適合于電表的防干擾隔離反激式電源

Silvestro Fimiani | 資深產(chǎn)品推廣經(jīng)理

想要干擾電表非常簡單，只需在電源變壓器附近放置一塊強(qiáng)磁鐵。外加磁場會破壞功率變換器并阻礙電表準(zhǔn)確監(jiān)測用電量的能力。磁鐵很容易使電表失效，因?yàn)橥ǔ?shí)施的防干擾方案無法檢測到它。目前還沒有準(zhǔn)確的數(shù)字來估計(jì)究竟有多少電量被以這種方式竊取，但行業(yè)專家認(rèn)為這個問題不容小覷，值得防范。

本文簡要回顧了反激式電源中磁干擾背后的物理學(xué)原理，并介紹了一種抗磁干擾的雙路輸出隔離反激式電源設(shè)計(jì)。本文最后討論了抗磁干擾電源與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源之間的測試和性能比較。

變壓器鐵氧體磁芯的亞鐵磁性（鐵氧體具有晶體隨機(jī)排列的磁極對，可以自發(fā)重新排列）是潛在干擾的來源，通常需要重新設(shè)計(jì)變壓器。鐵氧體磁芯材料用于開關(guān)模式變壓器。當(dāng)暴露在強(qiáng)磁場中時，亞鐵磁材料的晶極排列會發(fā)生變化。在電源變壓器中，這可能會對變壓器（及電源）性能產(chǎn)生連鎖影響：

1. 外部磁場的存在導(dǎo)致鐵氧體磁芯的內(nèi)部場強(qiáng)減弱

2. 通量密度β降低

3. 總磁通量降低，從而降低初級電感

4. 如果外部磁場足夠強(qiáng)，電感量將充分減小，那么在有用的能量傳輸發(fā)生之前，隨著開關(guān)電流上升到其限流點(diǎn)，電源將進(jìn)入自動重啟動狀態(tài)。在沒有設(shè)置初級限流點(diǎn)的電路中，發(fā)生開關(guān)故障的可能性是非常高的。

Power Integrations開發(fā)了一種防磁干擾、雙路輸出隔離反激式電源，可在85至350VAC的輸入電壓范圍內(nèi)提供16.5VDC@300mA和16.5VDC@100mA的輸出電流（圖1）。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括優(yōu)化變壓器以補(bǔ)償外部磁場的影響， 以及元件的選擇和布局。

圖1：使用設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)淖儔浩?，這款反激式電源可以在存在外部磁場的情況下繼續(xù)正常工作

該設(shè)計(jì)采用LinkSwitch-XT2 900V產(chǎn)品系列的LNK3696P設(shè)計(jì)而成。LNK3696P IC內(nèi)部集成了900V功率MOSFET、振蕩器、簡單的ON/OFF控制方式、高壓開關(guān)電流源、頻率調(diào)制、逐周期限流以及熱關(guān)斷，可實(shí)現(xiàn)元件數(shù)非常少的電源方案。

由于ON/OFF控制方式，在每個開關(guān)周期之前都會檢查輸出。如果輸出已降至閾值限值以下，則啟動開關(guān)周期。如果輸出在限值范圍內(nèi)，則跳過開關(guān)周期。在每個開關(guān)周期中，開關(guān)電流在升高過程中受到監(jiān)測，當(dāng)電流超過預(yù)設(shè)限值時終止開關(guān)脈沖。因此，每個開關(guān)周期的長度均相同，向負(fù)載傳輸?shù)目偰芰恳彩枪潭ǖ?/p>

（圖2）。

圖2：每當(dāng)輸出電壓降至設(shè)定限值以下時，就會提供輸出功率，并由反饋引腳(VEN)進(jìn)行測量。在短路情況下，電壓將保持低電平，并且每個時鐘周期都需要能量。

如果連續(xù)的開關(guān)請求過多，則會觸發(fā)保護(hù)性重啟動，從而降低輸出能量。

由于僅在需要時進(jìn)行開關(guān)，因此其輕載效率高于傳統(tǒng)PWM驅(qū)動器。

ON/OFF控制方式也不需要環(huán)路補(bǔ)償，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)是一個非線性系統(tǒng)。

啟動及工作時的功率直接來自于漏極引腳，無需使用偏置繞組及相關(guān)電路。在100%負(fù)載下，當(dāng)向傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的變壓器施加有害磁場時，LinkSwitch-XT2通過以下過程強(qiáng)制進(jìn)入自動重啟動狀態(tài)：

1. 外加磁場導(dǎo)致初級電感的下降幅度高達(dá)其額定值的50%(1338μH)

2. 隨著電感的降低，磁芯在每個開關(guān)周期中存儲的能量越來越少

3. 為了繼續(xù)支持100%功率，控制器增加了額外的開關(guān)周期以更頻繁地提供較少的能量

4. 全頻的一長串連續(xù)循環(huán)被視為輸出短路，然后啟動保護(hù)性自動重啟動。電源無法正常開關(guān)-反復(fù)嘗試重啟動。

為防止在有外部磁場的情況下自動重啟動，初始初級電感需要從1338μH翻倍至2676μH。由于上述亞鐵磁效 應(yīng)的存在，施加外部磁場可以將電感降低多達(dá)50%，降至1338μH。憑借1338μH的電感，電源可以啟動并支持100%負(fù)載，而不會進(jìn)入自動重啟動狀態(tài)。

元件的選擇和放置也有助于提高抗磁干擾的能力。為了防止任何磁鐵過于靠近變壓器，高大的元件（例如大電容、Y電容和輸出電容）位于變壓器周圍以形成屏障（圖3）。使用扁平骨架也能增強(qiáng)“元件屏障”的? 效果。

圖3：所示為DER-711的電路板實(shí)例 - 在變壓器周圍放置“高大”元件， 可最大程度防止任何外部磁鐵接近變壓器

測試時使用的磁鐵可以從側(cè)面或頂部移向變壓器。在此處描述的測試中，將一塊強(qiáng)度為3451高斯的6.35mm方 形N35級釹鐵硼(NdFeB)磁鐵放置在變壓器鐵芯旁邊，以制造初級電感至少減少50%的“最差情況”（圖4）。在此測試條件下，電源能夠在100%負(fù)載和75VAC輸入電壓下啟動（也是最差情況）。

圖4. 使用3451高斯磁鐵對DER-711 PCB進(jìn)行測試， 磁鐵直接放置在磁芯旁邊（紅色方框中的銀色元件）

設(shè)計(jì)抗磁干擾電源時，需要考慮更高的電磁干擾(EMI)、更長的啟動時間、更低的功率變換效率以及可能產(chǎn)生音頻噪聲。將磁鐵放置到磁芯上會降低符合標(biāo)準(zhǔn)所需的EMI裕量，而抗磁干擾電源設(shè)計(jì)需要更大的EMI裕量。DER-711設(shè)計(jì)具有>6dB的傳導(dǎo)EMI裕量。

如上所述，當(dāng)在磁芯附近放置外部磁場時，電感會降低，從而導(dǎo)致開關(guān)頻率增加。漏極電壓的弛張振蕩的頻率也會隨之相應(yīng)增加。需要使用屏蔽繞組和適當(dāng)?shù)妮斎霝V波器設(shè)計(jì)，以控制弛張振鈴帶來的EMI增大。除EMI 因素外，當(dāng)磁鐵在鐵芯上時，啟動時間會更長，從9.68ms增加到15.84ms（圖5）。

圖5：在存在外部磁場的情況下，啟動時間從9.68ms增加到15.84ms，增加了大約6ms

經(jīng)測試，在磁鐵直接緊鄰變壓器的極端情況下，系統(tǒng)效率的下降僅為4-6%（圖6）。在這些情況下，IC溫度在滿載時僅增加16°C。如果外加磁場強(qiáng)度較弱，則效率下降和相應(yīng)的溫升都較小。

圖6：在最差情況下，將磁鐵放置在變壓器旁邊，效率僅下降4-6%

本設(shè)計(jì)中的最大磁通密度為2650高斯，明顯高于LinkSwitch-XT2設(shè)計(jì)中建議的最大1500高斯。因此，滿載時的 開關(guān)頻率會降低，并且可能低到足以進(jìn)入音頻噪聲范圍。對于電表應(yīng)用中的電源而言，這通常并不是缺點(diǎn)。

可以以最小的設(shè)計(jì)折衷為電表設(shè)計(jì)一種抗磁干擾的隔離反激式電源。設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于增加初級電感，以確保電源有足夠的裕量在存在外部磁干擾的情況下保持滿載不間斷工作。同時，還可以使用扁平的變壓器骨架，并在變壓器周圍放置高大的元件，形成一道“屏障”，最大程度防止外部磁鐵靠近變壓器，這些也是有用的設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞： 外部磁場 的情況下 控制方式 啟動時間 輸入電壓