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電源設計小貼士47:解決隔離式開關的傳導性共模輻射問題

發布時間:2012-11-26 10:41    發布者:看門狗
作者:Robert Kollman,德州儀器 (TI)
在《電源設計小貼士 40:非隔離式電源的共模電流》( http://www.ti.com.cn/general/cn/ ... sp?contentId=144511 )中,我們討論了開關級中大電壓擺動如何形成共模電流的問題,并介紹了它驅動電流進入電容到機架接地的過程。在這篇《電源設計小貼士》中,我們將繼續討論共模電流的問題。
在隔離式電源中,這種情況變得更加糟糕,因為隔離變壓器的次級繞組最終連接至機架接地。因此,存在相當大的初級到次級寄生電容。

圖1顯示了一個這種情況的簡化示意圖。


圖1 Q1高壓開關驅動C-STRAY中共模電流

這是一種離線工作的隔離式反向結構。110伏到220伏AC輸入電源經過整流,從而向功率級提供100伏到400DC。電源開關迅速開啟和關閉,在Q1漏極上產生500伏到600伏開關波形,其同時也施加于電源變壓器的初級繞組。這種開關電壓,在變壓器初級繞組到次級繞組之間的雜散電容中形成電流。該電流流經負載的預設機架接地,或者只是以電容方式接地耦合。該電流必須完成噪聲返回通路,從而產生開關式電源。在沒有C1的情況下,它流回AC輸入電源,然后流入電源的輸入線,其很可能會超出 EMI 輻射規格。

由于其高電源阻抗,這種電流的濾波特別困難。變壓器的雜散電容大小級別為100 pF,其典型電源開關頻率的阻抗為10千歐。只在電流通路中添加一個電感來減小這種電流的方法并不實際。例如,如果我們希望將電流減小10倍,其要求100千歐的電抗(也即0.1亨),且分布電容小于10 pF,這并不現實。

電容器C1帶來了另一種解決方案。它為電流提供了一條本地返回通路。大多數共模電流通過該電容器在電源內部回流,而不是通過AC輸入電源回流。另外,C1還減小了系統的電源阻抗,這樣共模串聯電感L1就變得現實了。

在共模濾波器的設計過程中,一個關鍵因素是C1值的選擇。從電磁干擾 (EMI) 的角度來看,其值越大越好。更大的電容可獲得更小的EMI信號,且電源阻抗也更低。你可以利用電容的平方原則,估計EMI信號的減小程度。但是,高電容也意味著機架連線的線頻率電流更大。另外,這種電流還有一些安全限制,目的是減少觸電事故的發生機率。當電源機架連線斷裂時,人員進入電流通路便會發生觸電事故,如圖2所示。IEC Std 601-1將這種電流的大小限制為0.5 mA RMS,同時人們還在討論出臺更為嚴格的安全規定。輸入為230伏時,IEC可有效地將C1值限制為4700 pF。


圖2 C1可以成為一種觸電風險

總之,驅動寄生電容機架接地的高dV/dt電壓波形,會形成共模電流。這種電流特別難以濾波,原因是其存在高電源阻抗。濾波要求使用一個機架電容器,提供另一條本地返回通路,并降低阻抗。盡管從EMI濾波器的角度來看,電容越大越好,但是總電容受限于安全規定。

如欲了解本文的更多詳情,敬請參閱2003 Unitrode 電源設計研討會主題 3: www.ti.com/2003powerseminar-ca

下次,我們將討論如何利用共模濾波電感器在離線電源中實現共模濾波,最終達到減少EMI的目的。

本文以及其他電源解決方案的詳情,敬請訪問: http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/ ... t/power_portal.page
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