CN106385185A - 反激式开关电源及改善其电磁兼容性能的方法 - Google Patents

反激式开关电源及改善其电磁兼容性能的方法 Download PDF

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Abstract

一种反激式开关电源及改善其电磁兼容性能的方法，包括:在开关变压器的初级侧设置一补偿绕组，并使该补偿绕组串设一补偿电容到地；以及在该开关变压器的初级地和次级地之间串设一Y电容。本发明能够方便、可靠地改善反激式开关电源的EMC。

Description

反激式开关电源及改善其电磁兼容性能的方法
技术领域
本发明涉及反激式开关电源，尤其涉及改善反激式开关电源的EMC（电磁兼容性能）的方法。
背景技术
反激式（FLYBACK）开关电源因为外围器件较少，广泛应用在小于75W以下的电源方案中，其中开关变压器是一个重要部件。由于影响开关变压器分布电容的参数太多，致使开关变压器存在一致性不好控制的问题。开关电源中的与开关变压器相连的MOS管由于电容及寄生电容中快速的电压变化产生电场的缘故，会产生较高的电流尖峰：I= C×du /dt，因此会影响到开关电源的EMC。
为了改善EMC，有人提出了改变栅极驱动电阻的方法，参见图1示出的MOS管栅极驱动电路，即：通过增大电阻R1和电阻R2的阻值来降低开通时MOS管的电压变化率，进而改善EMC。这种方法，一方面由于电阻的阻值增加的空间有限，对EMC改善的效果较小；另一方面，由于MOS管的驱动电流的减小，还会影响到开关电源的整体性能。
还有人提出了增加RC缓冲电路的方法，参见图2示出的反激式开关电源电路，即：借助RC箝位电路来抑制开关变压器的初级漏感在开关管关断过程中产生的电压尖峰。具体而言，电感L1、L2、L3可以降低高频的电流变化，其中电感L1和L2只对特定的频带起作用，电感L3对于工作在CCM（continuous current mode，电流连续型）模式有效。增加的RC缓冲电路包括：连接在开关变压器的初级绕组两端的电阻R1和电容C1；连接在开关管的漏极与源极（即图2中的开关S）之间的电阻R2和电容C2；连接在开关变压器的次级绕组两端的电阻R3和电容C3；以及连接在续流二极管D1的两端的电阻R4和电容C4。这些RC缓冲电路和电容C5可以降低相应的功率器件两端的高频电压的变化率。这种方法，增加的这些RC缓冲电路都需要消耗一定的功率，从而产生附加的功率损耗，降低开关电源的效率；并且，会相应地增加元件和电路板的尺寸，从而增加开关电源的整体成本，因此只能根据实际应用的需要而选择性的采用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种改善反激式开关电源的EMC的方法，能够方便、可靠地改善反激式开关电源的EMC。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案包括，提出一种改善反激式开关电源的电磁兼容性能的方法，包括:在开关变压器的初级侧设置一补偿绕组，并使该补偿绕组串设一补偿电容到地；以及在该开关变压器的初级地和次级地之间串设一Y电容。
本发明针对上述技术问题而提出的技术方案还包括，提出一种反激式开关电源，包括：开关变压器，其具有相互配合的初级绕组和次级绕组；以及MOS管，用于控制该开关变压器开关；其中，该开关变压器的初级侧设置一补偿绕组；该反激式开关电源还包括：串设在该补偿绕组与初级地之间的一补偿电容；以及连接在该开关变压器的初级地和次级地之间的一Y电容。
与现有技术相比，本发明的改善反激式开关电源的EMC的方法通过在开关变压器的初级侧设置补偿绕组，并使该补偿绕组通过补偿电容接地，以及在该开关变压器的初级地和次级地之间串设一个Y电容，可以实现EMC的最优化设计，并且可以忽略开关变压器其他参数的影响，能够系统地解决开关变压器本身的一致性对EMC的影响，从而能够方便、可靠地改善反激式开关电源的EMC。
附图说明
图1是现有的一种MOS管栅极驱动电路。
图2是现有的一种反激式开关电源电路。
图3是本发明关于开关变压器的分布电容的模型。
图4是本发明关于反激式开关电源的共模电流产生原因分析的模型。
图5是本发明改善反激式开关电源的EMC的方法的模型。
图6是本发明反激式开关电源电路。
图7是采用本发明方法的反激式开关电源的EMC测试波形。
图8是未采用本发明方法的反激式开关电源的EMC测试波形。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。
参见图3，图3是本发明关于开关变压器的分布电容的模型。开关变压器的组成结构包括：骨架Bobbin，磁芯Core，绝缘胶带Tape，初级绕组Np，次级绕组Ns和辅助绕组Nau。借助该模型，本发明人发现：开关变压器的分布电容包括：初级绕组的层间电容Cp，输出线到地的电容Coe，磁芯到地的电容Cme，最外层绕组到磁芯的电容Ca，辅助绕组到次级绕组的电容Ct，初级绕组到次级绕组的电容Cs以及最内层初级绕组到磁芯的电容Cm。
参见图4，图4是本发明关于反激式开关电源的共模电流产生原因分析的模型。借助该模型，本发明人发现：共模干扰电流产生的原因主要在于：共模电流在输入及输出线与大地间流动，其产生的原因主在于功率器件高频工作时产生的电压的瞬态的变化。共模电流的产生主要有下面几部分：1、通过MOS管的漏级到地的寄生电容Cde。2、通过最内层初级绕组到磁芯的电容Cm 和磁芯到地的电容Cme。3、通过最外层绕组到磁芯的电容Ca 和磁芯到地的电容 Cme。4、通过辅助绕组到次级绕组的电容Ct 和输出线到地的电容Coe。5、通过初级绕组到次级绕组的电容Cs 和输出线到地的电容Coe，这部分占主导作用。
针对上述第1部分，如果改进IC的设计，如对于单芯片电源芯片，将MOS管的源极连接到芯片的基体用于散热，而不是用MOS管的漏极进行散热，可以减小MOS管的漏极对地的寄生电容Cde；另外，在PCB（印刷电路板）布线时，减小MOS管的漏极区铜皮的面积可减小MOS管的漏极对地的寄生电容Cde，但要注意保证芯片的温度满足设计的要求。
可以理解的是，在反激式开关电源中要改善EMC，可以减小漏极电压的变化幅值及变化率可减小共模电流，例如：降低反射电压、加大漏源极电容；矛盾的是，这会使MOS管承受大的电流应力，其温度将增加，同时加大漏源极电容，产生更大的磁场发射。
参见图5，图5是本发明改善反激式开关电源的EMC的方法的模型。本发明提出一种改善反激式开关电源的EMC的方法，其主要包括：措施一、在开关变压器的初级侧设置一补偿绕组Ncomp，并使该补偿绕组Ncomp串设一补偿电容Ccomp到地；以及措施二、在开关变压器的初级地和次级地之间串设一Y电容Y2。
在本实施例中，巧妙的利用直流电源VCC辅助绕组作为补偿绕组Ncomp。补偿电容Ccomp的容值原则上最好与MOS管的漏级对地寄生电容Cde的容值相等，这样补偿绕组Ncomp的圈数与其串联的初级绕组Npri的圈数比就可为1:1。因为由漏感所产生的突波电压，对寄生电容Cde与补偿电容Ccomp而言，其电压变化率大小相等，极性却刚好相反，故寄生电容Cde所引起的噪声电流会与流经补偿电容Ccomp的电流值相同，可以利用此一特性来抑制该节点所产生的共模杂讯电流。
另外，为了增加开关变压器绕线面积的利用率，加上噪声电流原本就不大，补偿绕组Ncomp的线径可以尽量缩小。由于电容可供选择的容值并不多，加上寄生电容Cde本身并不容易量测，应用上常常会遇到补偿电容Ccomp与寄生电容Cde两者容值不相等的情况。由于这一不平衡的部分仍会引起噪声电流产生而降低抑制的效果，此时可以藉由调整补偿绕组Ncomp的圈数加以克服，调整的比例如公式所示：Ncomp=(Cde/Ccomp)*Npri，也即：补偿绕组的圈数Ncomp等于初级绕组的圈数Npri乘上寄生电容Cde与电容Ccomp的容值比。
综上，本发明方法可以使用直流电源VCC辅助绕组来做补偿绕组Ncomp，通过调整补偿电容Ccomp的容值，来实现对共模噪声的抑制（即上述措施一）。增加补偿电容Ccomp，可以使图5中的电流Icomp1和电流Icomp2相互抵消；同时对寄生电容Cde、分布电容Ct及分布电容Coe起到短路和抑制作用，从而可以消除这部分寄生电容Cde、分布电容Ct和分布电容Coe的影响，达到改善EMC的目的。
通过上述措施二，可以为开关变压器的初级绕组到次级绕组的分布电容Cs提供泄流通道，使得通过分布电容Cs的大部分的共模电流Iycomp被Y电容Y2旁路，返回到开关变压器的初级地，从而可以消除分布电容Cs的影响，达到改善EMC的目的。
另外，本发明方法还可包括：措施三、在开关变压器的磁芯外部增加铜皮，并将该铜皮连接到地。这一措施可以为通过磁芯的分布电容Ca、Cm和Cme起到短路和抑制作用，从而可以消除这部分分布电容Ca、Cm和Cme的影响，达到改善EMC的目的。
参见图6，图6是本发明反激式开关电源电路。本发明提出一种反激式开关电源，其能够实现本发明上述的方法。该反激式开关电源10主要包括：开关变压器T和用于控制该开关变压器T开关的MOS管Q。其中，该开关变压器T设有相互配合的初级绕组和次级绕组，以及与初级绕组串联的直流电源VCC辅助绕组。其中，该直流电源VCC辅助绕组还用做上述本发明方法的补偿绕组Lcomp。该反激式开关电源10还包括：将该补偿绕组Lcomp串接到地的补偿电容Ccomp。图6中带箭头的虚线为共模杂讯电流的路径示意。可以理解的是，该补偿绕组Lcomp与该补偿绕组Lcomp相配合能够实现本发明方法的措施一。该反激式开关电源10还包括：一个Y电容Y2，用于将该开关变压器T的初级地和次级地短接到一起。可以理解的是，该Y电容Y2能够实现本发明方法的措施二。
参见图7和图8，图7是采用本发明方法的反激式开关电源的EMC测试波形。图8是未采用本发明方法的反激式开关电源的EMC测试波形。二者相较，可见：图8所示的波形在114MHz和50MHz两处存在大凸包，超出图中台阶线所标出的测试标准的要求，EMC性能不能达标；图7所示的波形在全部频率范围内，均低于图中台阶线所标出的测试标准的要求，EMC性能达标。
本发明的改善反激式开关电源的EMC的方法，通过对开关变压器T的分布电容参数建模，进而借助该模型深入分析，提出了充分利用直流电源VCC辅助绕组的功能，设置与其相配合的补偿电容Ccomp，以及在开关变压器T的初级地和次级地之间串设一个Y电容Y2，来实现EMC的最优化设计；并且，可以忽略开关变压器T其他参数的影响，能够系统地解决开关变压器T本身的一致性对EMC的影响，从而能够方便、可靠地改善反激式开关电源的EMC。
上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种改善反激式开关电源的电磁兼容性能的方法，其特征在于，包括:
在开关变压器的初级侧设置一补偿绕组，并使该补偿绕组串设一补偿电容到地；以及在该开关变压器的初级地和次级地之间串设一Y电容。
2.依据权利要求1所述的方法，其特征在于，选用与该开关变压器的初级绕组相串联的直流电源辅助绕组作为该补偿绕组。
3.依据权利要求2所述的方法，其特征在于，使该补偿绕组的圈数等于该初级绕组的圈数，并使该补偿电容的容值等于控制该开关变压器开关的MOS管的漏级对地寄生电容的容值。
4.依据权利要求2所述的方法，其特征在于，使该补偿绕组的圈数等于该初级绕组的圈数乘上控制该开关变压器开关的MOS管的漏级对地寄生电容与该补偿电容的容值之比。
5.依据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，还包括：使该开关变压器的磁芯外部设有铜皮，并使该铜皮连接到地。
6.一种反激式开关电源，包括：开关变压器，其具有相互配合的初级绕组和次级绕组；以及MOS管，用于控制该开关变压器开关；其特征在于，该开关变压器的初级侧设置一补偿绕组；该反激式开关电源还包括：串设在该补偿绕组与初级地之间的一补偿电容；以及连接在该开关变压器的初级地和次级地之间的一Y电容。
7.依据权利要求6所述的反激式开关电源，其特征在于，该补偿绕组为与该初级绕组相串联的直流电源辅助绕组。
8.依据权利要求7所述的反激式开关电源，其特征在于，该补偿绕组的圈数等于该初级绕组的圈数，该补偿电容的容值等于该MOS管的漏级对地寄生电容的容值。
9.依据权利要求7所述的反激式开关电源，其特征在于，该补偿绕组的圈数等于该初级绕组的圈数乘上控制该MOS管的漏级对地寄生电容与该补偿电容的容值之比。
10.依据权利要求6至9任一项所述的反激式开关电源，其特征在于，该开关变压器的磁芯外部设有铜皮，该铜皮连接到地。
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