电子变压器过流保护方式与EMI处理技巧

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  电子变压器过流保护方式与EMI处理技巧
  作者：杨恒
摘要:电子变压器过流（短路保护）保护功能的优劣与产品的安全使用密切相关；在电路中是否加入EMI抑制电路对并联电网中其它电器的合理使用带来影响。如何以最低的成本来实现过流保护功能与EMI抑制电路，在电路的设计与PCB板的排版方式上具有较大的技巧性，本文以60W电子变压器为例介绍了实现上述功能的设计技巧。
叙词:电子变压器；过流（短路）保护；EMI抑制电路；阻抗匹配
1.引言
　　电子变压器具有体积小，重量轻，转换效率高和价格低等特点，因此电子变压器在传统照明领域如商场局部照明、家居装饰照明中应用广泛。正因为其价格低，使生产厂家几乎无利可图，因此对产品的品质听之任之，尤其对过流保护（短路保护）与EMI的处理上更是感到无从下手。对任何电源产品来说过流保护是必需具备的条件，如电源不具备过流保护的功能，意味着在使用时安全上会存在诸多的隐患，如处理不当则有可能引起火灾的事故；同样电子变压器的大量使用，其产生的电磁干扰信号对电网的污染也是显而易见的，给与其并联电网中的其它电器产品的合理使用带来了影响。因此电子变压器产品在成本许可的范围内必需合理地处理好过流保护与EMI，才能提高产品的竞争力。
2.电子变压器的工作原理
　　半桥式逆变器分电压馈电与电流馈电两种方式，在国内以电压馈电式应用最为普遍，我们以电压馈电式来分析其工作原理。


　　图1是典型的电压馈电半桥式逆变器电路及工作原理图。在图1中，Q1、Q2是桥路的有源侧，电容C6、C7组成无源支路。灯负载则连接在桥路中有源支路和无源支路的两个中点之间。负载电流的回复通路由C6和C7提供。Q1、Q2既是振荡电路中的重要元件，同时又是功率开关管。
图2是具有过流（短路）保护和EMI抑制电路的60W电子变压器的原理图。R1、C4和双向触发二极管（Diac）D6等组成半桥式逆变器的启动电路。当电子变压器加电后，流经R1的电流对启动电容C4充电。当C4两端电压升高到D6的转折电压（约35V）后，D6则雪崩导通，C4通过Q2的基极→发射极网络放电，Q2因正向偏置而导通。在Q2导通期间，电流路径为：C6→RL→T2→T1→Q2→地构成回路。Q2集电极电流的瞬时变化（di/dt），通过T1-c在T1的两个次级绕组T1-a、T1-b的两端产生一个感应电势，极性是同铭端为负。其结果是Q2的基极电位升高，基极电流和集电极电流进一步增大，强烈地正反馈作用立即使Q2进入饱和状态。在Q2导通时，启动电容C4将通过D5和Q2放电，以阻止对Q2的基极产生进一步的触发脉冲。启动电路提供一个外部触发信号，高频振荡的建立与维持则借助于可饱和变压器T1绕组间的耦合，产生正反馈来实现。当T1达到饱和后，各绕组中的感应电势为零，Q2的基极电位呈下降趋势，IC2减小，T1-c中的感应电势将阻止IC2的减小，极性是同铭端为负。于是，Q2基极电位下降，Q1的基极电位上升，这种连锁正反馈迅速使Q2退出饱和跃变到截止状态，而Q1则由截止变成饱和导通。在Q1饱和导通时，电流通路是：Q1→T1-c→T2-RL-C7-地。当脉冲变压器T1磁芯进入饱和状态之后，连锁式的正反馈很快又使Q2再次饱和导通，而Q1由导通跃变为截止。如此周而复始，Q1和Q2轮流导通，将能量通过T2的次级绕组传递给负载。在作调光时加入C3可起到防止灯光闪烁的作用。


3.过流（短路）保护方式
　　R5为Q2发射极串联电阻。若T2次级侧负载加大（短路状态是过流的极限状态），必将使流过Q2发射极回路的电流上升，引起在电阻R5上的电压降增加，该脉动的电压经D7整流、C5滤波后在C5上得到一直流电压。该直流电压通过电阻R6加到Q4的基极，使Q4导通，Q4导通的结果将C4短路，使D6的电压低于其导通转折电压，因此D6截止，从而使Q3因得不到基极驱动电压而截止，整个电路处于截止跳约状态。若输出端长时间处于短路状态，则由于Q2、Q4等器件存在着非线性的特性，使Q2的温度上升，若上升的温度不能得到有效地散发，Q2将损坏。因此加入了Q3、R7组成的第二级保护电路，将Q2的基极电位也拉到地，这样使Q2彻底截止，能有效地起到长时间短路保护的作用。加入Q3、R7对整个成本构成来讲是轻微的，却能使输出端处于短路状态时对电路起到理想的保护作用。调整R5、R6、R7的电阻值能调整过流饱和点的灵敏度，在调试时应作多次试验以取得最佳值。过流保护点设置得太灵敏可能在冷态启动时存在启动不起而进入跳跃状态，太迟钝则加大了短路功耗。
4.EMI处理技巧
　　所谓电磁干绕（EMI），是因电磁波造成设备、传输通道或系统性能降低的一种电磁现象。EMI的来源既有外界的，也有内部的；有人为的因素，也有非人为的因素。EMI以辐射和传导两种方式传播。传导干扰有差模（DM）和共模（CM）两种类型。差模（对称模式）干扰在系统两电源线（相线与中线）间产生干扰电压，而与地线无关。差模电流从一电源线流进，从另一电源线返回。共模（非对称模式）噪声在每一电源线与地间产生干扰电压。共模电流从干扰源通过分布电容入地，沿地线传播，再经每一电源线返回。
　　目前抑制EMI的技术措施主要有屏蔽、接地（浮地、单点地和接地网）与滤波。其中，滤波技术是抑制传导干扰最有效和最经济的手段。
　　我们知道一般在输入回路中采用“Л”滤波器来抑制EMI干扰，如图3 PCB版图所示。但在实际测试中我们发现采用图3的排版方式，在C1、L1与图4中C1、L1容量与感量相同的情况下，无论是传导还是辐射按EN55015标准均严重超标约15db。设法加大C1、C2的容量，加大L1的电感量均无法下降。因成本与尺寸的限制不可能将L1由差模结构改为共模形式，只能从PCB的排板方式上作修改。
　　在正确选用滤波网络之前，电子变压器内部布局、布线必须合理设计，才能提高抗EMI的效果。仔细地核对PCB板的排板方式，发现有几处排板不合理，因此对图3PCB板作了修改，修改结果如图4所示。主要修改方案如下：①缩短了C1在交流进线侧的位置，使C1与L1配合滤波效果更强；②将C2移至桥式整流的后端，改原“Л”滤波结构为“L”滤波；③移动了C6、C7的位置，使其与变压器初级线圈所包围的面积更小；④将桥式整流器的位置前移，缩短了地线的走线距离；⑤改变了隔离电容C8、C9的位置，延长了初、次侧的安规距离。
　　EMI主要是由于开关管在作开关切换时所产生的di/dt与dv/dt，因此要设法削弱开关管所产生的di/dt与dv/dt量，或加强输入滤波电路的滤波效果。一般电子变压器采用双极型晶体管做开关管，因此开关频率较低，本设计开关频率定为35KHz（开关频率与T1驱动变压器的匝比、晶体管的基极驱动电阻值等有密切关系，改变参数时要注意相互的关联性），因此从频率的角度理解主开关频率所产生干扰源最强，其它次谐波则逐级衰减。由此可考虑以主开关频率为重点抑制对象。


　　由阻抗匹配原理可知，若输入阻抗=输出阻抗，则抑制效果最明显。开关频率f=35KHz，可得L、C的谐振频率也为f=35KHz，L、C谐振频率公式： ，考虑到电容的体积与价格，选电容量为0.1uF/250VAC，则可算出L1的电感量为270uH。实际上由于开关频率与电容量存在差异，因此电感量选880uH。按上述方式修改的电路顺利地通过了EN55015标准传导与辐射的测试，并且具有10db以上的裕量。C8、C9的容量对1MHz-10MHz段的辐射强度有较强的抑制作用。


　　无论什么EMI抑制电路(L型等)都是一个低通滤波器。想通过EMI测试只需让有用信号通过，无用的信号阻挡住就可以。因此在做EMI的设计与调试时，不要一味的就一个电感两个电容换来换去，而要先分析PCB板的排版合理性，再根据阻抗公式作调整，才能达到事半功倍的效果。
5.结言
　　过流（短路）保护对电子变压器是必需考核的指标，其设置的是否合理对电子变压器的安全与使用寿命有极大的关系，必需认真地对待。同样能否以最少的元件、最低的价格顺利通过EMI测试，既反映了工程师的技术水平，又满足了功能的要求，提升了产品的竞争力。实验证明采用本文介绍的方式来处理过流（短路）保护与EMI干扰抑制技术，则能缩短产品的开发周期，具有明显的经济效益。

千夫指pxj

选电容量为0.1uF/250VAC，则可算出L1的电感量为270uH。实际上由于开关频率与电容量存在差异，因此电感量选880uH。．．．．．这是什么理论啊？计算出来的值与实际取值相差达４倍．还需要计算吗？

小阿玉

不错的文章。学习了。

                               
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