单片开关电源瞬态干扰及音频噪声抑制技术
2008-12-08
作者：沙占友 薛树琦 唱春来
摘 要： 为确保单片开关电源" title="单片开关电源">单片开关电源正常工作，必须在电路设计和制造工艺上采取相应措施，有效地抑制瞬态干扰" title="瞬态干扰">瞬态干扰及音频噪声" title="音频噪声">音频噪声，为此阐述其抑制方法与改进电路。
关键词： 单片开关电源 瞬态干扰 音频噪声 抑制 电磁兼容性
本文介绍抑制TOPSwitch和TinySwitch系列单片开关电源瞬态干扰及音频噪声的方法，这对提高其电磁兼容性(EMI)至关重要。
1 抑制瞬态干扰
瞬态干扰是指交流电网上出现的浪涌电压" title="浪涌电压">浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号，其特点是作用时间极短，但电压幅度高、瞬态能量大。瞬态干扰会造成单片开关电源输出电压的波动；当瞬态电压叠加在整流滤波后的直流输入电压Vi上，使Vi超过内部功率开关管的漏－源击穿电压V(BR)DS时，还会损坏TOPSwitch芯片，因此必须采用抑制措施。
1.1 瞬态电压的特点
瞬态电压的两种典型波形分别如图1(a)、(b)所示。(a)图是由国际电工委员会制定的IEC1000－4－5标准中给出的典型浪涌电压波形，VP为浪涌电压的峰值，通常选VP＝3000V的测试电压。T是浪涌电压从0.3VP上升到0.9VP的时间间隔。T1为上升时间，T1＝1.67T＝1.2μs±30％。浪涌电压降到0.5VP 所持续的时间为T2，T2＝50μs。(b)图示出由IEEE－587标准中给出的典型振铃电压波形，其峰值也是3000V(典型值)。第一个周期内的正向脉冲上升时间T1＝0.5μs、持续时间T＝10μs；负向脉冲的峰值已衰减为0.6VP。
1.2 抑制瞬态干扰的方法
1.2.1 改进电路
现以TOP202Y构成7.5V、15W开关电源模块的电路为例，阐述抑制瞬态干扰的方法。其改进电路如图2所示，主要做了以下改进：①将交流两线输入方式改成三线输入方式，G端接通大地；②采用两级电磁干扰(EMI)滤波器，为避免两个EMI滤波器在产生谐振时的干扰信号互相叠加，应使L2(L3)≤10mH，L3≥2L2；③增加C9和L4，并将C8换成0.1μF普通电容器。C7～C9为安全电容，分别与高频变压器的引出端相连。其中，C7接初级直流高压的返回端，C8接次级返回端，C9接初级直流高压端。它们的公共端则经过滤波电感L4接通大地。L4用铁氧体磁环绕制而成。设计印制板时，连接C7～C9的各条印制导线应短而宽。采用上述连接方式可保证瞬态电流被C7～C9旁路掉，而不进入TOP202Y中。此外，反馈绕组接地端和C4的引出端，各经一条单独导线接TOP202Y的对应管脚。旁路电容C5直接跨在控制端与源极上，以减小控制端上的噪声电压。④增加电阻R6，其阻值范围在270～620Ω，它与光耦合器发射极相串联。当控制环路失控时，R6能限制峰值电流，使之小于芯片中关断触发器的关断电流。
1.2.2 减小瞬态干扰的其他措施
·为减小瞬态峰值电流，应在初、次级绕组之间绕3～5层0.05mm厚的聚酯绝缘胶布，使高频变压器的分布电容量降低。
·TOPSwitch的外接散热器应与芯片上的小散热板连通。若两者之间加绝缘垫片，且散热器与电路连通位置又不合适，则散热器与小散热板的分布电容就会和电路中的电感发生谐振，产生高频振铃电压，使TOPSwitch中的关断触发器误操作。
·提高整流桥耐压值并适当增加输入滤波电容C1的容量。
·利用共模扼流圈对过大的共模干扰电流进行抑制。
·在110～115VAC低压输入时，选择TOPSwitch－II系列产品，以提高芯片的漏－源击穿电压值。
·在交流进线端并联一只压敏电阻器(VSR)，对瞬态电压进行钳位，电路如图3所示。
2 抑制音频噪声
单片开关电源的音频噪声用人耳即可听到，它主要是由电容器和高频变压器产生的。
2.1 电容噪声
电介质材料具有压电效应，其形变大小与电场力的平方有关，二者呈线性或非线性关系。某些非线性电介质在常温下就具有压电效应，例如在TOPSwitch漏极RC吸收回路中使用的耐高压陶瓷电容器，是由非线性电介质钛酸钡等材料烧结而成的，在周期性尖峰电压的作用下，使电介质不断发生形变，能产生较大的音频噪声。采用耐高压的聚脂薄膜电容能降低电容噪声。
2.2 高频变压器噪声
高频变压器EE或EI型磁芯" title="磁芯">磁芯之间的吸引力，能使两个磁芯发生位移，绕组电流相互间的引力或斥力，也能使线圈产生偏移。此外，受机械振动时能导致周期性的形变。上述因素均会使高频变压器在工作时发出音频噪声。10W以下单片开关电源的音频噪声频率，约为10～20kHz。
为防止磁芯之间产生相对位移，通常以环氧树脂作胶合剂，将两个磁芯的3个接触面(含中心柱)进行粘接。但这种刚性连接方式的效果并不理想。因为这无法将音频噪声减至最低，况且胶合剂过多，磁芯在受机械应力时还容易折断。国外最近采用一种特殊的“玻璃珠”(glass beads)胶合剂，来粘合EE、EI等类型的铁氧体磁芯，效果甚佳。这种胶合剂是把玻璃珠和胶着物按照1:9的比例配制而成的混合物，它在100°C以上的温度环境中放置1小时即可固化。但其作用与滚珠轴承有某种相似之处，固化后每个磁芯仍能独立地在小范围内变形或移位，而总体位置不变，这就对形变起到了抑制作用。用玻璃珠胶合剂粘接的高频变压器内部结构如图4所示。采用这种工艺可将音频噪声降低5dB。
给线圈浸入清漆、烘干之后，不仅能隔绝潮气，加强坚固性，还有助于减小音频噪声。不过灌入清漆后也会增大初级绕组的分布电容，降低高频变压器的固有谐振频率。
2.3 抑制TinySwitch开关电源中的音频噪声
由TinySwitch构成开关电源时，音频噪声主要是由钳位保护电路和RC吸收回路产生的。为此可采取以下几种措施：
(1)将RCD型钳位保护电路中的二级管VD，换成高压稳压管VDz；把漏极RC吸收回路中的高压陶瓷电容器换成压电效应很小的聚脂薄膜电容器。改进电路如图5所示。
(2)为进一步减小音频噪声，还可选择磁通密度较低的磁芯，例如当最大磁通密度从0.3T减小到0.2T时，可使音频噪声降低10～15dB。
参考文献
1 沙占友. 电磁兼容性的设计与测量.电子测量技术，1997；(4)
2 沙占友.单片开关电源的发展及其应用.电子技术应用，2000；26(1)