗,这种电流的滤波特别困难。变压器的杂散电容大小级别为100 pF,其典型电源开关频率的阻抗为10千欧。只在电流通路中添加一个电感来减小这种电流的方法并不实际。例如,如果我们希望将电流减小10倍,其要求100千欧的电抗(也即0.1亨),且分布电容小于10 pF,这并不现实。电容器C1带来了另一种解决方案。它为电流提供了一条本地返回通路。大多数共模电流通过该电容器在电源内部回流,而不是通过AC输入电源回流。另外,C1还减小了系统的电源阻抗,这样共模串联电感L1就变得现实了。在共模滤波器的设计过程中,一个关键因素是C1值的选择。从电磁干扰(EMI)的角度来看,其值越大越好。更大的电容可获得更小的EMI信号,且电源阻抗也更低。你可以利用电容的平方原则,估计EMI信号的减小程度。但是,高电容也意味着机架连线的线频率电流更大。另外,这种电流还有一些安全限制,目的是减少触电事故的发生机率。当电源机架连线断裂时,人员进入电流通路便会发生触电事故,如图2所示。IEC Std 601-1将这种电流的大小限制为0.5 mA RMS,同时人们还在讨论出台更为严格的安全规定。输入为230伏时,IEC可有效地将C1值限制为4700 pF。
图2:C1可以成为一种触电风险总之,驱动寄生电容机架接地的高dV/dt电压波形,会形成共模电流。这种电流特别难以滤波,原因是其存在高电源阻抗。滤波要求使用一个机架电容器,提供另一条本地返回通路,并降低阻抗。尽管从EMI滤波器的角度来看,电容越大越好,但是总电容受限于安全规定。续如前所述我们可以使用一个机架电容将共模电流返回至电源,该电容还可以降低噪声的源阻抗。然而就我们可以使用的电容大小而言是有一个安全极限的,其决定了共模滤波器的剩余量。共模电流是由Q1漏极上的大AC开关电压产生的(请参见图1),其使得电流流经杂散电容进入机架接地。机架电容C1为其提供了一个在电源中返回而不会流经AC输入源接地连接的路径。共模电感L1通过在电源机架和AC输入源之间的路径中添加阻抗来限制共模辐射。1 MHz时,4700 pF机架电容的最大容许感抗为30 Ohms。为了让所有开关产生的电流都进入到机架电容C1,这一电感需要在高频率范围内具有高阻抗(数千欧姆)。图1:高阻抗共模电感 (L1) 降低了辐射更进一步观察T2,电感位于热线和中线组合路径,差动电感不再用于降低共模电流。许多设计人员都使用L1漏电感进行差动滤波。由于有了电感连接(如图1所示),在电感中就没有了净DC电流,这就是说可以使用一个高磁导率无隙磁芯。图2显示了典型共模电感磁芯材料与频率之间关系的相关磁导率。就磁导率而言有真实部分 (real part) 也有复极部分 (complex part)。当复极部分与材料损耗相关时真实部分就与电感相关。由于该图表述为串联组件,因此总体阻抗为二者的矢量和。这是极具价值的,因为即使电感的真实部分在 300 kHz频率时作用开始衰减并且在高于1-2 MHz时无法使用,阻抗取决于1 MHz以上时材料的损耗情况并继续实现10 MHz的高效率。图2:寻找一种具有高磁导率裕量的磁芯材料一旦您选定了磁芯材料,接下来的最大挑战就是如何充分利用磁芯材料的高磁导性(请参见图3),该图显示了28 mH阻抗共模与频率的关系。在低频率时,该器就像是一个电感器,但是在高频率时其更像是一个分布电容,该电容与电感共振。由于该大电感,23 pF分布式电容就会影响电感在200 kHz以上时的性能。设计一款高性能共模电感的关键就是选择扇形绕组、单个绕组并精心选择磁芯最小化绕组的数量来最小化电容。有时这些共振是不可避免的并且在较高频率时需要额外的滤波。在这些情况下,我们可以再添加一个电感来对较高频率进行滤波。图3:分布电容降低了共模电感阻抗总之,出于对噪声的高源阻抗以及安全性考虑,AC电源的共模滤波包含了若干高阻抗组件以将电容限制在机架以内。由于中间绕组电容的存在,就高频率下的高阻抗而言,要想实现上述功能,共模电感面临着很大的挑战。在选择磁芯材料时需十分谨慎,材料磁导性裕量必须一直保持在高水平。此外,必须要对分布式绕组电容进行适当控制。一个仅为30 pF 的分布式电容就可损坏电感的阻抗。在大多数情况下,设计人员会使用串联的两个电感(每个电感在特定的频带内均能提供滤波功能)来解决这一问题。

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