适用于电表的防干扰隔离反激式电源

想要干扰电表非常简单，只需在电源变压器附近放置一块强磁铁。外加磁场会破坏功率变换器并阻碍电表准确监测用电量的能力。磁铁很容易使电表失效，因为通常实施的防干扰方案无法检测到它。目前还没有准确的数字来估计究竟有多少电量被以这种方式窃取，但行业专家认为这个问题不容小觑，值得防范。

亚磁铁与磁铁

变压器铁氧体磁芯的亚铁磁性（铁氧体具有晶体随机排列的磁极对，可以自发重新排列）是潜在干扰的来源，通常需要重新设计变压器。铁氧体磁芯材料用于开关模式变压器。当暴露在强磁场中时，亚铁磁材料的晶极排列会发生变化。在电源变压器中，这可能会对变压器（及电源）性能产生连锁影响：

1. 外部磁场的存在导致铁氧体磁芯的内部场强减弱

2. 通量密度β降低

3. 总磁通量降低，从而降低初级电感

4. 如果外部磁场足够强，电感量将充分减小，那么在有用的能量传输发生之前，随着开关电流上升到其限流点，电源将进入自动重启动状态。在没有设置初级限流点的电路中，发生开关故障的可能性是非常高的。

Power Integrations开发了一种防磁干扰、双路输出隔离反激式电源，可在85至350VAC的输入电压范围内提供16.5VDC@300mA和16.5VDC@100mA的输出电流（图1）。其设计要点包括优化变压器以补偿外部磁场的影响， 以及元件的选择和布局。

图1：使用设计得当的变压器，这款反激式电源可以在存在外部磁场的情况下继续正常工作

该设计采用LinkSwitch-XT2 900V产品系列的LNK3696P设计而成。LNK3696P IC内部集成了900V功率MOSFET、振荡器、简单的ON/OFF控制方式、高压开关电流源、频率调制、逐周期限流以及热关断，可实现元件数非常少的电源方案。

由于ON/OFF控制方式，在每个开关周期之前都会检查输出。如果输出已降至阈值限值以下，则启动开关周期。如果输出在限值范围内，则跳过开关周期。在每个开关周期中，开关电流在升高过程中受到监测，当电流超过预设限值时终止开关脉冲。因此，每个开关周期的长度均相同，向负载传输的总能量也是固定的（图2）。

图2：每当输出电压降至设定限值以下时，就会提供输出功率，并由反馈引脚(VEN)进行测量。在短路情况下，电压将保持低电平，并且每个时钟周期都需要能量。如果连续的开关请求过多，则会触发保护性重启动，从而降低输出能量。

由于仅在需要时进行开关，因此其轻载效率高于传统PWM驱动器。ON/OFF控制方式也不需要环路补偿，因为该设计是一个非线性系统。

启动及工作时的功率直接来自于漏极引脚，无需使用偏置绕组及相关电路。在100%负载下，当向传统设计的变压器施加有害磁场时，LinkSwitch-XT2通过以下过程强制进入自动重启动状态：

1. 外加磁场导致初级电感的下降幅度高达其额定值的50%  (1338μH)

2. 随着电感的降低，磁芯在每个开关周期中存储的能量越来越少

3. 为了继续支持100%功率，控制器增加了额外的开关周期以更频繁地提供较少的能量

4. 全频的一长串连续循环被视为输出短路，然后启动保护性自动重启动。电源无法正常开关-  反复尝试重启动。

为防止在有外部磁场的情况下自动重启动，初始初级电感需要从1338μH翻倍至2676μH。由于上述亚铁磁效  应的存在，施加外部磁场可以将电感降低多达50%，降至1338μH。凭借1338μH的电感，电源可以启动并支持100%负载，而不会进入自动重启动状态。

元件的选择和布局

元件的选择和放置也有助于提高抗磁干扰的能力。为了防止任何磁铁过于靠近变压器，高大的元件（例如大电容、Y电容和输出电容）位于变压器周围以形成屏障（图3）。使用扁平骨架也能增强“元件屏障”的   效果。

图3：所示为DER-711的电路板实例 - 在变压器周围放置“高大”元件， 可最大程度防止任何外部磁铁接近变压器

测试方法

测试时使用的磁铁可以从侧面或顶部移向变压器。在此处描述的测试中，将一块强度为3451高斯的6.35mm方 形N35级钕铁硼(NdFeB)磁铁放置在变压器铁芯旁边，以制造初级电感至少减少50%的“最差情况”（图4）。在此测试条件下，电源能够在100%负载和75VAC输入电压下启动（也是最差情况）。

图4. 使用3451高斯磁铁对DER-711 PCB进行测试， 磁铁直接放置在磁芯旁边（红色方框中的银色元件）

测试结果和性能比较

设计抗磁干扰电源时，需要考虑更高的电磁干扰(EMI)、更长的启动时间、更低的功率变换效率以及可能产   生音频噪声。将磁铁放置到磁芯上会降低符合标准所需的EMI裕量，而抗磁干扰电源设计需要更大的EMI裕   量。DER-711设计具有>6dB的传导EMI裕量。

如上所述，当在磁芯附近放置外部磁场时，电感会降低，从而导致开关频率增加。漏极电压的弛张振荡的频率也会随之相应增加。需要使用屏蔽绕组和适当的输入滤波器设计，以控制弛张振铃带来的EMI增大。除EMI  因素外，当磁铁在铁芯上时，启动时间会更长，从9.68ms增加到15.84ms（图5）。

图5：在存在外部磁场的情况下，启动时间从9.68ms 增加到15.84ms，增加了大约6ms

经测试，在磁铁直接紧邻变压器的极端情况下，系统效率的下降仅为4-6%（图6）。在这些情况下，IC温度在满载时仅增加16°C。如果外加磁场强度较弱，则效率下降和相应的温升都较小。

图6：在最差情况下，将磁铁放置在变压器旁边，效率仅下降4-6%

本设计中的最大磁通密度为2650高斯，明显高于LinkSwitch-XT2设计中建议的最大1500高斯。因此，满载时的 开关频率会降低，并且可能低到足以进入音频噪声范围。对于电表应用中的电源而言，这通常并不是缺点。

总结

END