电源技术辅导资料八
电源技术辅导资料八主 题：第三章 第六、七节 “控制电路”、“开关电源电磁干扰分类”
学习时间：2010年12月6日－12月12日
内 容：
我们这周主要学习第三章第六、七节“控制电路”、“开关电源电磁干扰分类”的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对开关稳压电源的了解，并初步了解电磁干扰部分内容。
一、学习要求
1．了解开关稳压电源的控制电路；
2．了解开关电源电磁干扰分类
二、主要内容
1．控制电路
（1）开关电源系统的隔离技术
开关电源一般由两部分组成:功率主回路，控制回路。
功率主回路与输出回路应该电气隔离，即两者不共地。
脉冲变压器（T1）和光耦元件U实现输入、输出隔离的
带电压负反馈调节开关电源线路
输出电压通过采样电路输入到放大器A1反相端，与同相端输入的固定基准电压进行比较。两个电压的差值经过放大器A1输出电压，并产生流经电阻和发光二极管的电流。放大器A1输出电流控制了发光二极管发光强度，即控制了三极管发射极上的压降，RL上的电压Vout控制PWM的电路，从而控制主开关管Tr1的占空比变化，这是典型的电压负反馈系统。
开关电源控制电路结构
自保护功能：输入电压、输入欠电压、系统过热、过电流等。
负载保护功能：输出过电压、输入欠电压。
PWM控制电路
由误差电压放大器、振荡器、PWM比较器、驱动、基准源、保护电路等集成在同一芯片上，形成功能完整的集成电路。
（2）开关电源的集成控制器
主要包括：
1）脉冲宽度调制集成电路
CW1524/2524/3524，CW1525，TL494、495
2）电流型脉冲宽度调制集成电路
SG1825／2825／3825
SG1842／2843／3842、SGl843／2843／3843
3）高性能谐振型集成控制器
4）相移脉冲宽度调制器谐振控制器
5）UCl854／2854／3854高功率因数预稳压器
6）光电耦合器
A. SG1524系列开关电源集成控制器
PWM型控制器包含开关电源所需的全部控制电路，其中有误差放大器、振荡器、脉冲宽度调制器、脉冲发生器、两只交替输出的开关管和保护电路。SG1524可用于任何PWM控制的开关电源。
美国硅通用公司生产的SG1524/2524/3524型单片集成脉冲宽度调制器是国外较早出现的品种，它包括了双端输出脉冲宽度调制开关稳压电源所需的各种基本电路。SG1524现在为我国国标集成稳压器的优选品种，其型号为CWl524/2524/3524。
SG1524的出现，解决了典型的脉宽调制电路的集成化，它简化了开关电源的设计和制作。但也存在一些不足，主要是在电源系统中，还需要附加其它电路。其次 是死区时间是不可调整得；此外其输出能力有限。但因SGl524已经被广泛使用，所以出现了该进型的1524A。
CW3524的内部方框图
误差放大器的输出端从9脚引出，9脚和1脚之间跨接电阻可控制放大器的增益。为使放大器能稳定工作，放大器的输出端采用了补偿系统，最好在输出端至地端串入RC网络。误差放大器的输出对末级的控制是通过一个独立的电压比较器与电容CT上的电压进行比较之后驱动或非门的。CT上的电位高于误差放大器输出端的电位时，电压比较器输出高电平，或非门输出低电平，输出管处于截止状态；反之，CT上的电位低于误差放大器输出端的电位时，比较器输出低电平，或非门输出高电平，输出管处于导通状态。
电流限制电路的控制接在误差放大器的输出端（9脚），过流信号接在限流放大器的反相输入端（4脚），当过流信号达到一定程度时，限流放大器输出负饱和值，将误差放大器的输出电位拉下来，迫使脉宽调制器的输出关闭。
CW3524内部还有关闭电路，它的输出也接在误差放大器的输出端（9脚），关闭电路的输入端并通过10脚引出。若10脚接低电平，可以将放大器的输出电位箝制在低电位。比较器输出高电平，或非门输出低电平，输出三极管关断。
振荡器的电路用稳压器输出的+5V电压工作，通过外接电阻RT和外接电容CT组成的充放电回路，以决定振荡频率。振荡器输出的三角波加到比较器上，和误差放大器的输出进行比较，输出矩形脉冲去控制输出级三极管。振荡器的输出脉冲有两个用途，其一是作为触发脉冲送至内部的T′触发器，因Q和端的状态始终相反，所以两路输出通道的开与关是交替的；其二，是作为死区时间控制之用，它直接送至两个或非门，作为封锁脉冲，以保证两个输出管在开与关的交替瞬间有一段死区，不会同时导通。
CW3524的输出部分是两只中功率的NPN晶体管，每个管子的集电极和发射极都从电路引出，其集电极和发射极电位都由外电路决定。当CW3524在串联调整应用时，两组输出端可以并联使用，输出级的工作频率与振荡器频率相同。因为两个输出之间是互相隔离的，应用在推挽变换电路中，整个工作频率是振荡器输出频率的一半。
锯齿波由振荡器提供，U1是误差放大器的输出，它们一起加到比较器上。U2是比较器的输出。振荡器输出的时钟驱动T′触发器，CP、Q和U2的或非逻辑输出为U3，决定T1的通断。CP、和U2的或非逻辑输出为U4，决定T2的通断。由于Q和Q-等宽，加上U2的存在，所以U3和U4这两路信号之间有一定的死区，以保证T1和T2管不会同时导通。当U1降低时，U2加宽，T1和T2的宽度变窄，导通时间减小。反之，当U1增加时，T1和T2的导通时间增加。
应用电路
CW3524分别从11脚和14脚输出两路在时间上互相错开的控制信号，其开关频率由6脚和7脚外接的R5和C2决定。1脚和2脚是内部误差放大器的输入端，R1和R2构成反馈回路。16脚是基准源，由R3和R4通过对基准电压的分压给误差放大器提供一个与反馈信号进行比较的给定电压。
B. TL494型集成开关电源控制器
TL494和TL495是美国德克萨斯仪器公司的产品，作为双端输出类型的脉冲宽度调制器，其功能比CWl525A／27A更强。国标规定为CW494。
时序图
CW494中有一个独立的死区时间比较器，控制比较器输入端(4脚)的电位，除可以改变调制器的死区时间之外，还可以用它设计电源的软启动电路，或者欠压保护电路。
CW494中的两个误差放大器可以分别控制输出电压Vo稳定和作输出名电流保护一类的功能。振荡器定时电容CT和定时电阻RT与振荡频率关系为：
forc=1.1/RTCT
输出方式控制端(13脚)控制494的应用方式。当该端为高电平时，两路输出由触发器控制，形成双端输出式；当13脚为低电平时，触发器失去作用，两路输出同时由PWM比较器后的或门输出控制，同步地工作。两路并联输出时，输出驱动电流较大(达400mA)。
推挽式变换器
2. 开关电源电磁干扰分析及抑制
（1）共模干扰和差模干扰
电压电流的变化通过导线传输时有二种形态，称做“共模”和“差模”。设备的电源线、电话等的通信线、与其它设备或外围设备相互交换的通讯线路，至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电力或信号。但在这两根导线之外通常还有第三导体，这就是“地线”。干扰电压和电流分为两种：一种是两根导线分别做为往返线路传输；另一种是两根导线做去路，地线做返回路传输。前者叫“差模”，后者叫“共模”。
差模干扰在两根信号线之间传输，属于对称性干扰
共模干扰是在信号线与地之间传输，属于非对称性干扰。
电子设备中噪声有从信号电缆和电源电缆上产生的传导噪声和空间辐射的辐射噪声两大类。这两大类中有分为共模噪声和差模噪声两种。
差模传导噪声是电子设备内噪声电压产生的与电源电流或信号电流相同路径的噪声电流，如图1所示。减小这种噪声的方法是在电源线和信号线上串联电感（差模扼流圈）、并联电容或用电感和电容组成低通滤波器，减小高频的噪声，如图2。
图一 差模噪声 图二
共模传导噪声是在设备内噪声电压的驱动下，经过设备与大地之间的寄生电容，在电缆与大地之间流动的噪声电流，如图3所示。减小共模噪声的方法是在电源线或信号线中串联电感（共模扼流圈）、在导线与地之间并联电容器、使用LC滤波器，图4所示。共模扼流圈是将电源线的火线和零线（或信号线和回流线）同方向绕在铁氧体磁芯上构成的，它对线间流动的差模电源电流和信号电流阻抗很小，而对两根导线与地之间流过的共模电流阻抗很大。
（2）开关电源中的干扰源
由于开关电源工作过程中的高频率、高di/dt和高dv/dt使得电磁干扰问题非常突出。国内已经以新的3C认证取代了CCIB和CCEE认证，使得对开关电源在电磁兼容方面的要求更加详细和严格。如今，如何降低甚至消除开关电源的EMI问题已经成为全球开关电源设计师以及电磁兼容（EMC）设计师非常关注的问题。
开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。工频整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。开关电源中的电压电流波形大多为接近矩形的周期波，比如开关管的驱动波形、MOSFET漏源波形等。对于矩形波，周期的倒数决定了波形的基波频率；两倍脉冲边缘上升时间或下降时间的倒数决定了这些边缘引起的频率分量的频率值，典型的值在MHz范围，而它的谐波频率就更高了。这些高频信号都对开关电源基本信号，尤其是控制电路的信号造成干扰。
开关电源的电磁噪声从噪声源来说可以分为两大类。一类是外部噪声，例如，通过电网传输过来的共模和差模噪声、外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰等。另一类是开关电源自身产生的电磁噪声，如开关管和整流管的电流尖峰产生的谐波及电磁辐射干扰。
如图所示，电网中含有的共模和差模噪声对开关电源产生干扰，开关电源在受到电磁干扰的同时也对电网其他设备以及负载产生电磁干扰（如图中的返回噪声、输出噪声和辐射干扰）。进行开关电源EMI/EMC设计时一方面要防止开关电源对电网和附近的电子设备产生干扰，另一方面要加强开关电源本身对电磁骚扰环境的适应能力。
A. 电源线引入的电磁噪声
电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁骚扰沿着电源线传播所造成的。电源线噪声分为两大类：共模干扰、差模干扰。共模干扰（Common-mode Interference）定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模干扰（Differential-mode Interference）定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。两种干扰的等效电路如图所示。图中CP1为变压器初、次级之间的分布电容，CP2为开关电源与散热器之间的分布电容（即开关管集电极与地之间的分布电容）。
（a）共模干扰 （b）差模干扰
如图（a）所示，开关管V1由导通变为截止状态时，其集电极电压突升为高电压，这个电压会引起共模电流Icm2向CP2充电和共模电流Icm1向CP1充电，分布电容的充电频率即开关电源的工作频率。则线路中共模电流总大小为（Icm1＋Icm2）。
如图（b）所示，当V1导通时，差模电流Idm和信号电流IL沿着导线、变压器初级、开关管组成的回路流通。由等效模型可知，共模干扰电流不通过地线，而通过输入电源线传输。而差模干扰电流通过地线和输入电源线回路传输。
所以，设置电源线滤波器时要考虑到差模干扰和共模干扰的区别，在其传输途径上使用差模或共模滤波元件抑制它们的干扰，以达到最好的滤波效果。
B. 输入电流畸变造成的噪声
开关电源的输入普遍采用桥式整流、电容滤波型整流电源。如图3所示，在没有PFC功能的输入级，由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得二极管的导通角变小，输入电流i成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。这种畸变的电流实质上除了包含基波分量以外还含有丰富的高次谐波分量。这些高次谐波分量注入电网，引起严重的谐波污染，对电网上其他的电器造成干扰。为了控制开关电源对电网的污染以及实现高功率因数，PFC电路是不可或缺的部分。
C. 开关管及变压器产生的干扰
主开关管是开关电源的核心器件，同时也是干扰源。其工作频率直接与电磁干扰的强度相关。随着开关管的工作频率升高，开关管电压、电流的切换速度加快，其传导干扰和辐射干扰也随之增加。此外，主开关管上反并联的钳位二极管的反向恢复特性不好，或者电压尖峰吸收电路的参数选择不当也会造成电磁干扰。
开关电源工作过程中，由初级滤波大电容、高频变压器初级线圈和开关管构成了一个高频电流环路。该环路会产生较大的辐射噪声。开关回路中开关管的负载是高频变压器初级线圈，它是一个感性的负载，所以，开关管通断时在高频变压器的初级两端会出现尖峰噪声。轻者造成干扰，重者击穿开关管。主变压器绕组之间的分布电容和漏感也是引起电磁干扰的重要因素。
D. 输出整流二极管产生的干扰
理想的二极管在承受反向电压时截止，不会有反向电流通过。而实际二极管正向导通时，PN结内的电荷被积累，当二极管承受反向电压时，PN结内积累的电荷将释放并形成一个反向恢复电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。反向恢复电流在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强烈的高频衰减振荡。因此，输出整流二极管的反向恢复噪声也成为开关电源中一个主要的干扰源。可以通过在二极管两端并联RC缓冲器，以抑制其反向恢复噪声。
E. 分布及寄生参数引起的开关电源噪声
开关电源的分布参数是多数干扰的内在因素，开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初次级之间的分布电容、原副边的漏感都是噪声源。共模干扰就是通过变压器初、次级之间的分布电容以及开关电源与散热器之间的分布电容传输的。其中变压器绕组的分布电容与高频变压器绕组结构、制造工艺有关。可以通过改进绕制工艺和结构、增加绕组之间的绝缘、采用法拉第屏蔽等方法来减小绕组间的分布电容。而开关电源与散热器之间的分布电容与开关管的结构以及开关管的安装方式有关。采用带有屏蔽的绝缘衬垫可以减小开关管与散热器之间的分布电容。
如图所示，在高频工作下的元件都有高频寄生特性，对其工作状态产生影响。高频工作时导线变成了发射线、电容变成了电感、电感变成了电容、电阻变成了共振电路。观察图4中的频率特性曲线可以发现，当频率过高时各元件的频率特性产生了相当大的变化。为了保证开关电源在高频工作时的稳定性，设计开关电源时要充分考虑元件在高频工作时的特性，选择使用高频特性比较好的元件。另外，在高频时，导线寄生电感的感抗显著增加，由于电感的不可控性，最终使其变成一根发射线。也就成为了开关电源中的辐射干扰源。
（3）抑制开关电源中各类电磁干扰源
为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正（PFC）技术。PFC技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波。从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了开关电源的功率因数。
软开关技术是减小开关器件损耗和改善开关器件电磁兼容特性的重要方法。开关器件开通和关断时会产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰及开关损耗的主要原因。使用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换可以有效地抑制电磁干扰。使用缓冲电路吸收开关管或高频变压器初级线圈两端的尖峰电压也能有效地改善电磁兼容特性。
输出整流二极管的反向恢复问题可以通过在输出整流管上串联一个饱和电感来抑制，如图5所示，饱和电感Ls与二极管串联工作。饱和电感的磁芯是用具有矩形BH曲线的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一样，这种磁芯做的电感有很高的磁导率，该种磁芯在BH曲线上拥有一段接近垂直的线性区并很容易进入饱和。实际使用中，在输出整流二极管导通时，使饱和电感工作在饱和状态下，相当于一段导线；当二极管关断反向恢复时，使饱和电感工作在电感特性状态下，阻碍了反向恢复电流的大幅度变化，从而抑制了它对外部的干扰。
A. 切断电磁干扰传输途径——共模、差模电源线滤波器设计
开关电源的输入端通常采用如图所示电路。该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。
1）L，C1，C2用于滤除共模干扰信号
L是共模电感，通常电感量为2mH～33mH左右。
C1，C2为旁路电容，又称Y电容。电容量要求2200pF左右。电容量过大会影响设备的绝缘性能。
2）C3，C4用于滤除差模干扰信号。
C3，C4为电源跨接电容，又称X电容。常用陶瓷电容或聚脂薄膜电容。电容量取0.22μF～0.47μF。
B. 使用屏蔽降低电磁敏感设备的敏感性
抑制辐射噪声的有效方法就是屏蔽。可以用导电性能良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。为了防止变压器的磁场泄露，使变压器初次级耦合良好，可以利用闭合磁环形成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就明显比E型的小很多。开关电源的连接线，电源线都应该使用具有屏蔽层的导线，尽量防止外部干扰耦合到电路中。或者使用磁珠、磁环等EMC元件，滤除电源及信号线的高频干扰，但是，要注意信号频率不能受到EMC元件的干扰，也就是信号频率要在滤波器的通带之内。整个开关电源的外壳也需要有良好的屏蔽特性，接缝处要符合EMC规定的屏蔽要求。通过上述措施保证开关电源既不受外部电磁环境的干扰也不会对外部电子设备产生干扰。
（4）小结
如今在开关电源体积越来越小，功率密度越来越大的趋势下。EMI/EMC问题成为了开关电源稳定性的一个关键因素，也是一个最容易忽视的方面。开关电源的 EMI抑制技术在开关电源设计中占有很重要的位置。实践证明，EMI问题越早考虑、越早解决，费用越小、效果越好。
三、重要考点
（一）选择题
1.如图表征的干扰类型是（）。
A.共模干扰 B.差模干扰
答案：A
（二）判断题
1. TL494和TL495是美国德克萨斯仪器公司的产品，作为双端输出类型的脉冲宽度调制器，其功能比CWl525A／27A更强。 （正确）
（三）简答题
请简述TL494的工作原理。
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