反激式开关电源共模传导干扰抑制研究

白 昊 熊亚兰 李万玉

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

在开关电源正常工作时，开关管的快速通断会形成具有陡峭上升沿和下降沿的电压、电流波形，而这些电压和电流的高频分量会沿着变压器和功率器件的分布电容及PCB走线等干扰耦合路径进行传播，对公用电网造成严重的电磁干扰。通常根据传导耦合方式的不同将电磁干扰分为差模干扰和共模干扰，差模干扰是指相线与中线之间流动的电流噪声，主要取决于输入电流的纹波大小，比较容易分析与抑制;而共模干扰是指相线或中线与地线之间流动的电流噪声，主要是由功率变换器电路中各个节点对地的分布电容引起的，它的传播模型和参数比较复杂。

反激式开关电源具有成本低，体积小，易于实现多路输出等众多优点，已广泛应用于中小功率的电源中。本文以反激式开关电源为研究对象，通过分析其共模传导干扰耦合路径，提出了抑制其共模传导干扰的具体方案，为反激式开关电源共模传导干扰方面的电磁兼容设计提供了参考。

2 共模传导干扰回路分析

对于一般的开关电源来讲，可以认为其电路的各个节点都与地有着一个分布电容，但由于流经分布电容的电流大小是由分布电容和节点上的电压变化率两个参数共同决定的，即对于节点电压变化不明显的点可以忽略其共模干扰，以反激式开关电源为例，可以得到其共模传导干扰模型如图1所示。

图1 反激式开关电源共模传导干扰模型

其中Cpara表示功率管漏级与散热器之间的分布电容;Cload表示负载端Rload与大地之间的分布电容;Cps表示变压器初级与次级之间的耦合电容。

从图中可以看出，反激式开关电源的共模传导干扰总共分为两路:一路是从LISN(线性阻抗稳定网路)出发，经过整流桥和变压器初级与次级之间的耦合电容Cps，最终通过负载端Rload与大地之间的分布电容Cload流回LISN。另一路是从LISN出发，经过整流桥和功率管漏级与散热器之间的分布电容Cpara，最终流回 LISN。

关于耦合电容Cps回路的干扰抑制方法，一种技术是采用变压器屏蔽［1，2］，这种方法对于阻断共模干扰回路有着明显的效果;而对于分布电容Cpara的共模干扰回路，文献［3］已经给出了定性分析，即Cpara值越小，开关电源产生的共模干扰越小。通常解决该干扰回路问题的主要措施是加共模干扰滤波器［4］，但这种方法存在着一定的缺陷。本文将重点针对分布电容Cpara的干扰回路问题，介绍一种新的抑制技术——反相补偿技术，并在此基础上利用Pspice仿真来印证该方法的有效性。

3 反相补偿技术

3.1 反相补偿原理

针对分布电容Cpara传统的共模干扰抑制方法是通过加共模干扰滤波器，但为了使通过滤波器的共模电容流入大地的漏电流维持在安全范围内，共模电容的取值都应当比较小，但相应的共模电感的取值就会变大，这样就会使得开关电源产品的功耗、体积、重量都相应增加。

由于共模干扰是由开关器件的分布电容在高频时的dv/dt产生的，因此，用一个额外的变压器绕组在补偿电容上产生一个180°的反向电压，产生的补偿电流再与分布电容上的干扰电流迭加，从而消除干扰，这就是反相补偿的原理，其原理图如图2所示。

图2 反相补偿原理图

从图2可以看出，若初级绕组Lp和补偿绕组Lc的电感值相等，则通过分布电容Cpara的电流ipara和补偿电容Ccomp的电流icomp大小相等，方向相反，当迭加后，进入LISN端口的电流iCM将会很小。同时应注意到，当初级绕组Lp和补偿绕组Lc的电感值不一致的时候，则应保证Ccomp的取值要满足icomp=Cpara·dv/dt。

应用反相补偿技术，需在初级绕组Lp上增加一个补偿绕组Lc，而由于流经补偿电容Ccomp上的电流只是反向噪声电流，且反向噪声电流的幅值很小，则补偿绕组Lc相对于初级绕组Lp和次级绕组Ls而言，它所使用的线径就比较小，这样变压器的体积基本上就不会产生变化，即可以在不影响主电路工作的情况下较好地抑制电路的共模干扰，并可以减小体积和节约成本。

3.2 仿真电路分析

根据图1建立的反激式开关电源干扰回路模型，采用Pspice搭建了反激式开关电源传导干扰仿真电路图，其加入补偿电路后的仿真电路图如图3所示。

图3 反激式开关电源仿真电路图

该开关电源的交流输入为220V，直流输出为12V，工作在非连续模式，开关频率为100kHz，由于本仿真主要是针对传导干扰，驱动电路直接采用了脉冲电源，具体仿真参数如图3所示。其中Lc和C7为补偿电路，补偿绕组Lc的电感值与初级绕组Lp的电感值保持一致，补偿电容C7的电容值与分布电容C6的电容值大小一样，因此，当开关电源正常工作时，补偿绕组Lc上会使C7上产生一个与C6上干扰电流大小相同，方向相反的补偿电流，迭加后消除了干扰电流。

共模干扰的测量方法在文献［5］中已经有了详细的介绍，添加补偿电路前后仿真结果见图4和图5。

将图5和图4进行对比，不难看出，利用反相补偿技术后共模干扰的低频分量大大减小，但高频端有所增加，这是由于补偿绕组中存在结电容和漏感，会导致共模传导干扰高频分量有所增加，但相对于采用共模干扰抑制滤波器来说，本方案节省了设备成本。

需注意的是，该技术具有一定的局限性，当变压器各绕组之间耦合电容远大于寄生电容时，干扰电流有可能不经补偿线圈而直接进入大地，此时抑制效果就会变得不理想。

4 结论

本文以反激式开关电源为研究对象，通过分析其共模传导干扰耦合路径，分析结果表明散热器对地分布电容Cpara和变压器初级绕组和次级绕组之间的耦合电容Cps是决定共模传导干扰大小的重要因素。根据分析结果，针对分布电容Cpara的干扰回路问题，介绍了一种新的无源共模干扰抑制技术——反相补偿技术，并通过Pspice进行仿真，印证了该设计方法的正确性。

［1］Xu Pingfan，Qiu Dongyuan，Zhang Bo.Conducted EMI Suppression Method based on Obstructing Grounding Loops［C］.IPEMC.2009，2669－2672.

［2］林思聪，陈为.开关电源传导EMI的模型分析与应用［J］.江苏电器，2005，:7 －9.

［3］童跃光.开关电源传导干扰仿真分析［D］.硕士学位论文:山东大学，2007.

［4］郭玲.开关电源共模传导EMI的抑制［D］.硕士学位论文:天津大学，2009.

［5］钱振宇.开关电源的电磁兼容性设计与测试［M］.北京:电子工业出版社，2006，120 －123.