摘要：为确保单片开关电源正常工作,必须在电路设计和制造工艺上采取相应措施,有效地抑制瞬态干扰及音频噪声,为此阐述其抑制方法与改进电路。

    关键词：单片开关电源 瞬态干扰 音频噪声 抑制 电磁兼容性

    本文介绍抑制ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ和ＴｉｎｙＳｗｉｔｃｈ系列单片开关电源瞬态干扰及音频噪声的方法,这对提高其电磁兼容性（ＥＭＩ）至关重要。

１ 抑制瞬态干扰

    瞬态干扰是指交流电网上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号,其特点是作用时间极短,但电压幅度高、瞬态能量大。瞬态干扰会造成单片开关电源输出电压的波动;当瞬态电压叠加在整流滤波后的直流输入电压ＶＩ上,使ＶＩ超过内部功率开关管的漏－源击穿电压Ｖ（ＢＲ）ＤＳ时,还会损坏ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ芯片,因此必须采用抑制措施。

1.1 瞬态电压的特点

    瞬态电压的两种典型波形分别如图１（ａ）、（ｂ）所示。（ａ）图是由国际电工委员会制定的ＩＥＣ１０００－４－５标准中给出的典型浪涌电压波形,ＶＰ为浪涌电压的峰值,通常选ＶＰ＝３０００Ｖ的测试电压。Ｔ是浪涌电压从０．３ＶＰ上升到０．９ＶＰ的时间间隔。Ｔ１为上升时间,Ｔ１＝１．６７Ｔ＝１．２μs±30%。浪涌电压降到0.5Vp所持续的时间为T2,T2=50μs。（b）图示出由IEEE-587标准中给出的典型振铃电压波形,其峰值也是3000V（典型值）。第一个周期内正向脉冲上升时间T1=0.5μs,持续时间T=10μs;负向脉冲的峰值已衰减为0.6Vp。

1.2 抑制瞬态干扰的方法

1.2.1 改进电路

    现以ＴＯＰ２０２Ｙ构成７．５Ｖ、１５Ｗ开关电源模块的电路为例,阐述抑制瞬态干扰的方法。其改进电路如图２所示,主要做了以下改进：①将交流两线输入方式改成三线输入方式,Ｇ端接通大地;②采用两级电磁干扰（ＥＭＩ）滤波器,为避免两个ＥＭＩ滤波器在产生谐振时的干扰信号互相叠加,应使Ｌ２（Ｌ３）≤１０ｍＨ,Ｌ３≥２Ｌ２;③增加Ｃ９和Ｌ４,并将Ｃ８换成０．１μF普通电容器。C7～C9为安全电容,分别与高频变压器的引出端相连。其中,C7接初级直流高压的返回端,C8接次级返回端,C9接初级直流高压端。它们的共端则经过滤波电感L4接通大。L4用铁氧体磁环绕制而成。设计负印制板时,连接C7～C9的各条印制导线应短而宽。 采用上述连接方式可保证瞬态电流被C7～C9旁路掉,而不进入TOP202Y中。此外,反馈绕组接地端和C4的引出端,各经一条单独导线接TOP202Y的对应管脚。旁路电容C5直接跨在控制端与源极上,以减小控制端上的噪声电压。④增加电阻R6,其阻值范围在270～620Ω,它与光耦合器发射极相串联。当控制环路失控时,R6能限制峰值电流,使之小于芯片中关断触发器的关断电流。

1.2.2 减小瞬态干扰的其他措施

    ·为减小瞬态峰值电流,应在初、次级绕组之间绕３～５层０．０５ｍｍ厚的聚酯绝缘胶布,使高频变压器的分布电容量降低。

    ·ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ的外接散热器应与芯片上的小散热板连通。若两者之间加绝缘垫片,且散热器与电路连通位置又不合适,则散热器与小散热板的分布电容就会和电路中的电感发生谐振,产生高频振铃电压,使ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ中的关断触发器误操作。

    ·提高整流桥耐压值并适当增加输入滤波电容Ｃ１的容量。

    ·利用共模扼流圈对过大的共模干扰电流进行抑制。

    ·在１１０～１１５ＶＡＣ低压输入时,选择ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ－ＩＩ系列产品,以提高芯片的漏－源击穿电压值。

    ·在交流进线端并联一只压敏电阻器（ＶＳＲ）,对瞬态电压进行钳位,电路如图３所示。

２ 抑制音频噪声

    单片开关电源的音频噪声用人耳即可听到,它主要是由电容器和高频变压器产生的。

2.1 电容噪声

    电介质材料具有压电效应,其形变大小与电场力的平方有关,二者呈线性或非线性关系。某些非线性电介质在常温下就具有压电效应,例如在ＴＯＰＳｗｉｔｃｈ漏极ＲＣ吸收回路中使用的耐高压陶瓷电容器,是由非线性电介质钛酸钡等材料烧结而成的,在周期性尖峰电压的作用下,使电介质不断发生形变,能产生较大的音频噪声。采用耐高压的聚脂薄膜电容能降低电容噪声。

2.2 高频变压器噪声

    高频变压器ＥＥ或ＥＩ型磁芯之间的吸引力,能使两个磁芯发生位移,绕组电流相互间的引力或斥力,也能使线圈产生偏移。此外,受机械振动时能导致周期性的形变。上述因素均会使高频变压器在工作时发出音频噪声。１０Ｗ以下单片开关电源的音频噪声频率,约为１０～２０ｋＨｚ。

    为防止磁芯之间产生相对位移,通常以环氧树脂作胶合剂,将两个磁芯的３个接触面（含中心柱）进行粘接。但这种刚性连接方式的效果并不理想。因为这无法将音频噪声减至最低,况且胶合剂过多,磁芯在受机械应力时还容易折断。国外最近采用一种特殊的"玻璃珠"（ｇｌａｓｓ ｂｅａｄｓ）胶合剂,来粘合ＥＥ、ＥＩ等类型的铁氧体磁芯,效果甚佳。这种胶合剂是把玻璃珠和胶着物按照１：９的比例配制而成的混合物,它在１００°Ｃ以上的温度环境中放置１小时即可固化。但其作用与滚珠轴承有某种相似之处,固化后每个磁芯仍能独立地在小范围内变形或移位,而总体位置不变,这就对形变起到了抑制作用。用玻璃珠胶合剂粘接的高频变压器内部结构如图４所示。采用这种工艺可将音频噪声降低５ｄＢ。

    给线圈浸入清漆、烘干之后,不仅能隔绝潮气,加强坚固性,还有助于减小音频噪声。不过灌入清漆后也会增大初级绕组的分布电容,降低高频变压器的固有谐振频率。

２.３ 抑制ＴｉｎｙＳｗｉｔｃｈ开关电源中的音频噪声

    由ＴｉｎｙＳｗｉｔｃｈ构成开关电源时,音频噪声主要是由钳位保护电路和ＲＣ吸收回路产生的。为此可采取以下几种措施：

    （１）将ＲＣＤ型钳位保护电路中的二级管ＶＤ,换成高压稳压管ＶＤｚ;把漏极ＲＣ吸收回路中的高压陶瓷电容器换成压电效应很小的聚脂薄膜电容器。改进电路如图５所示。

    （２）为进一步减小音频噪声,还可选择磁通密度较低的磁芯,例如当最大磁通密度从０．３Ｔ减小到０．２Ｔ时,可使音频噪声降低１０～１５ｄＢ。