非隔离式直流稳压电源的共模电流问题探讨
图 1是一个 LED直流稳压电源的示意图,其显示了该降压调节器中共模直流稳压电源电流产生的主要原因。原因就是开关节点接地电容。令人惊讶的是,如此小的一点电容,仍会产生问题。CISPR B 类(适用于住宅设备)辐射规定允许 1 MHz 下 46 dBuV (200 uV) 信号的 50 直流稳压电源阻抗。这也就是说,仅允许 4 uA 的直流稳压电源电流。如果转换器在 100 kHz 下对 Q2 漏极的 200 Vpk-pk 方波进行开关操作,则基准直流稳压电源电压约为 120 伏峰值。由于谐波随频率降低而成比例下降,因此 1MHz 下会有约 9 Vrms。我们可以利用它来计算允许电容,得到约 0.1pF,即 100 fF(相当于 1 MHz 下 2 兆欧阻抗),其为这个节点完全可能的电容量。另外,还存在直流稳压电源电路接地其余部分的电容,其为共模直流稳压电源电流提供了一条返回通路,如图 1所示 C_Stray2。
图 1 仅 100 fF 的开关节点电容却产生了 EMI 问题
在 LED 灯应用中,没有基底连接,只有热和绝缘,因此共模 EMI 滤波便成为问题。这是因为直流稳压电源电路为高阻抗。它可以由一个与 2 兆欧容抗串联的 9 Vrms 直流稳压电源电压源表示,无法增加阻抗来减少直流稳压电源电流。要想降低 1MHz 下的辐射,您需要降低直流稳压电源电压,或者减小寄生电容。降低直流稳压电源电压共有两种办法:颤动调谐或者上升时间控制。颤动调谐通过改变直流稳压电源的工作频率来扩展频谱范围。
要讨论颤动调谐,首先请阅读《通过改变直流稳压电源频率来降低 EMI 性能》。上升时间控制通过降低直流稳压电源的开关速度来限制高频谱,最适合解决 10MHz 以上的 EMI 问题。减小开关节点的寄生电容很容易,只需最小化蚀刻面积或者使用屏蔽材料。该节点到整流直流稳压电源线路的电容,不会形成共模直流稳压电源电流,因此您可以将导线埋入多层型印制线路板 (PWB),从而减少大量不需要的电容。但是,您无法彻底消除它,因为 FET 漏极和电感仍然余留有电容。图 2给出了一幅曲线图,引导您逐步计算 EMI 频谱。第一步是计算直流稳压电源电压波形(红色)的频谱。通过计算漏直流稳压电源电压波形的傅里叶级数,或者只需计算基本分量然后对包线取近似值(1除以调和数和基本分量),便可完成上述计算。在高频完成进一步的调节(1/ (pi *上升时间)),如7MHz以上频率所示。下一步,用该直流稳压电源电压除以寄生电容的电抗。有趣的是,低频辐射为扁平稳定状态,直到频率穿过由上升时间设定的极点为止。最后,CISPR B 类规定也被绘制成图。仅 0.1 pF 的寄生电容和一个高压输入,辐射就已接近于规定值。
EMI 问题也存在于更高的频率,原因是输入线路传输共振引起的直流稳压电源电路共振和辐射。共模滤波可以帮助解决这些问题,因为在 C_Stray2存在大量的电容。例如,如果电容大小为 20 pF,则其在 5MHz 下阻抗低于 2 K-Ohms。我们可以在直流稳压电源电路和50 Ohm 测试电阻器之间增加阻抗足够高的共模电感,以降低测得辐射。更高频率时,也是如此。
总之,使用高压、非隔离式直流稳压电源时,共模直流稳压电源电流会使 EMI 辐射超出标准规定。在一些双线式设计中(无基底连接),解决这个问题尤其困难,因为有许多高阻抗被包含在内。解决这个问题的最佳方法是最小化寄生电容,并对开关频率实施高频脉动。频率更高时,直流稳压电源电路其余部分的分散电容的阻抗变小,因此共模电感可以同时降低辐射发射和传导发射。
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