反激式功率因数校正电路的干扰分析及电磁兼容设计

通过反激式功率因数校正电路说明了单级功率因数校正电路中的电磁兼容问题，分析了单级功率因数校正电路中骚扰的产生机理，给出了电磁兼容的设计，最后提出了其他几种减少电磁干扰的方法。

关键词：电磁干扰；电磁兼容；功率因数校正

0 引言

电磁兼容（EMC）是指电子设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。随着电子产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的LSI电路，而使得这些装置比以往任何时候更容易受到电磁干扰的威胁。而与此同时，大功率家电及办公自动化设备的增多，以及移动通信、无线寻呼的广泛应用等，又大大增加了电磁骚扰源。这些变化迫使人们把电磁兼容作为重要的技术问题加以关注。特别是欧共体将产品的电磁兼容性要求纳入技术法规，强制执行89/336/EEC指令，即规定从1996年1月1日起电气和电子产品都必须符合EMC要求，并加贴CE标志后才能在欧共体市场上销售以来，促使了各国政府从国际贸易的角度，高度重视电磁兼容技术。

开关电源具有体积小、重量轻、效率高的优点，且市场上已有开关电源集成控制模块，这使电源设计、调试简化了许多，所以，在大多数的电子设备（如计算机、电视机及各种控制系统）中得到了广泛的应用。然而，开关电源自身产生的各种噪声却使其成了一个很强的电磁骚扰源。这些骚扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强，对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁。因此，只有提高开关电源的电磁兼容性，才能使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求的场合被采用。

电磁兼容包括两个方面的含义。

（1）电子设备或系统内部的各个部件和子系统、一个系统内部的各台设备乃至相邻几个系统，在它们自己所产生的电磁环境及在他们所处的外界电磁环境中，能按原设计要求正常运行。换句话说，它们应具有一定的电磁敏感度，以保证它们对电磁干扰具有一定的抗扰度(Immunity of a Disturbance)。

（2）该设备或系统自己产生的电磁噪声(Electromagnetic Noise－EMN)必须被限制在一定的电平，使由它所造成的电磁干扰不致对它周围的电磁环境造成严重的污染和影响其他设备或系统的正常运行。

众所周知，构成电磁干扰有三个要素，即：骚扰源（噪声）、噪声的耦合途径及噪声接收器（被干扰设备）。因此，概括电磁兼容设计的任务就是要削弱骚扰源的能量，隔离或减弱噪声耦合途径及提高设备对电磁干扰的抵抗能力。下面就以反激式（Flyback）电路为例，讨论小功率单级PFC电路的电磁兼容性设计。

1 骚扰源的分析

如图1所示，在小功率DC／DC变换器中，主要的骚扰源是电磁感应噪声和非线性开关过程噪声。这都是由于功率变换电路中的整流二级管和功率开关管在工作过程中所产生的电压和电流的跃变，并通过高频变压器、储能电感线圈以及电路中的元件布局和器件本身自带的寄生参数之间相互作用而造成的。

图1 反激式功率因数校正电路图

换句话说，电路中产生的所有干扰问题的根源，就是功率开关管和高频整流二极管在快速的开断过程中所产生的di/dt和dv/dt。所以，在电路设计的初期，即进行电路方案的选择时就应着手考虑EMC问题。在各方面条件成熟和允许的情况下，对于主开关管的设计应采用软开关电路（例如中功率电路当中广为采用的移相全桥电路等），这样不但可以极大地减小开关管的开关损耗，而且有助于降低电路中的di/dt。而在开关频率的选择上也不是越高越好，而是应当选取合适的频率。还有，由开关管和高频二极管以及输出电容构成的回路应尽量地小，因为回路小寄生电感就小了。在开关管和高频二极管开通和关断的瞬间会产生很大的di/dt，如果寄生电感大了就会感应出很高的电压，这样就形成了一个大的骚扰源。另外，高频二极管在关断的时候会出现反向恢复的情况，这也是一个很大的骚扰源。我们必须注意削弱它，以免影响电路的正常工作，为此可以给高频二极管串一个小的电感，抑制高频二极管的反向恢复电流。但是这个电感不能大，因为在高频下di/dt很大，也会引入一个骚扰，因此必须折中。

另一个产生电磁感应噪声的主要骚扰源是脉冲变压器。在反激式电路中，由于原副边绕组耦合系数不为1，变压器存在着一定的漏感Ls。当开关关断时，Ls所产生的反电势－Lsdi/dt会使开关管的漏源极之间的电压出现上冲。这是因为Ls上的能量——漏磁通不能通过变压器耦合到副边进行释放，因此，这部分能量同开关管的寄生电容Cs和输入电源Vin共同构成一个衰减的LC谐振，叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲，除了造成干扰外，重者有可能击穿开关管。而且它还是一种传导性电磁干扰，既影响变压器的初级，还会使干扰传导返回配电系统，造成输入侧电网的电磁干扰，从而影响其它用电设备的安全和经济运行。

和开关管一样，电路当中的脉冲变压器也存在高频率的di/dt变化，也会向空间辐射高频的电磁波，干扰其他的元器件和设备。为此也应当想法将变压器这些高频电磁波屏蔽掉。

对于电磁场而言，电场分量和磁场分量总是同时存在的。所以，在屏蔽电磁场时，必须对电场与磁场同时加以屏蔽。高频电磁屏蔽的机理主要是基于电磁波穿过金属屏蔽体产生波反射和波吸收的机理。电磁波达到屏蔽体表面时，之所以会产生波反射，其主要原因是电磁波的波阻抗与金属屏蔽体的特征阻抗不相等，两者数值相差越大，反射引起的损耗就越大。反射波还和频率有关，频率越低，反射越严重。而电磁波在穿透屏蔽体时产生的吸收损耗则主要是由电磁波在屏蔽体中的感生涡流引起的。感生的涡流可以产生一个反磁场抵消原干扰磁场，同时，涡流在屏蔽体内流动产生热损耗。