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實(shí)現(xiàn)低漏電流同時(shí)保證EMI性能的電源設(shè)計(jì) |
| 作者：lsjiang 欄目：電源技術(shù) |
作者：Peter Vaughan 產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理 POWER Integrations公司 在AC-DC開關(guān)電源中，漏電流最主要的來源是Y類電容。通過使用變壓器屏蔽繞組或在輸入級(jí)加入一個(gè)扼流圈，可以顯著地降低Y電容的數(shù)值或在某些場(chǎng)合去除它，從而降低漏電流并且仍滿足有一定裕量的傳導(dǎo)EMI限制。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的解決方案會(huì)在本文得到分析。 大多數(shù)AD/DC電源都在高壓的交流輸入端與低壓的直流輸出端之間實(shí)現(xiàn)了隔離。諸如UL1950之類的安全標(biāo)準(zhǔn)會(huì)同時(shí)指定了絕緣強(qiáng)度(例如3千伏VAC耐沖電壓)和最大漏電流。漏電流是指當(dāng)設(shè)備的可接觸部分以一定的阻抗連接到保護(hù)地時(shí)流經(jīng)初級(jí)與次級(jí)絕緣屏障之間的電流。漏電流標(biāo)準(zhǔn)確保了人員的安全，防止當(dāng)使用者碰觸到輸出端或電源外殼時(shí)其身體成為電流泄放至大地的路徑的一部分。 允許流過的最大漏電流基于應(yīng)用場(chǎng)合有著具體的分類。過去，僅對(duì)諸如醫(yī)療設(shè)備(患者極有可能或確定必須接觸設(shè)備的帶電部分)等特殊應(yīng)用場(chǎng)合有低的漏電流要求。在那些應(yīng)用場(chǎng)合中的設(shè)備不得不滿足比IT設(shè)備嚴(yán)格得多的要求。針對(duì)醫(yī)療和IT設(shè)備的漏電流限制規(guī)范分別是IEC60601-1、IEC60950。 但是，如今還有其它理由需要去進(jìn)行低漏電設(shè)計(jì)。例如，現(xiàn)在很多移動(dòng)電話都有金屬的外殼，與其配套的充電器必須滿足手持設(shè)備制造商們制訂的比現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)要低的漏電流規(guī)范。這是為了防止消費(fèi)者(特別是在像充滿蒸汽的浴室之類的潮濕環(huán)境中)拿著正在充電的手機(jī)時(shí)有觸電感。與電話設(shè)備(無繩電話、電話答錄機(jī)、DSL MODEM等)配套的電源通常必須有很低的工頻泄漏以避免可聽得見的嗡嗡聲耦合到電話線路中。進(jìn)行低漏電設(shè)計(jì)還可潛在地節(jié)省成本，例如減小電源中必需的EMI濾波元件的尺寸和/或數(shù)量。 追根溯源：漏電流究竟從何而來？ 在AC-DC開關(guān)電源中，漏電流最主要的來源是Y類電容。Y類電容是經(jīng)過安全機(jī)構(gòu)認(rèn)證(外表常為橙色或藍(lán)色)、可以用于將絕緣屏障橋接起來的電容(參見圖1a)，為位移電流(產(chǎn)生于開關(guān)過程)提供返回路徑以防止EMI。任何能流出電源的高頻電流(通過許多我們將在后面講到的途徑)都將通過交流進(jìn)線返回，并產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI。在圖1a中，Y電容避免了許多EMI電流，使得其中絕大多數(shù)都局限在電源內(nèi)部，而在圖1b中，這些EMI電流必定全部流出到電源之外。 一般而言，電源中的Y電容的容量值越大，電源產(chǎn)生的EMI就越小，與此相反，流過絕緣屏障的漏電流則越大。 公式1可以用來估算在不超出安全界限的情況下允許使用的Y電容最大值。對(duì)于一個(gè)兩線(沒有保護(hù)地)、帶浮動(dòng)輸出的通用輸入電源，向下舍入到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值就得到Y(jié)電容最大值大約為2.2NF。而對(duì)于僅適用于100/115VAC的設(shè)計(jì)，此數(shù)值會(huì)提升到3.3nF。 僅是簡(jiǎn)單地將Y電容從電路中移除或減小其數(shù)值一般情況下不太可行，因?yàn)檫@樣做會(huì)顯著增加EMI(見圖2b)。而在電路中增加共模扼流圈或其它濾波元件又會(huì)增加成本。因此，我們必須將注意力集中到如何降低EMI電流上。 降低共模EMI電流的技巧 雖然詳盡地分析EMI電流所有的來源已經(jīng)超出了本文的范圍，但圖3還是給出了被初級(jí)與次級(jí)開關(guān)波形驅(qū)動(dòng)的EMI電流典型路徑概覽。目前已有一些減小共模EMI電流的方法。盡管在變壓器繞線層之間使用帶狀物增加繞線層間距離可以減小層間電容，但單獨(dú)使用這一方法只能很有限地減小EMI電流。長(zhǎng)期以來在工頻變壓器中一直應(yīng)用屏蔽繞組來降低噪聲與耦合，在開關(guān)變壓器中這一方法同樣有效。如圖5中EMI圖形所示，在開關(guān)變壓器中使用屏蔽繞組是降低共模EMI電流最有效的方法，而且對(duì)電源總體成本的影響最小。 以下是在3W AC-DC電源中使用變壓器屏蔽繞組的例子： 圖4是一個(gè)5.1V、600mA電源的電路圖，它基于POWER Integrations公司TinySwitch-II芯片，具有一個(gè)簡(jiǎn)單的雙繞組變壓器。由于這款芯片可以自供電，所以變壓器中就不需要輔助繞組。此設(shè)計(jì)是蜂窩電話、PDA或數(shù)碼相機(jī)充電器的典型電路。 TinySwitch-II芯片通過調(diào)制其開關(guān)頻率(稱為頻率抖動(dòng))來降低EMI，但如果沒有變壓器中的屏蔽繞組，此電路就需要一個(gè)2.2NF的Y電容以滿足EMI要求(參見圖2a)。移除Y電容后引起的EMI如圖2b所示，這樣的結(jié)果顯然讓人無法接受。 在變壓器初級(jí)與次級(jí)繞組之間加入一個(gè)單匝箔屏蔽繞組，使得測(cè)量到的EMI下降了大約10dB(見圖5a)。用一個(gè)額外的屏蔽繞組進(jìn)行補(bǔ)充，可進(jìn)一步下降10dB(見圖5b)。這樣僅使用一個(gè)220PF的Y電容就可獲得一個(gè)有10dB余量的好方案(圖5c)，將漏電流從183uA降到18uA。不使用屏蔽繞組的電路可獲得幾乎同樣的EMI性能(圖6a)，但必須在輸入級(jí)(圖6b)加入一個(gè)扼流圈L2(除了已有的差模濾波電感L1之外)。根據(jù)每個(gè)應(yīng)用電路的不同需求，可以給變壓器再加入第三個(gè)屏蔽繞組，從而進(jìn)一步降低Y電容的數(shù)值。 由于屏蔽繞組與初級(jí)側(cè)開關(guān)電路和次級(jí)側(cè)整流電路之間的相互作用，使得共模位移電流得以削弱或徹底抑制，讓詳盡的分析變得不再必要。但是，每一個(gè)設(shè)計(jì)的需求各不相同，這是由諸如PCB板上的元件布局、電路板及磁性元件和機(jī)殼金屬板之間的接近程度、變壓器的尺寸以及伏-秒率、匝數(shù)范圍、匝數(shù)比等因素決定的。因此，在優(yōu)化每一個(gè)設(shè)計(jì)的屏蔽繞組時(shí)試驗(yàn)與失誤是在所難免的。即便如此，關(guān)于屏蔽繞組布局的基本規(guī)律一貫以來一般還是適用的。 這些關(guān)于屏蔽繞組的技巧對(duì)于任何功率水平的電源都很有效，在www.powerint.com/appcircuits這個(gè)網(wǎng)址上可以找到更多的在變壓器上使用屏蔽繞組的例子。 本文小結(jié) 由于人與電源供電設(shè)備之間的交互操作關(guān)系，許多當(dāng)今的電源規(guī)范都要求更低的漏電流值。因此，就要求電源設(shè)計(jì)者從電路中移除用以保證EMI性能的安全Y電容或降低其數(shù)值。通過使用變壓器屏蔽繞組，可以顯著地降低Y電容的數(shù)值或在某些場(chǎng)合去除Y電容，同時(shí)降低漏電流并且仍然滿足有一定裕量的傳導(dǎo)EMI限制。如今已經(jīng)有了可以用來達(dá)到上述目標(biāo)并且成本可以接受的解決方案。 |
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