小功率开关电源的电磁兼容性设计

1、摘 要随着电器和电子设备或系统的数量及种类不断增加，使得电磁环境日益复杂。在复杂的电磁环境中，各种设备或系统能否正常工作，成为一个急待解决的问题，作为各种设备或系统的重要部分开关电源，既是骚扰源，同时又是被干扰者。各种电源在工作时往往会产生一些有用或无用的电磁能量，这些电磁能量会影响其他电磁设备或系统的正常工作，这就是电磁骚扰。电磁骚扰可能使开关电源的工作性能下降，甚至使开关电源的使用寿命缩短，或者根本无法正常工作。可见电磁兼容性设计的目的是既能使开关电源在一定的电磁环境下能正常工作，又不会对周边设备形成大的电磁干扰。本文将从减少干扰源产生的干扰信号、切断干扰信号的传播路径、增强受干扰体的抗干

2、扰能力三方面入手对一个输出功率为200瓦的小功率开关电源进行电磁兼容性设计。主要有输入输出滤波器设计、缓冲吸收电路设计、保护电路设计、反馈回路设计以及pcb布线设计等。关键词：emc，开关电源，emi滤波器，pcb40abstractunceasingly increase along with the electric appliance and theelectronic installation or the system quantity and the type，causes the electromagnetic environment to be day by day compl

3、ex.in complex electromagnetic environment，each kind of equipment or do the system whether normal work, become apending issue, as each kind of equipment or system important part- the switching power supply, not only is harasses the power source,simultaneously also is by guan jaoche. each kind of powe

4、r source when work often can produce some is usefulor the useless electromagnetism energy, these electromagnetism energies can affect other electromagnetism equipment or the system normal work, this is the electromagnetism harassment.the electromagnetism harassment possibly causes the switching powe

5、rsupply the operating performance to drop, even causes the switching power supply the service life to reduce, orbasic is unable the normal work obviously the electromagnetic compatibility design goal is already canenable the switching power supply under the certain electromagneticenvironment the nor

6、mal work,side also cannot the team walk the equipment to form the bigelectromagnetism pass to harass.this article the unwanted signal which will produce from the reducednoise source, shuts off the unwanted signal the path of propagation, enhancement the antijamming ability three aspects obtains atea

7、m output is 200 tiles low power switching power supplies carries onthe electromagnetic compatibility design.mainly has the input output lu wave design, cushion absorbing circuit design, protection circuit design, feedback return route design as well as pcb wiring design and so on.key words: emc，swit

8、ch power supply，emi filter，pcb目 录1 绪 论11.1 题目背景及目的11.2 国内外研究情况21.3 总体设计方案52 高频变压器设计72.1 参数计算73 滤波电路设计113.1 输入emi滤波器设计113.2 方案确定123.2.1 电路结构选取原则123.2.2 开关电源的干扰信号特点123.2.3 电路参数确定133.3 输出平滑电路设计133. 3.1 整流二极管的选取143.3.2 滤波电感设计143.3.3 输出滤波电容参数计算144 功率因数校正电路设计164.1 功率因数校正的方法及其优缺点164.2 方案确定及设计165 吸收缓冲电路设计18

9、5.1 缓冲电路具体方案确定185.2 元件参数计算196 反馈回路设计216.1 光电隔离技术216.2 低通滤波电路设计227 保护电路设计247.1 保护电路的重要性247.2 软启动电路设计247.3 输入欠电压、过电压及过热保护257.4 短路保护278 接地屏蔽技术289 印刷电路板的设计299.1 印刷电路板的用料299.2 印刷电路板的布局299.3 印刷电路板的干扰与抑制3110 滤波电路波形测试3210.1 emi滤波器输出波形测试3210.2 输出滤波电路波形测试33结束语36参考文献39致谢401 绪 论1.1 题目背景及目的随着电子技术的高速发展,世界进入了信息时代.

10、电子、电气设备或系统获得了越来越广泛的应用。大功率的发射机对不希望接受其信息的高灵敏度接受机构成了灾难性的干扰在工业发达的大城市中的电磁环境越来越恶劣，往往使电子、电气设备或系统不能正常工作，引起性能降低，甚至受到损坏。 电磁干扰产生于干扰源，它是一种来自外部的、并有损于有用信号的电磁现象，由电磁干扰源发生的电磁能，经某种传播途径传输至敏感设备，敏感设备又对此表现出某种形式的“响应”，并产生干扰的“效果”，这个作用过程及其结果，称为电磁干扰效应1。在人们的生活中，电磁干扰效应普遍存在，形式各异。如果干扰效应十分严重。设备或系统失灵,导致严重故障或事故。这被称为电磁兼容性故障，显而易见，电磁干扰

11、已是现代电子技术发展道路上必须逾越的巨大障碍。为了保障电子系统或设备的正常工作。必须研究电磁干扰、分析预测干扰、限制人为干扰强度，研究抑制干扰的有效技术手段，提高抗干扰能力，并对电磁环境进行合理化设计。我国政府在2001年成立了国家认证认可监督管理委员会，接着又制定了新的国家强制性产品认证制度，并于2001年12月3日颁布了第一批实施强制性产品认证的产品目录（当时正值我国正式加入世贸组织的前夕）。在第一批实施强制性产品认证的产品目录中，共涉及9个行业、19大类、共计132种产品。在所有的19大类产品中，除少数明显与电技术无关外（如机动车辆轮胎、安全玻璃和乳胶制品等），多数都有电气安全要求，还有

12、相当多的产品涉及了电磁兼容问题。为适应我国加入世贸组织的需要，促进我国市场经济和对外贸易的发展，我国政府在2001年成立了国家认证认可监督管理委员会，接着又制定了新的国家强制性产品认证制度，并于2001年12月3日颁布了第一批实施强制性产品认证的产品目录（当时正值我国正式加入世贸组织的前夕）。在第一批实施强制性产品认证的产品目录中，共涉及9个行业、19大类、共计132种产品。在所有的19大类产品中，除少数明显与电技术无关外（如机动车辆轮胎、安全玻璃和乳胶制品等），多数都有电气安全要求，还有相当多的产品涉及了电磁兼容问题。国家标准gb/t4765-1995电磁兼容术语对“电磁兼容”的定义是：“设

13、备或系统在其电磁环境中能正常工作1，且不对该环境中的住何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。从字面理解看，设备的电磁兼容性包含了两方面的意思：首先，设备要有一定的抗干扰能力，使其在电磁环境中能够正常工作；其次，设备工作中自身产生的电磁骚扰应抑制在一定水平下，不能对同处于一个电磁环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰。定义中的“事物”既包含同一电磁环境中的其他设备和系统，事实上还泛指生活在同一电磁环境中的人、动物和植物。亦即，设备产生的电磁骚扰也不能给人、动物和植物带来危害。由此可见，产品的电磁兼容除了要保证产品本身的可靠外，还对于保护生态环境和国家安全起着积极作用。我国的标准化法规定：“国家标

14、准、行业标准分强制性标准和推荐性标准。保障人体健康，人身、财产安全的标准，和法律、行政法规所规定强制执行的标准是强制性标准，其他标准是推荐性标准。”“强制性标准必须执行。不符合强制性标准的产品，禁止生产、销售和进口。”由此可见，与产品相关的电磁兼容标准应该属于强制性的国家标准和行业标准，必须认真贯彻执行之。开关电源是国家强制性产品认证产品之一必须进行电磁兼容性设计1。1.2 国内外研究情况随着技术的发展，特别是人们环境保护意识的增强，对产品的电磁兼容性越来越重视。我国已将产品的电磁兼容性要求纳入了国家强制性产品认证范围，国家规定从2003年5月1日起凡列入国家强制性产品认证目录的产品未经认证不

15、得出厂、进口和销售。那么什么是产品的电磁兼容性？国内外电磁兼标准发展情况又如何？产品的电磁兼容性测量又需要那些环境条件和测量设备？电磁兼容性(electromagnetic compatibility) 缩写emc就是指某电子设备既不干扰其它设备，同时也不受其它设备的影响2。电磁兼容性和我们所熟悉的安全性一样，是产品质量最重要的指标之一。安全性涉及人身和财产，而电磁兼容性则涉及人身和环境保护。在我们的日常生活中经常会遇到这样一些情况，在我们正常收听广播或收看电视节目的时候如果户外有汽车驶过，很容易造成收听或收看质量下降，还有当我们在家玩电子游戏机时，常常造成邻居家电视机的某些频道无法正常收看；

16、同样邻居家在玩游戏机时也会影响自家电视机的接收效果。这样的例子足以说明，在我们日常生活的空间确实存在着另外一种环境污染电磁污染。可以这样说，凡有电、有开关的设备均会产生电磁干扰2。我国的emc测试及标准化工作始于六十年代，当时国内的一些院所建立了相对简陋的试验室，开展无线电干扰（骚扰）测试研究，同时参考前苏联和欧美国家标准制定我们国家自已的emc标准和技术条件，自从1986年成立了全国无线电干扰标准化委员会后，我国才开始有组织有系统地对应cispr/iec开展国内emc标准化工作。目前全国无线电干扰标准化委员会已成立了八个分技术委员会，其中七个分会与cispr/a.b.cf.g分会相对应，s分

17、会是根据我国国情而成立的，它主要涉及无线电系统与非无线电系统之间的电磁兼容问题。目前我国已制定了六十多项emc国家标准，其中基础标准为gb4365-1995电磁兼容术语；gb/t6113-1995无线电干扰和抗扰度测量设备规范。电磁兼容性的测量手段主要由测试场地和测试仪器组成。emc测试所需埸地主要包括开阔埸、电波暗室（anechoic chamber）、屏蔽室等。开阔埸：根据标准要求通常测试埸成椭园形，长轴是焦距的两倍，短轴是焦距的倍，发射与接收天线分别置椭园的两个焦点上。两个焦点的距离即是我们所要求的测量距离，根据现有标准可分为3米、10米和30米。我国现有标准大多数规定3米法测量，美国的

18、fcc标准、英国的vde标准有10米法测量的要求。开阔埸一般应选择远离市区、电磁环境较好的地方建造，但这给建造、试验、生活管理等带来了诸多不便，目前国内大都利用楼顶平台，因地制宜进行建造。试验埸地应设有转台和天线升降塔，便于全方位的辐射发射及天线升降测试，关于开阔埸还有一些具体要求，如要符合埸地衰减要求，埸地周围无金属反射物等等。屏蔽室(screen room)：在emc测试中，屏蔽室能提供环境电平低而恒定的电磁环境，它为测量精度的提高，测量的可靠性和重复性的改善带来了较大的益处。但是由于被测设备在屏蔽室中产生的干扰信号通过屏蔽室的六个面产生无规则的漫反射，特别是在辐射发射测量和辐射敏感度测量

19、中表现更严重，导致在屏蔽室内形成驻波而产生较大的测量误差。目前国内生产的屏蔽室的屏蔽效能在10kz-10ghz频率范围内一般能大于100db。电波暗室(anechoic chamber): 通常所说的电波暗室在结构上大都由屏蔽室和吸波材料两部分组成。在工程应用中又分全电波暗室(fully anechoic chamber)( 六面装有吸波材料）和半电波暗室(semi anechoic chamber)( 地面为金属反射面）。全电波暗室可充当标准天线的校准埸地，半电波暗室可作为emc试验场地。电波暗室的主要性能指标有“静区”、“工作频率范围”等六个指标（静区是指射频吸波室内受反射干扰最弱的区域）

20、。但建造电波暗室的成本、难度均相当高，因为暗室的工作频率的下限取决于暗室的宽度和吸收材料的高度、上限取决于暗室的长度和所充许的静区的最小截面积，所以在建造上有较大的难度。且由于吸波材料的低频特性等原因，总的测试误差有时高达几十分贝，造价需几百万元。由于开阔场、电波暗室的诸多缺点，1974年美国国家标准局(nbs)的专家首先系统地论述了横电磁波传输小室（简称小室transverse electromagnetic transmission cell），其外形为上下两个对称梯形。横电磁波传输小室的优点是结构简单，主要缺点是可用频率上限与可用空间存在矛盾。标准tem小室的测量尺寸大约限定在设计的最小

21、工作波长的四分之一范围。如果要进行1ghz（波长30cm）的测试，测试腔尺寸要限定在7.5cm。如果对pc机进行测试，测试腔高度起码要有半米，即使加入一些側壁吸收材料，可用频率上限也不会超过300mhz。用tem小室的方法测量已列入cispr标准之中。为了克服tem小室的缺点，1987年瑞士abb公司发明了tem小室家族中的新成员gtem小室，其外形为四棱锥形。gtem小室综合了开阔场、屏蔽室、tem小室的优点，克服了各种方法的局限性，便于进行几乎全部辐射敏感度及发射试验。其频率范围可覆盖0-18ghz，模拟入射平面波，可以产生强的场强、对周围的人员和设备没有危害和干扰。但gtem小室的使用目

22、前国际上尚有争论，还没有列入标准的测试方法之中，一般用于预测试。在电磁辐射敏感度测量方面还有一种非对称横电波传输室简称atem小室（asymmetric transverse electromagnetic transmission cell）。通常tem小室呈对称形，atem小室为非对称形，其外形为中间是方形的两头为非对称的棱锥形。atem小室目前还处在研究阶段，主要用于预测试，尚未正式列入标准。电磁兼容性测量所需的仪器设备的技术参数在标准中都有描述，电磁兼容性的测量分干扰（骚扰）和抗干扰。1.3总体设计方案本论文将从减少干扰源产生的干扰信号、切断干扰信号的传播路径、增强受干扰体的抗干扰能力

23、三方面入手对一个小功率开关电源（约200瓦）进行电磁兼容性设计。主要有输入输出滤波器设计、缓冲吸收电路设计、保护电路设计、反馈回路设计以及pcb布线设计等。每一项设计都以干扰形成的机理为依据，在需求分析的基础上得出设计方案，并对同种功能的不同方案进行比较以得出既能满足电磁兼容性要求又简单易行的设计方案，以此提高方案的可行性和低造价的目的。本论文结构框图如图1.1所示。降低干扰源噪声的措施有：在易产生尖峰脉冲电压的电路加设缓冲吸收回路，需要增设该旁路的的地方有高频变压器初级绕组处和开关管的集电极和发射极之间，因为这两种器件工作时的相当大，故容易产生尖峰脉冲电压；其次是高频脉冲变压器的设计，一个设

24、计精良的高频变压器不会给电源本身带来太大的电磁干扰，而一个不匹配的高频变压器则会给电源带来大的骚扰，而且高频变压器还跟电源的效率有密切联系。开关电源的电磁兼容性设计应当将电源的安全性稳定性和效益性问题考虑在内3。首先电源的安全性直接影响到电源能否正常使用的问题，电源的电磁兼容性设计不但要求电源本身能在一定的电磁环境下正常使用而且还要不对周遍电子设备和电网造成大的影响，这应该包括两个方面：电磁辐射和电能利用效率的问题。现代社会用电越来越紧张，这不但要求电磁产品要有低功耗而且要求电子产品要有高的电能利用率，开关电源属于非线性电器，若不加改造其功率因数是很低的，还不到65%，这样的功率因数对电网的高

25、效运作是很不利的，电网电能有很大一部分电能都用来做无用功。所以开关电源的电磁兼容性设计应当包括电源的安全性、效益性设计。缓冲、吸收电路设计接地处理滤波器设计保护电路设计反馈回路设计pcb布线高频变压器设计功率因数校正电路设计防浪涌、软启动电路设计emc设计减少干扰源噪声的措施提高安全、效益性设计阻断干扰传导途径输入滤波器设计输出滤波设计欠压、过压、过热保护短路保护图1.1 论文结构图安全性设计有保护电路设计、安全接地处理、防雷击防浪涌电压设计以及软启动设计等。保护电路主要是让电源在恶劣的环境条件下能自行启动保护装置，一达到自我保护的目的；安全接地处理是为了在电源的绝缘性能下降时能保护操作者的人

26、身安全；防雷防浪涌电压设计及软启动设计的目的是避免电源受外电网大电压冲击下损坏。阻断电磁干扰传导途径的措施有接地处理、滤波器设计、pcb布线、反馈回路设计。接地是为了将干扰信号及时的通过接地进行消除，以达到隔绝传导的目的；滤波器的作用是为了将外部谐波跟开关电源做有效的隔离，以达到阻断干扰传导的目的；pcb布线处理则是为了减少电源本身工作时产生大的电磁辐射。反馈回路的设置是为了将用电设备对电源本身可能形成的干扰进行有效隔离4。本论文将从以上所述几方面对小功率开关电源进行emc设计。2 高频变压器设计高频变压器是一种应用电磁感应原理，将电能从一个电路传输到另一个电路的电磁装置，是开关电源的关键部件

27、之一。它只用于交流回路。在交流回路中起到电器隔离、储能、变压、变流、变阻等作用。开关电源高频变压器的设计要求是依据电源整机技术规定决定的，出入、输出滤波电路的设计要涉及到高频变压器的许多参数，而且高频变压器设计的好坏直接影响到整体电路的质量5，其对减小电源噪声和整机工作的稳定性有很大的影响。故首先应对高频变压器进行设计。2.1 参数计算1、计算输入功率该电源工作频率为50khz，从图3可知，允许温升为50时确定总损耗为3.3w，铁损为：根据表2-1，选用铁芯为ee45，这时铁芯截面积为156mm2。表2-1 输出功率与铁芯尺寸的关系 尺寸型号a/h（max）b/h（max）c（max）d（ma

28、x）ac（mm2）ee1616/812/644.518ee1919/714/64520ee2222/1119/86636ee2525/1719/137642ee2828/1720/87.510.278ee3038/2121/171110.5115ee3535/2028/181110110ee4040/2735/211211.5138ee4545/3038/231312156ee5050/3343/24.51515225续表型号输出功率p0(w)be（mm2）50khz100khz150 khz200 khzee1681216189ee191520304012.5ee222030508019.5

29、ee2540559013018ee28609014020031.9ee309513021026052.9ee3512017030044042.5ee4019029042055066.15ee4522035051065075ee50300440660800105图2.1 变压器自然通风总损耗与温度的关系从图2.1可知，1.65w的损耗对应的磁通在开关频率为50khz时为20wb。磁芯的磁感应强度为：式中：为磁通量；ae为铁芯截面积。2、计算磁感应强度3、计算原边最少匝数nimin由工作频率得知周期：占空比d=0.4，则电网电压波动30%，考虑到倍压整流，则原边直流电压为：故取n1max=81匝。

30、4、计算次级绕组的匝数每匝电压系数为：整流二极管压降vd为0.8v，电流检测电阻压降为：滤波电感压降约为1v，则则次级绕组匝数为：因输出整流电路采用半桥变换式整流，故次级绕组带中心抽头取n2=8匝。5、计算初级电感lp初级平均电流：初级线圈最大电流：在ton期间，电流变化量：6、计算磁间隙在变压器磁芯上加一个气隙，将对半桥式变换器抑制逐渐阶梯式趋向磁饱和是有利的，所以这里进行磁芯间隙计算显得和必要 故取=0.5mm。3 滤波电路设计输入滤波电路对抑制电网干扰等其他的串入干扰以及对高频变压器的直流电压质量的保证起着至关重要的作用。输入滤波电路的形式、元器件参数设计的准确与否对电源的抗干扰性能的好

31、坏起到重要作用6。滤波电路的作用是将来自高频变压器二次侧的脉冲电压转换成符合一定技术参数的直流电压。滤波电路元器件参数的计算对输出电压质量有直接影响。例如，输出纹波电压的大小直接取决与滤波电感、电容的参数。所以滤波电路的设计是使电源具有高抗干扰性和高质量的直流输出的一个重要保障。3.1 输入emi滤波器设计emi电源滤波器是一种由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或工频(50 hz400 hz)信号通过，对频率较高的其他信号有较大的衰减作用。根据抑制干扰的程度，emi电源滤波器通常分为一般性能和高性能两种电源滤波器。图3.1、图3.2给出单环和双环电源滤波器的典型电路，前者为一般性能电路，

32、后者为高性能电路。图3.1 一般性能电路图3.2 高性能电路3.2 方案确定3.2.1电路结构选取原则在实际应用中，emi电源滤波器两端阻抗通常都是处于失配状态。当处于失配状态时，emi信号会在它的输入和输出端口产生反射。失配越大，反射越大。我们可以利用这个反射原则，根据emi电源滤波器将要连接的具体源和负载阻抗情况，设计其电路结构和参数来获得满意的抑制效果6。在进行滤波器电路结构的设计时应遵循下列原则：当源阻抗是高阻时，滤波器的输入阻抗应为低阻，反之亦然。当负载阻抗是高阻时，滤波器的输出阻抗应为低阻，反之亦然。对于emi信号，电感是高阻，电容是低阻，所以电路可以按照表3-1方式来组合17。表

33、3-1 emi 电源滤波器的端接方式源阻抗n负载阻抗g低低低高高低高高3.2.2开关电源的干扰信号特点开关电源的干扰信号按传导模式可分为共模干扰信号和差模干扰信号。根据其特点可粗略地划为三个频段：0.150.5 mhz差模干扰为主；0.55 mhz差、共模干扰共存；530 mhz共模干扰为主。在设计时如果哪个频段不达标，可针对该频段加强滤波效果。例如在0.150.5 mhz频段不达标，可以加强差模干扰信号的抑制，增大电容cx的值或添加差模扼流圈；如在530 mhz频段不达标，可以加强共模干扰信号的抑制，增大电容cy的值或增加共模滤波的级数。在抑制干扰信号时，重点还是放在共模干扰信号的抑制上3。

34、3.2.3电路参数确定l的设计原则：1、磁芯材料的频率范围要宽，在1ghz左右；2、磁芯磁导率高。但两者很难同时满足，常用铁氧体材料的磁芯。通常l取1.55mh,此处取3mh；cy 、cx的确定：cy 、cx的值很难准确算出，cx一般取15f，此处选4f/275v；理论上cy的值越大越好，但cy越大漏电流也大，故一般取22004700pf，此处选4700pf，即4n7/275v。另外，在电源入口处要加一电网滤波器，它的做用是：对市电的高频干扰进行滤除，并且也将开关电源内部的高频干扰与电网隔离。常用的电网滤波器参数为220nf/275v。3.3 输出平滑电路设计 开关电源输出平滑电路的性能好坏直

35、接影响到输出电压的质量问题，故必须对平滑电路元件参数进行精确设计和计算。输出滤波电路采用桥式滤波电路，其电路图如图3.3所示。图3.3输出平滑电路3. 3.1 整流二极管的选取7由于输出高频变压器输出脉冲电压频率达100khz,故要求输出整流二极管具有快速恢复特性，故选用超快速恢复二极管，根据输出电压及电流参数选用philips公司的byv32-200二极管，其技术参数如下：最高反向工作电压：200v；整流电流：20a；反向恢复时间：35ns.由于输出电流有40之大，故需采用三只管并联方式运行。3.3.2 滤波电感设计其中d为2倍占空比，即d=0.8；k为波形系数，取值在0.5到1之间，取0.

36、5时计算误差较小，ns为高频变压器二次绕组匝数，np为一次绕组匝数。vin为输入直流电压。代入数据有：3.3.3 输出滤波电容参数计算其中lf为输出滤波电感，为允许纹波电压， 为开关频率。代入数据有：取标称值为6800f。所以输出电感量为0.23h，滤波电容容量为6800f，二极管d选byv32-200。4 功率因数校正电路设计我国从2002年5月1日开始，全面实施中国强制认证（“3c”，即“ccc”认证），3c认证要求：1、 符合更严格的 emc 电磁兼容要求；2、 增加了对谐波电流的限制，实际便是增加pfc功率因数校正电路。开关电源是一种二极管整流、电容滤波的非线性电路，其输入功率低，并有

37、较强的谐波电流。可以通过pfc电路来提高功率因数，抑制谐波。因此，功率因数的高低及谐波电流失真成为开关电源的一个非常重要的参数。目前，提高用电设备功率因数问题变得越来越严重。这是因为提高用电设备率因数有着巨大的社会经济效益8。4.1功率因数校正的方法及其优缺点常用的提高功率因数的办法有两种：一种是无源功率因数矫正法，采用电感和电容等器件来完成。其特点是电路简单、成本较低。但无源pfc的缺点是增加的无源元件，一般体积都很大也比较重，校正后的功率因数也不是很高，只能达到0.70.8，并且发热量比较大，容易产生工频振动和噪声。另外一种是有源功率因数校正法，主要是采用全控开关器件构成的开关电路，以控制

38、输入电流的波形跟随电压波形，使得电流与电压同相8。采用有源功率因数校正电路的开关电源可以使总谐波含量降低到5%以下，功率因数高达0.99以上，并且可以将开关电源的输入电压范围扩增为90264vdc的全域电压，此外还有稳定性佳、振动和噪声低等优点。采用有源功率因数校正技术可以非常有效地降低谐波含量、提高功率因数，从而满足现行最严格的谐波标准。4.2 方案确定及设计比较这两种方法的优缺点以及对象电源的技术参数，现采用有源功率因数校正法。选用有源功率校正专用芯片uc3854，uc3854是美国unitrode公司生产的apfc专用集成电路。功率因数校正电路的原理图如图4.1所示.图4.1 功率因数校

39、正电路原理图该电路采用一块uc3845作为控制芯片，反馈信号来自输出端。uc3845的驱动信号经过一个小变压器，变为两路同相位的驱动信号，分别驱动两只开关管s1和s2。由于没有电流取样，电路只能工作于dcm方式，否则电路中电流会失控。该电路首先要保证输出稳压，故占空比变化不大。5 吸收缓冲电路设计由于变压器漏感、布线的引线电感的存在开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压。输出整流快速恢复二极管由于存在存储效应，反向恢复过程中也会出现很高的方向恢复电压尖峰脉冲。这些过电压尖峰脉冲的出现不但危及功率器件的工作安全性还会形成很强的电磁骚扰噪声源。因此，必须采取相应的措施对其进行抑制。目前，主要有两种途径

40、可以实现这个目的：采用软开关技术以及增加旁路进行吸收9。因软开关技术的控制较为复杂，而且成本较高，对于一个小功率开关电源来说不经济；另外，即使是采用软开关技术也会产生开关电压或电流的谐波，其将产生更大的emi，故很少采用此方法。所以就小功率开关电源而言采用吸收旁路的方案更为经济、简单可行。5.1 缓冲电路具体方案确定旁路吸收电路有三种：rc电路、rcd电路以及tvs钳位电路。为了更好地选取方案，现对以上三种缓冲电路进行比较。他们的工作原理、特点如下：rc电路：它是直接用电容的充放电来吸收脉冲电压，电路抑制关断浪涌电压的效果好，但当开关管导通时c通过开关管放电，会产生较大的浪涌值电流，易使开关损

41、坏；rc缓冲电路如图5.1所示。图5.1 rc缓冲电路rcd电路：rcd较rc电路具有保护开关管作用，开关管断开时利用电容器两端电压不能突变的原理，把开关管关断时产生的尖峰电压向电容充电，当开关管导通时，d处于反向偏置截止，电容通过r放电。此举避免了对开关管造成的损坏；rcd电路如图5.2所示。图5.2 rcd缓冲电路 tvs钳位电路：此电路只对电压有钳位作用，但对无明显作用。tvs钳位电路如图5.3所示。图5.3 tvs钳位电路比较以上三种电路的特点，宜采用rcd缓冲电路。现对电路r、c、d的参数进行整定。5.2 元件参数计算vt导通时变压器的磁通量增大，这时便将电能积蓄起来。vt截止时，便

42、将积蓄的电能释放，变压器初级绕组中便有剩磁产生，并通过vd反馈到次级。剩磁释放完毕后，初级绕组np的电压为：又知dmin=0.4，t=20s，则ton(min)=8s，开关管所承受的峰值电压为：则吸收回路的电阻为：取标称值为2k。时间常数rc一般比周期t大得多，一般取5倍左右，则用开关管的峰值电压vdsp减去电阻r两端的电压vr就是阻塞二极管d所承受的电压；其中，vs为高频变压器的次级电压，n为高频变压器的变比，即vs=8.8v，n=4/81=0.049，则所以二极管d所承受的电压为：故选择耐压值在400v以上、电流值在0.8a以上的高快速恢复二极管uf4004。所以c=0.05f，r=2k，

43、二极管d选uf4004。6 反馈回路设计由于输出紧连用电设备，故很容易在反馈回路中引入来自用电设备的干扰，这对开关电源的正常工作会带来一定的影响，所以应在电压采集与控制ic之间设置电气隔离以及滤波电路。6.1 光电隔离技术开关电源的输出稳压主要是通过采集输出电压和基准电压的比较来控制主控ic的输出占空比来实现，即在输出与控制之间形成闭环控制回路。图6.1所示为光电耦合器。图6.1 光电藕荷器开关电源的隔离技术主要有光电偶耦合器隔离法、变压器隔离法、脉冲变压器隔离以及接地技术等。鉴于器件安装体积和成本问题，此处采用光电耦合器隔离技术。光电耦合器的特点如下2：1、由于光电耦合器的外壳密封，不受外部

44、光的影响，且光电耦合器的信号传递采取电-光-电的形式，发光部分与受光部分不接触，因此具有很高的绝缘电阻。光电耦合器的隔离电阻很大，约1012欧、隔离电容很小约为几个pf，并能承受2000v以上的高压，因而被隔离的两个部分可以自成系统，也不需要“共地”，绝缘个隔离性能都很好，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰；2、光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，动态电阻小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，所以具有很强的噪声抑制能力；3、光电耦合器作为开关应用时,具有耐用、可靠性高和速度快等优点,响应时间一般在1s以内,有的高速型光电耦合器响应的时间甚至小于10ns。(4)由于光电耦合器的输

45、入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小,因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小。它所能提供的电流并不大,不易使半导体二极管发光,可以避免产生的反馈和干扰。因此,采用光电耦合器把输入信号与内部电路隔离,或者是把内部输出信号与外部电路隔离,能够把两电路间的地环回路完全隔断,更有效地抑制了地线干扰,提高开关电源的抗干扰能力。6.2 低通滤波电路设计开关电源的输出为直流，在反馈回路中设置一个低通滤波器以提高回路的抗干扰特性。初步设置低通滤波器的截止频率为4hz。另外，因主控芯片的低压跟踪性能较差，所以将取样电压进行放大，运放的放大系数为3。低通滤波器的r、c参数计算：因为其中将7-2代入7-1，又由=4

46、可求得：故选c1=1f、r1=15k。运放的放大系数为：由au=2可知2r2=r3，取为r2=15k、r3=30k。二阶低通滤波电路如图6.2所示。图6.2 二阶低通滤波电路图6.2中input为采样电压输入，output为主控ic的比较器输入信号。7 保护电路设计7.1 保护电路的重要性首先，开关电源在运行过程中，因电源电压的异常，如电压过低或过高会导致电源无发启动，甚至是烧毁。进线电源过压及欠压对开关电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流应力超出正常使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。因此对输入电源的上限和下限要有所限制，为此采用过压、欠压保护以提高电源的可

47、靠性和安全性。另外负载的异常，如输出短路等都会给电源带来致命的损坏。其次，对于开关电源本身，电源的输入电路采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于滤波电容器上的初始电压为零，电容器充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源，若采用容量较大的滤波电容器，使浪涌电流达100a以上。在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻者也会使空气开关合不上闸。上述现象均会造成开关电源无法正常工作，为此几乎所有的开关电源都设置了防止流涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠运行。另外，开关电源在启动瞬间还会产生饱和现象，这种现象在没有设计

48、保护电路的半桥式、全桥式和推挽式开关电源电路里最容易出现10。再者，温度是影响电源设备可靠性的最重要因素。根据有关资料分析表明，电子元器件温度每升高2，可靠性下降10，温升50时的工作寿命只有温升25时的1/6，为了避免功率器件过热造成损坏，在开关电源中亦需要设置过热保护电路。所以，开关电源保护电路对提高电源的使用寿命、工作稳定性和安全性具有重要意义。7.2 软启动电路设计软启动的实质是延时启动。防浪涌软启动电路通常有晶闸管保护法和继电器保护法两大类。考虑到成本和安装空间问题，现采用晶闸管保护法。采用晶闸管和限流电阻组成的防浪涌电流电路如图7.1所示。图7.1采用晶闸管和限流电阻组成的软启动电

49、路电路工作原理：在电源接通瞬间，输入电压经整流桥（d1d4）和限流电阻r1对电容器c1充电，限制浪涌电流。当电容器c1充电到约80额定电压时，逆变器正常工作。经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号，使晶闸管导通并短路限流电阻r1，开关电源处于正常运行状态。此外，在电网滤波器的前端加一个气体放电管，以达到防雷目的，气体放电管在受到瞬间高电压时管内气体在高压作用下导通放电，从而起到保护电源的目的。7.3输入欠电压、过电压及过热保护图7.2是仅用一个4比较器lm339及几个分立元器件构成的过压、欠压、过热保护电路。取样电压可以直接从辅助控制电源整流滤波后取得，它反映输入电源电压的变化，比较器共用一个

50、基准电压，n11为欠电压比较器，n12为过电压比较器，调整r3可以调节过、欠压的动作阈值。n13为过热比较器，rt为负温度系数的热敏电阻，它与r6构成分压器，紧贴于功率开关器件igbt的表面，温度升高时，rt阻值下降，适当选取r6的阻值，使n1.3在设定的温度阈值动作。当其正向端输入低电平时，比较器输出低电平封锁pwm驱动信号。由于4个比较器的输出端是并联的，无论是过压、欠压、过热任何一种故障发生，比较器输出低电平，封锁驱动信号使电源停止工作，实现保护。图7.2过压、欠压、过热保护电路依对象电源的设计要求，现整定电源的输入电压为150v时低压保护动作，输入高于300v时过电压保护电路动作，电源

51、温度高于50时过热保护电路动作。下面就以上设计参数整定电路电阻参数。稳压二极管选用in6002b，其稳定电压为12v，现就过压保护要求整定r2为30，设r3、r4阻值之和为r，则有：把vmin=150v、r2=30k代入式7.1可求得r=2.6k。就过电压保护要求计算r3、r4的具体参数把r2=30k、r=2.6k代入式7.2可求得r4=1.3k，所以r3为：设所选热敏电阻在50时的电阻值为30k，则可求得由上式可解得r6=15k。注：热敏电阻紧贴功率开关管的散热片安装。7.4短路保护电源的的输入短路保护直接在输入滤波电路前端串一熔断器即可。输出短路保护必须引入电流检测电阻，以实现对输出电流的

52、监测。过流保护电路较为简单，直接把取输出电流检测电阻的电压经均压后引入到主控芯片tl494的比较器正相输出端与基准电压比较后就可实现过流保护功能。8 接地屏蔽技术 在电源装置中，接地是抑制电磁噪声和防止干扰的重要方法，金属结构体的接地也是屏蔽和安全性设计内容，这些都对电源装置的电磁兼容性起到重要作用。设计一个开关电源，必须使其电磁兼容性指标符合要求，但电磁兼容性设计的手段、方法与指标要求并不具有明确的数值关系，即电磁兼容性具有一定的模糊性，经过长期的摸索和实践，已经形成了一些改善电磁兼容性指标大有好处的规范，对保证开关电源的可靠性起到了很大的作用。接地是电源装置和系统的重要组成部分，不仅直接影

53、响着电源装置的质量和正常运行，还起到保护电源设备和人身安全的作用，接地和搭接（接续）是电磁兼容性重要的设计内容，对于抑制传导干扰具有突出的效果，且具有经济性好的优点。理想地线是一个零阻抗、零电位的物理实体，但在任何的电子设备内，地线既有电阻又有电抗，当有电流流过是，地线上必然产生压降，同时地线还可能与其他线路形成环路，在地线中产生感应电势，两者都可能使电路单元产生干扰。地线干扰包括地阻抗干扰和地环路干扰9。要克服或减少地线干扰我们要做到以下几点：首先要单点接地。开关电源绝大多数都把高频变压器的一次和二次侧在pcb布线上设计成电器隔离的两大部分11，所以这两个部分至少也应设置两个接地点，同时把电

54、源外壳作为接地基准点。单点接地可以有效抑制差模干扰；其次要尽量减少接地电阻。如增大接地点的面积和减小接地导线的长度等；再次就是要减小地线分布电感。如采用矩形截面导体，因为扁矩形截面导体的自感比同截面积的导线自感要小；还有就是要减小电源装置对地的分布电容。如增加电源装置对地的距离，其可以减小地线干扰；此外，开关电源跟其他所有电子设备一样要有可靠的安全接地，这对保障人员安源具有相当重要的意义。9 印刷电路板的设计开关电源是个高频电子设备，而且随着技术的不断发展其开关频率越来越高，频率的提高一方面可以减小电源的体积，特别是高频变压器的体积，另一方面也使emc问题日益突出。电压、电流的高频开关过程产生

55、了很大的emi（电磁干扰），这部分干扰若不予以限制，将会影响周围电器设备的正常工作。开关电源作为许多电子产品与市电网之间的接口，对产品的emc性能指标有着至关重要的作用。所以开关电源的pcb排版无论对电源本身还是对周边电子设备的正常、稳定运行都有很大影响。因此，减少开关电源的emi，pcb设计是个关键，也是个必不可少的步骤12。从emc设计的角度来讲，开关电源电路与普通数字电路不同，具有相对比较明显的干扰源和敏感线路。开关电源的干扰源主要集中在电压、电流变化率大的元件和导线上，如功率场效应管、快恢复二极管、高频变压器以及与之相连接的导线。敏感线路主要是指控制电路和直接与干扰测量设备相连接的线路，因为这些干扰偶合可能直接会影响到电路的正常工作以及对外发射电磁辐射的干扰水平。9.1 印刷电路板的用料印刷电路板有多种常用的基材，但就开关电源的工作环境和高频特点宜选用环氧酚醛玻璃布覆铜箔板。这种覆铜箔板受潮湿的影响小，而且有较高的工作温度，在260熔锡中浸锡不起泡，故它可以用在环境条件差和高频电路中。9.2 印刷电路板的布局首先是要按照电路功能将电路在布局上进行分区。这样不但有利于信号的流通使信号尽量保持方向一致，而且有利于减少串扰以及便于在生产中的检查、调试