潘成飛 游勇 陳紅亮

摘 ?要：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中通常采用隔離開關電源給浮置測量電路供電，然而對于被測信號接地的情況，變壓器初次級間的噪聲對測量電路而言是一個共模干擾源，影響測量精度。為提高測量精度，對初次級間共模噪聲產生的機理、共模噪聲在測量回路中形成干擾的原因進行分析，得到降低共模噪聲的思路。最后設計一款隔離電源，使用平衡對稱指數(shù)規(guī)律變化的波形驅動變壓器，以降低驅動電壓和漏感電動勢的dV/dt，采用全橋驅動和全波整流的對稱拓撲并結合單層繞組抵消初次級間感應電動勢產生的泄漏電流。試驗表明采取這些措施后共模噪聲遠低于常規(guī)不控制變壓器dV/dt的方波驅動方案。

關鍵詞：開關電源;共模噪聲;驅動波形;漏感電動勢

中圖分類號：TM46 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0022-04

Abstract：The isolation switch power supply is usually used in the data acquisition system to supply power to the floating measurement circuit. However，when the measured signal is grounded，the noise between the primary stages of the transformer is a common mode interference source to the measurement circuit，affecting the measurement accuracy. In order to improve the measurement accuracy，this paper analyzes the mechanism of common mode noise in the first stage and the reason of common mode noise in the measurement loop，and obtains the idea of reducing common mode noise. Finally，an isolated power supply is designed，which uses the waveform of balanced symmetric exponential law to drive the transformer，so as to reduce the driving voltage and the dV/dt of the leakage induced electromotive force. The symmetric topology of full bridge drive and full wave rectification is adopted，and the single-layer winding is combined to offset the leakage current generated by the initial induced electromotive force between stages. The results show that the common mode noise is much lower than that of the conventional square wave drive scheme without controlling transformer dV/dt.

Keywords：switching power supply;common mode noise;drive waveform;leakage electromotive force

0 ?引 ?言

測量對地存在共模電壓的信號，要求測量設備的輸入端對地隔離，使被測信號與大地沒有電流回路，以保證人身和設備安全、測量結果正確。對浮置測量電路供電通常有電池、工頻變壓器、隔離開關電源三種方案。隔離開關電源體積小效率高，是目前采用較多的方案，但其共模噪聲較大。當測量接地的信號源時，共模噪聲電流在測量回路阻抗上形成壓降，造成干擾。特別是對于微弱信號并且共模噪聲頻率在信號的頻帶內時，嚴重影響測量精度。電池供電理論上沒有共模電壓，但是需要更換維護，工頻變壓器也可達到很好的效果，但體積大，都不適用于插卡式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

一些隔離DC-DC電源在初次級跨接大的電容短路共模噪聲，然而對于浮置測量電路是不可取的，降低了輸入的共模抑制比和交流隔離度。使用雙層屏蔽可以降低共模噪聲，但對于CAT II 600V及以上的測量應用，在提供幾瓦特功率的小型磁芯內，初次級屏蔽間的絕緣距離達不到安全標準的要求。

本文分析了隔離開關電源共模噪聲產生的機理，特別是通常被忽略的次級漏感電動勢產生的共模噪聲。指出采用平衡對稱指數(shù)規(guī)律變化的驅動波形，能夠在減緩初次級繞組感應電動勢的dV/dt和次級漏感電動勢的dV/dt的同時，不至于使次級二極管電流峰值因數(shù)增加過多。最后設計一款用于插卡式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低共模噪聲隔離電源，實驗證明比方波和梯形波驅動產生的共模噪聲低。

1 ?隔離電源共模噪聲對測量電路的影響

測量設備與被測信號構成的測量回路如圖1所示。Vcm是變壓器初次級共模電動勢，Ciso是初次級繞組雜散電容。若被測信號接地或與地的阻抗較低，共模電壓在地回路中產生電流。從測量電路的輸入看，其測量的信號為被測信號與連接線阻抗上的噪聲電壓疊加，而測量系統(tǒng)認為疊加的電壓就是信號電壓，從而產生誤差。

特別是被測信號供電和測量設備供電就近連到同一市電線路上時，其地回路并不長，阻抗低，容易受影響。實踐中發(fā)現(xiàn)如果對10MHz帶寬隔離數(shù)據(jù)采集卡供電的幾瓦特開關電源不加以改進處理的話，在滿量程100mV下，探頭輸入和測量地都連接到大地，其噪聲峰峰值達到10mV，影響是非常嚴重的。

2 ?隔離電源共模噪聲形成的機理

2.1 ?初次級繞組電壓產生共模電壓

假設初次級繞組均為單層線圈，如圖2所示。N匝線圈相當于把自感電動勢分成N分串聯(lián)，從接地端到電源端，線圈對初級地的電位逐漸升高。每一匝初級線圈對整個次級繞組有一個雜散電容，最終效果等效于在這個單層線圈中間位置串聯(lián)一個總雜散電容到次級地，即共模噪聲源模型是電動勢為初級電壓一半，內阻為總雜散電容的電壓源[1]。同理，次級繞組互感電動勢產生的共模電壓等效于電動勢為次級電壓一半，內阻為總雜散電容的電壓源。

初次級繞組電壓產生的兩個共模電壓分量疊加可能減少也可能增加，與匝數(shù)比、繞線方式、拓撲等有關系，但一般情況不可能完全抵消。

2.2 ?變壓器漏感電動勢產生共模電壓

實踐中發(fā)現(xiàn)變壓器次級漏感電動勢也會產生共模噪聲。圖3是下圖6中初級繞組A點對初級地，以及次級繞組C點對次級地的波形，可見Q1從導通過渡到截止過程剛開始的階段，A點電壓線性下降，即初級繞組電壓線性降低。此時次級繞組電壓并沒有馬上跟隨降低，而是延遲了94ns才開始降低。在二極管D1陰極串入0.1Ω電阻取樣電流波形，發(fā)現(xiàn)此階段D1電流從正常值逐漸降低到0，如圖4所示。說明漏感能量在轉移到輸出端。

用示波器測量次級地對初級地的共模電壓，由于示波器探頭相當于開路，次級再連接任何設備都會影響測量結果。所以共模電壓與D1電流，C點波形無法同時測量，可以A點為基準分別測量，單獨測量的共模電壓波形如圖5所示?？梢娫贏點電壓開始下降的階段，產生了一個共模電壓CM，與C點延遲時間的位置對應。

輸出濾波電容保持輸出電壓相對穩(wěn)定，次級繞組互感電動勢與初級自感電動勢變化是一致的，馬上跟隨初級電壓降低的，而此時D1還有電流，說明互感電動勢降低的同時漏感電動勢從0開始線性增大，增大的量等于互感電動勢減少的量，直到次級繞組電流為降為0，漏感能量放完，然后漏感與二極管結電容形成減幅振蕩。次級漏感是分布參數(shù)，是次級每一匝產生漏磁通疊加的效果，與次級互感電動勢對初級的作用產生共模電壓的原理是一樣的。

實踐發(fā)現(xiàn)，帶中心抽頭的次級用全波整流輸出正負電源，當正負電源的負載相等時，漏感電動勢得到一定程度的抵消。然而在實際的測量電路中正電源需要給FPGA和ADC供電，電流比負電源大。

3 ?隔離開關電源共模噪聲改善方法

3.1 ?繞組屏蔽

在初次級繞組間使用雙層屏蔽，靠近初級的屏蔽接初級地，靠近次級的屏蔽接次級地，降低了初級繞組和次級繞組的互容[2]。但是對用于CAT II 600V及以上測量應用的數(shù)據(jù)采集板卡雙層屏蔽并不現(xiàn)實，使用三重絕緣線并無意義，雙層屏蔽銅箔間是薄弱環(huán)節(jié)，要滿足安全標準中隔離距離要求所需的磁芯尺寸比正常大較多。不過在實踐中，單獨使用單層屏蔽接初級地，對降低共模電壓也有一定效果，同時初次級繞組都使用三重絕緣線，也可達到安全標準的要求。

3.2 ?減緩開關切換斜率

減緩開關切換斜率，也就是降低繞組的dV/dt，對降低干擾是非常有效的[3]。開關管損耗會增大，按圖6的電路，在開關切換過程，次級電壓低于輸出電壓時整流二極管截止，在繞組電壓平頂階段才有開關電流。所以在開關緩慢切換過程，開關管不需對次級提供能量，導致的效率降低可以接受。

3.3 ?合適的拓撲和繞線方式抵消共模電壓

初級使用對稱驅動的拓撲，如帶中心插頭的全橋，中心抽頭通過電容交流接初級地，并且初次級都為單層繞制，寬度一致。繞組兩端對中心抽頭是互為反相的等幅交變電壓。根據(jù)章節(jié)2.1的分析，初級中心抽頭分開的兩部分繞組對次級產生的共模電動勢大小相等方向相反，由于初次級繞組單層等寬，初級兩個繞組對次級雜散電容大體相等，初級電壓對次級產生的共模電壓在一定程度上得到抵消。同樣地，次級繞組采用帶有中心抽頭的全波整流，產生的共模電壓在一定程度上得到抵消。

3.4 ?外部補償共模噪聲

文獻[4]給出了一種無源補償方法，使用一個電容和一個補償繞組產生與共模電流反相的補償電流，但是沒有調節(jié)元件，變壓器一旦做好就不能再進一步細致調節(jié)補償效果。這里提出直接利用次級繞組進行補償?shù)姆桨福m用于次級帶中心抽頭的整流拓撲。可用電位器取樣次級兩端電壓，用一個容量與變壓器初次級電容大體相等的電容連接初級地和電位器抽頭。一般小功率變壓器雜散電容十幾皮法以下，所加的電容對測量電路的交流隔離度影響不大。

次級繞組兩端對初級地的電壓互為反相，電位器抽頭在中心位置附近存在一個零點，在零點往次級其中一端調，加在電容上的電壓增大;在零點往次級另一端調，加在電容上的電壓也增大，但相位相反。可產生一個與原共模電壓相位相反幅值相等的補償電壓加在電容上，抵消初次級感應電動勢產生的共模電壓。實踐中發(fā)現(xiàn)此方法對高dV/dt驅動波形邊沿產生的干擾抑制效果不明顯，對波形平頂階段產生的共模電壓是明顯的。同時要求電位器分壓的等效電阻遠小于開關頻率下的容抗。

4 ?低共模噪聲隔離電源的設計

根據(jù)以上產生共模電壓的原因和改善方法，設計了一款隔離開關電源，如圖6所示。

FPGA及其自帶存儲空間、DAC構成信號發(fā)生器，產生驅動波形。兩個運放驅動分別驅動兩組互補跟隨器，增益分別為5和-5倍。驅動波形平頂階段互補跟隨器接近飽和區(qū)，在不犧牲開關速度的情況下盡量降低損耗。經過調試，信號發(fā)生單元輸出峰峰值為2.7V，偏置1.35V的方波，可在半橋輸出得到0.7～12.7V的電壓。兩半橋輸出加到變壓器初級電壓幅值為12V。

采用帶中心抽頭全橋拓撲，中心抽頭交流接初級地。次級采用全波整流，得到正負電源。開關頻率為200kHz，變壓器用EP13磁芯，初級用Φ0.40mm漆包線雙線繞5匝，次級用Φ0.3mm漆包線雙線繞10T，初次級都是單層線圈。

用示波器測量共模電壓，探頭夾子接初級地，探頭針尖連接次級地。因為探頭相當于開路，極易受空間50Hz電場影響造成波形基線漂移，所以整個電源放在接初級地的金屬機箱內。正電源接39Ω電阻，負電源接220Ω電阻，實測電源輸出電壓±11.3V。編程信號發(fā)生單元，分別輸出上升時間100ns方波、上升時間500ns方波、平衡對稱的指數(shù)波，頻率均為200kHz，測試這幾種情況的共模電壓波形和峰峰值。共模噪聲測試結果如表1所示。

其中指數(shù)波是這樣的：0～π/2（0～1.25μs）階段電壓與1.35V電源對時間常數(shù)為180ns，電容初始電壓為0的RC串聯(lián)電路進行充電時的電容電壓一致。π/2～π（1.25～2.5μs）階段是0～π/2波形的鏡像，負半周π～2π階段為0～π波形的反相，輸出幅值1.35V，偏置1.35V。

可見降低驅動波形dV/dt可降低共模噪聲，由于次級漏感的影響，要進一步減少噪聲，需要較低的dV/dt，但會導致平頂階段時間減少，次級二極管導通角降低，峰值電流增大。而采用指數(shù)波形，如圖7中A為變壓器初級引腳波形，過渡過程是圓滑的，變壓器初級電壓變換極性的過程，先緩慢再快速過零然后緩慢達到另一個峰值，剛開始緩慢的斜率降低了漏感電動勢dV/dt，以稍快的斜率過零使次級二極管導通時間不至于過短導致峰值電流增大。圖7中CM為共模電壓波形，對降低共模噪聲取得了較好的效果。

板卡上每路隔離電源都用圖6方案顯得成本過高，體積較大。實際上每路隔離測量電路功率不大，一般5W以內，將信號發(fā)生單元、驅動共用，放置在機箱電源中，隔離變壓器在每個板卡上，并聯(lián)連接到驅動輸出端。

5 ?結 ?論

分析了隔離數(shù)據(jù)采集板卡的隔離電源共模噪聲產生的機理，提出了降低共模噪聲的方法。根據(jù)這些思路設計了一款隔離電源方案，使用平衡對稱指數(shù)波驅動，實驗表明共模噪聲比通用的沒有斜率控制的方案低得多，從而提高了測量電路的性能。采用集中驅動的方式避免成本和體積過多增加，具有實用性。

參考文獻：

[1] [美]拉爾夫·莫里森.儀器設備的接地和屏蔽技術 [M].第二版.梁懷璧，譯.北京：科學普及出版社，1988.

[2] 菅沼豊，宋永林.采用雙層屏蔽變壓器的小電流互感器的試驗方法 [J].國外計量，1975（1）：46-49+37.

[3] 周偉英，丘水生.開關電源電磁干擾抑制技術 [J].低壓電器，2007（19）：45-49.

[4] 鄒麗霞，謝毅聰，熊蕊.開關電源基于補償原理的無源共模干擾抑制技術 [J].電源技術應用，2004，7（1）：49-52.

作者簡介：潘成飛（1987.06-），男，漢族，廣東肇慶人，技術經理，本科，研究方向：精密測量儀器。