返馳式電路在開關電源EMI抑制中的應用

聶 瓊

（蘇州農業職業技術學院，江蘇 蘇州 215008）

0 引 言

近年來，隨著電源技術的飛速發展，開關穩壓電源朝著小型化、高頻化、繼承化的方向發展，高效率的開關電源已經得到越來越廣泛的應用。由于開關電路是透過充電和放電的打開和閉合實現的，因此其本身的開合頻率會造成一些EMI噪聲，故需要在控制芯片外部增加一些輔助線路，達成在源頭抑制EMI噪聲的目的[1-2]。本文主要闡述返馳式電路原理類的外部輔助控制電路的工作過程和實際電路運動效果，保證在轉換線路方案可靠高效性情況下，既控制成本，又把EMI抑制控制在可接受的范圍內。

1 EMI測試要求和儀器

1.1 EMI測試要求

EMC電磁兼容包括EMI電磁干擾和EMS電磁兼容性。設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中的任何設備的任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。這里著重解決EMI問題，在源頭減少干擾的產生。EMI是指產品的對外電磁干擾，一般分為工業等級A和民用等級B兩個等級[3]。民用的要比工業的嚴格，因為工業用的允許輻射稍微大一些。同樣的產品在測試EMI中的輻射來講，在30～230 MHz下，等級CLASS B要求產品的輻射限值不能超過40 dBm，而等級CLASS A要求不能超過50 dBm。

1.2 測試儀器

可靠精準的波形圖可以提供很好的參考依據，為解決問題提供有效的數據支撐。EMI測試過程中不僅要求能夠觀察時域波形圖，還要求能有內建的快速傅立葉變換FFT功能來觀察信號的頻譜。頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩定度和交調失真等信號參數的測量，是一種多用途的電子測量儀器[4]。本文將使用帶有FFT功能的示波器或者頻譜分析儀，實際測量開關電源模塊是否存在EMI電磁輻射超標，量測出對應的頻譜能量分布，使用返馳式電路分散其能量，從而達成將EMI輻射抑制在安全的、符合要求的范圍之內。

2 返馳式電路在開關電源設計中的應用與測試

2.1 返馳式電源控制器在開關電源設計中的應用

以交流轉直流返馳式控制器線路搭配立锜科技的控制芯片RT7736設計的開關電源電路為例，它的輸入電壓為90～265 VAC、輸出電壓為5 V、輸出功率為10 W。開關電源電路噪聲源頭是其工作過程中產生的電壓突尖和電流突尖，而突尖歸根結底的原因是能量太過于快速聚集且沒有宣泄的途徑。可以從兩個方向解決這個問題，一是從源頭將能量源打散，二是提供更多的宣泄途徑，使能量能快速透過一些有效途徑回歸GND。而返馳式電路的作用則是將這些造成突刺的能量形成過程放慢，讓現有的宣泄途徑能夠在其承擔的范圍內，快速有效地消除能量。

返馳式電路由RCD電壓鉗位電路和RC緩振電路組成，常在變壓器一次側線圈和二次線圈上，如圖1中虛線框內所示。通過RCD和RC電路，線路中的能量積聚過程相對緩慢，單位時間內的能量降低，則EMI電磁輻射隨之下降。

2.2 返馳式電路在開關電源中的EMI抑制效果測試

2.2.1 測試環境設定

將針對開關電路部分的MOSFET電壓做FFT頻譜分析，并從頻域角度觀察各波形特性，找出能量特別突出的頻域分布。由于傳導電磁干擾EMI法規規范的最高頻率為30 MHz，因此將示波器的FFT頻譜范圍設定為10～30 MHz，取樣率為100 MSa/s，解析帶寬為1 kHz，獲取頻譜能量分布。

2.2.2 測試方案

由于目前電源控制器中都有內建智能抖頻功能，開關頻率有±6%的變動范圍[5]，使其頻率成份擴散成柱狀而非在單一頻率上。圖2為滿載時MOSFET電壓波形的FFT頻譜，從65 kHz附近開始出現開關頻率及其諧波的低頻成份。滿載時，變壓器的激磁電感工作在連續導通模式CCM，MOSFET電壓可近似為一方波[6]。因此，在中低頻處，幅值以-20 dB/dec的斜率衰減。在5 MHz附近，幅值出現抬升，因為在MOSFET關閉瞬間，漏電感電流在MOSFET上產生高頻電壓突尖。

圖1 電源模塊電路

圖2 滿載時MOSFET電壓波形的FFT頻譜

當負載減輕時，開關頻率逐漸降低，激磁電感的操作模式從連續導通模式CCM轉成不連續導通模式DCM[7]。由圖3可以發現，在輸出電流降到0.5 A時，開關頻率只有450 kHz。由于在DCM操作的關系，激磁電感和汲極電容產生的振鈴變化亦會反映在MOSFET電壓波形上。因此，在頻譜上也能看到在振鈴頻率f在450 kHz附近的幅值也出現抬升。

以上為增加返馳式電路滿載和輕載工作情況下的能量頻譜分布。這里嘗試移除RCD電壓鉗位電路進行測試，結果如圖4所示。移除后，漏電感電流在MOSFET關閉瞬間少了一條宣泄路徑，漏電感電流全部都流進MOSFET的輸出電容，因而產生更高的電壓突尖。比對圖3和圖4可以發現，返馳式電路主要作用在電壓突尖的頻率5 MHz附近，衰減了10 dB，在中低頻段則無明顯變化。

2.2.3 測試數據分析

MOSFET電壓的FFT頻譜詳細測試數據，如表1所示。可以看到，沒有返馳式電路RCD和RC的作用，即便在輕載狀態下，各個頻率的電壓突刺都比較突出。返馳式電路將這些造成突刺的能量的形成過程盡可能放緩，可以從源頭減少能量，在現有不增加成本的情況下，將EMI噪聲或者能量抑制在一個較低范圍。

圖3 輕載時MOSFET電壓波形的FFT頻譜

圖4 輕載時未加返馳式電路的MOSFET波形

表1 三種情況比較結果

3 返馳式電路對EMI的影響和改善

通過記錄開關電源以及其返馳式電路的許多組件上電壓或電流波形頻譜，可以在頻域上看到MOSFET的RCD電壓箝位電路和輸出二極管的RC緩振電路的功效[8]。通過實驗室EMI噪聲實際量測，證明返馳電路對MOSFET電壓頻譜上抑制幅值，在EMI頻譜上是否會有相同的效果。

由于傳導EMI的法規限制，在進行FFT頻譜與EMI頻譜比對前，需先將示波器的設定調整成與EMI接收機相同。因此，將FFT頻譜范圍設為150 kHz至30 MHz，解析帶寬為9 kHz，示波器擷取時間為20 ms，取樣率設定在100 MSa/s。圖5及圖6分別為加裝返馳式電路前后MOSFET電壓頻譜比較圖和EMI頻譜比較圖，量測條件皆為輸入電壓為115 VAC、輸出電流為2 A。可以明顯觀察到，緩振電路在FFT頻譜上5 MHz附近從127 dB衰減至11 7dB，衰減約10 dB，而此衰減量同樣會呈現在EMI頻譜上，從50 dB衰減至40 dB，有效抑制了EMI。

通過示波器的FFT功能進行特定頻率的EMI偵錯，從而快速掌握電路上突尖的頻率，更有效地解決EMI問題。經由表2比較前后的實驗結果可見，返馳式電路可以抑制電路上的電壓突尖和電流突尖，能有效降低特定頻率的EMI噪聲。

圖5 加裝前后MOSFET電壓FFT頻譜比較

圖6 加裝前后之EMI頻譜比較

表2 加裝前后頻譜比較結果

4 結 論

本文討論了開關電源實際使用設計中存在的問題，即自身開關頻率對EMI的影響，并提出了解決方案。返馳式電路的運用可以有效解決這一問題，并通過示波器FFT快速傅立葉變換功能進行實際量測論證，理清了噪聲頻譜分布，用實際量測數據證明了返馳式轉換電路在不同開關頻率下和不同的輸入輸出電流的實際使用情況下，實現了EMI抑制的可靠性和有效性。