返驰式电路在开关电源EMI抑制中的应用

聂 琼

（苏州农业职业技术学院，江苏 苏州 215008）

0 引 言

近年来，随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源朝着小型化、高频化、继承化的方向发展，高效率的开关电源已经得到越来越广泛的应用。由于开关电路是透过充电和放电的打开和闭合实现的，因此其本身的开合频率会造成一些EMI噪声，故需要在控制芯片外部增加一些辅助线路，达成在源头抑制EMI噪声的目的[1-2]。本文主要阐述返驰式电路原理类的外部辅助控制电路的工作过程和实际电路运动效果，保证在转换线路方案可靠高效性情况下，既控制成本，又把EMI抑制控制在可接受的范围内。

1 EMI测试要求和仪器

1.1 EMI测试要求

EMC电磁兼容包括EMI电磁干扰和EMS电磁兼容性。设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何设备的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。这里着重解决EMI问题，在源头减少干扰的产生。EMI是指产品的对外电磁干扰，一般分为工业等级A和民用等级B两个等级[3]。民用的要比工业的严格，因为工业用的允许辐射稍微大一些。同样的产品在测试EMI中的辐射来讲，在30～230 MHz下，等级CLASS B要求产品的辐射限值不能超过40 dBm，而等级CLASS A要求不能超过50 dBm。

1.2 测试仪器

可靠精准的波形图可以提供很好的参考依据，为解决问题提供有效的数据支撑。EMI测试过程中不仅要求能够观察时域波形图，还要求能有内建的快速傅立叶变换FFT功能来观察信号的频谱。频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，是一种多用途的电子测量仪器[4]。本文将使用带有FFT功能的示波器或者频谱分析仪，实际测量开关电源模块是否存在EMI电磁辐射超标，量测出对应的频谱能量分布，使用返驰式电路分散其能量，从而达成将EMI辐射抑制在安全的、符合要求的范围之内。

2 返驰式电路在开关电源设计中的应用与测试

2.1 返驰式电源控制器在开关电源设计中的应用

以交流转直流返驰式控制器线路搭配立锜科技的控制芯片RT7736设计的开关电源电路为例，它的输入电压为90～265 VAC、输出电压为5 V、输出功率为10 W。开关电源电路噪声源头是其工作过程中产生的电压突尖和电流突尖，而突尖归根结底的原因是能量太过于快速聚集且没有宣泄的途径。可以从两个方向解决这个问题，一是从源头将能量源打散，二是提供更多的宣泄途径，使能量能快速透过一些有效途径回归GND。而返驰式电路的作用则是将这些造成突刺的能量形成过程放慢，让现有的宣泄途径能够在其承担的范围内，快速有效地消除能量。

返驰式电路由RCD电压钳位电路和RC缓振电路组成，常在变压器一次侧线圈和二次线圈上，如图1中虚线框内所示。通过RCD和RC电路，线路中的能量积聚过程相对缓慢，单位时间内的能量降低，则EMI电磁辐射随之下降。

2.2 返驰式电路在开关电源中的EMI抑制效果测试

2.2.1 测试环境设定

将针对开关电路部分的MOSFET电压做FFT频谱分析，并从频域角度观察各波形特性，找出能量特别突出的频域分布。由于传导电磁干扰EMI法规规范的最高频率为30 MHz，因此将示波器的FFT频谱范围设定为10～30 MHz，取样率为100 MSa/s，解析带宽为1 kHz，获取频谱能量分布。

2.2.2 测试方案

由于目前电源控制器中都有内建智能抖频功能，开关频率有±6%的变动范围[5]，使其频率成份扩散成柱状而非在单一频率上。图2为满载时MOSFET电压波形的FFT频谱，从65 kHz附近开始出现开关频率及其谐波的低频成份。满载时，变压器的激磁电感工作在连续导通模式CCM，MOSFET电压可近似为一方波[6]。因此，在中低频处，幅值以-20 dB/dec的斜率衰减。在5 MHz附近，幅值出现抬升，因为在MOSFET关闭瞬间，漏电感电流在MOSFET上产生高频电压突尖。

图1 电源模块电路

图2 满载时MOSFET电压波形的FFT频谱

当负载减轻时，开关频率逐渐降低，激磁电感的操作模式从连续导通模式CCM转成不连续导通模式DCM[7]。由图3可以发现，在输出电流降到0.5 A时，开关频率只有450 kHz。由于在DCM操作的关系，激磁电感和汲极电容产生的振铃变化亦会反映在MOSFET电压波形上。因此，在频谱上也能看到在振铃频率f在450 kHz附近的幅值也出现抬升。

以上为增加返驰式电路满载和轻载工作情况下的能量频谱分布。这里尝试移除RCD电压钳位电路进行测试，结果如图4所示。移除后，漏电感电流在MOSFET关闭瞬间少了一条宣泄路径，漏电感电流全部都流进MOSFET的输出电容，因而产生更高的电压突尖。比对图3和图4可以发现，返驰式电路主要作用在电压突尖的频率5 MHz附近，衰减了10 dB，在中低频段则无明显变化。

2.2.3 测试数据分析

MOSFET电压的FFT频谱详细测试数据，如表1所示。可以看到，没有返驰式电路RCD和RC的作用，即便在轻载状态下，各个频率的电压突刺都比较突出。返驰式电路将这些造成突刺的能量的形成过程尽可能放缓，可以从源头减少能量，在现有不增加成本的情况下，将EMI噪声或者能量抑制在一个较低范围。

图3 轻载时MOSFET电压波形的FFT频谱

图4 轻载时未加返驰式电路的MOSFET波形

表1 三种情况比较结果

3 返驰式电路对EMI的影响和改善

通过记录开关电源以及其返驰式电路的许多组件上电压或电流波形频谱，可以在频域上看到MOSFET的RCD电压箝位电路和输出二极管的RC缓振电路的功效[8]。通过实验室EMI噪声实际量测，证明返驰电路对MOSFET电压频谱上抑制幅值，在EMI频谱上是否会有相同的效果。

由于传导EMI的法规限制，在进行FFT频谱与EMI频谱比对前，需先将示波器的设定调整成与EMI接收机相同。因此，将FFT频谱范围设为150 kHz至30 MHz，解析带宽为9 kHz，示波器撷取时间为20 ms，取样率设定在100 MSa/s。图5及图6分别为加装返驰式电路前后MOSFET电压频谱比较图和EMI频谱比较图，量测条件皆为输入电压为115 VAC、输出电流为2 A。可以明显观察到，缓振电路在FFT频谱上5 MHz附近从127 dB衰减至11 7dB，衰减约10 dB，而此衰减量同样会呈现在EMI频谱上，从50 dB衰减至40 dB，有效抑制了EMI。

通过示波器的FFT功能进行特定频率的EMI侦错，从而快速掌握电路上突尖的频率，更有效地解决EMI问题。经由表2比较前后的实验结果可见，返驰式电路可以抑制电路上的电压突尖和电流突尖，能有效降低特定频率的EMI噪声。

图5 加装前后MOSFET电压FFT频谱比较

图6 加装前后之EMI频谱比较

表2 加装前后频谱比较结果

4 结 论

本文讨论了开关电源实际使用设计中存在的问题，即自身开关频率对EMI的影响，并提出了解决方案。返驰式电路的运用可以有效解决这一问题，并通过示波器FFT快速傅立叶变换功能进行实际量测论证，理清了噪声频谱分布，用实际量测数据证明了返驰式转换电路在不同开关频率下和不同的输入输出电流的实际使用情况下，实现了EMI抑制的可靠性和有效性。