【導讀】想要干擾電表非常簡(jiǎn)單，只需在電源變壓器附近放置一塊強磁鐵。外加磁場(chǎng)會(huì )破壞功率變換器并阻礙電表準確監測用電量的能力。磁鐵很容易使電表失效，因為通常實(shí)施的防干擾方案無(wú)法檢測到它。目前還沒(méi)有準確的數字來(lái)估計究竟有多少電量被以這種方式竊取，但行業(yè)專(zhuān)家認為這個(gè)問(wèn)題不容小覷，值得防范。
本文簡(jiǎn)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計。本文最后討論了抗磁干擾電源與傳統設計的電源之間的測試和性能比較。
亞鐵磁體與磁鐵
變壓器鐵氧體磁芯的亞鐵磁性（鐵氧體具有晶體隨機排列的磁極對，可以自發(fā)重新排列）是潛在干擾的來(lái)源，通常需要重新設計變壓器。鐵氧體磁芯材料用于開(kāi)關(guān)模式變壓器。當暴露在強磁場(chǎng)中時(shí)，亞鐵磁材料的晶極排列會(huì )發(fā)生變化。在電源變壓器中，這可能會(huì )對變壓器（及電源）性能產(chǎn)生連鎖影響：
1. 外部磁場(chǎng)的存在導致鐵氧體磁芯的內部場(chǎng)強減弱
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(chǎng)足夠強，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(zhù)開(kāi)關(guān)電流上升到其限流點(diǎn)，電源將進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)狀態(tài)。在沒(méi)有設置初級限流點(diǎn)的電路中，發(fā)生開(kāi)關(guān)故障的可能性是非常高的。
Power Integrations開(kāi)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的輸入電壓范圍內提供16.5VDC@300mA和16.5VDC@100mA的輸出電流（圖1）。其設計要點(diǎn)包括優(yōu)化變壓器以補償外部磁場(chǎng)的影響， 以及元件的選擇和布局。
圖1：使用設計得當的變壓器，這款反激式電源可以在存在外部磁場(chǎng)的情況下繼續正常工作
該設計采用LinkSwitch-XT2 900V產(chǎn)品系列的LNK3696P設計而成。LNK3696P IC內部集成了900V功率MOSFET、振蕩器、簡(jiǎn)單的ON/OFF控制方式、高壓開(kāi)關(guān)電流源、頻率調制、逐周期限流以及熱關(guān)斷，可實(shí)現元件數非常少的電源方案。
由于ON/OFF控制方式，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期之前都會(huì )檢查輸出。如果輸出已降至閾值限值以下，則啟動(dòng)開(kāi)關(guān)周期。如果輸出在限值范圍內，則跳過(guò)開(kāi)關(guān)周期。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，開(kāi)關(guān)電流在升高過(guò)程中受到監測，當電流超過(guò)預設限值時(shí)終止開(kāi)關(guān)脈沖。因此，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的長(cháng)度均相同，向負載傳輸的總能量也是固定的
（圖2）。
圖2：每當輸出電壓降至設定限值以下時(shí)，就會(huì )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(gè)時(shí)鐘周期都需要能量。
如果連續的開(kāi)關(guān)請求過(guò)多，則會(huì )觸發(fā)保護性重啟動(dòng)，從而降低輸出能量。
由于僅在需要時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)，因此其輕載效率高于傳統PWM驅動(dòng)器。
ON/OFF控制方式也不需要環(huán)路補償，因為該設計是一個(gè)非線(xiàn)性系統。
啟動(dòng)及工作時(shí)的功率直接來(lái)自于漏極引腳，無(wú)需使用偏置繞組及相關(guān)電路。在100%負載下，當向傳統設計的變壓器施加有害磁場(chǎng)時(shí)，LinkSwitch-XT2通過(guò)以下過(guò)程強制進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)狀態(tài)：
1. 外加磁場(chǎng)導致初級電感的下降幅度高達其額定值的50%(1338μH)
2. 隨著(zhù)電感的降低，磁芯在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中存儲的能量越來(lái)越少
3. 為了繼續支持100%功率，控制器增加了額外的開(kāi)關(guān)周期以更頻繁地提供較少的能量
4. 全頻的一長(cháng)串連續循環(huán)被視為輸出短路，然后啟動(dòng)保護性自動(dòng)重啟動(dòng)。電源無(wú)法正常開(kāi)關(guān)-反復嘗試重啟動(dòng)。
為防止在有外部磁場(chǎng)的情況下自動(dòng)重啟動(dòng)，初始初級電感需要從1338μH翻倍至2676μH。由于上述亞鐵磁效 應的存在，施加外部磁場(chǎng)可以將電感降低多達50%，降至1338μH。憑借1338μH的電感，電源可以啟動(dòng)并支持100%負載，而不會(huì )進(jìn)入自動(dòng)重啟動(dòng)狀態(tài)。
元件的選擇和布局
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(guò)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?chē)孕纬善琳希▓D3）。使用扁平骨架也能增強“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?chē)胖谩案叽蟆痹?可最大程度防止任何外部磁鐵接近變壓器
測試方法
測試時(shí)使用的磁鐵可以從側面或頂部移向變壓器。在此處描述的測試中，將一塊強度為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%負載和75VAC輸入電壓下啟動(dòng)（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）
測試結果和性能比較
設計抗磁干擾電源時(shí)，需要考慮更高的電磁干擾(EMI)、更長(cháng)的啟動(dòng)時(shí)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(huì )降低符合標準所需的EMI裕量，而抗磁干擾電源設計需要更大的EMI裕量。DER-711設計具有>6dB的傳導EMI裕量。
如上所述，當在磁芯附近放置外部磁場(chǎng)時(shí)，電感會(huì )降低，從而導致開(kāi)關(guān)頻率增加。漏極電壓的弛張振蕩的頻率也會(huì )隨之相應增加。需要使用屏蔽繞組和適當的輸入濾波器設計，以控制弛張振鈴帶來(lái)的EMI增大。除EMI 因素外，當磁鐵在鐵芯上時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間會(huì )更長(cháng)，從9.68ms增加到15.84ms（圖5）。
圖5：在存在外部磁場(chǎng)的情況下，啟動(dòng)時(shí)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，系統效率的下降僅為4-6%（圖6）。在這些情況下，IC溫度在滿(mǎn)載時(shí)僅增加16°C。如果外加磁場(chǎng)強度較弱，則效率下降和相應的溫升都較小。
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%
本設計中的最大磁通密度為2650高斯，明顯高于LinkSwitch-XT2設計中建議的最大1500高斯。因此，滿(mǎn)載時(shí)的 開(kāi)關(guān)頻率會(huì )降低，并且可能低到足以進(jìn)入音頻噪聲范圍。對于電表應用中的電源而言，這通常并不是缺點(diǎn)。
總結
可以以最小的設計折衷為電表設計一種抗磁干擾的隔離反激式電源。設計要點(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(mǎn)載不間斷工作。同時(shí)，還可以使用扁平的變壓器骨架，并在變壓器周?chē)胖酶叽蟮脑?，形成一道“屏障”，最大程度防止外部磁鐵靠近變壓器，這些也是有用的設計策略。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
