单片开关电源瞬态干扰及音频噪声抑制技术

2006-05-07 15:49:48来源: 电子技术应用

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。

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